开关磁阻电动机结构参数优化设计研究

孔庆奕，李艳超，容 烨，张 辉，金宗辉，韩 叶

(河北交通职业技术学院，石家庄 050035)

开关磁阻电动机结构参数优化设计研究

孔庆奕，李艳超，容 烨，张 辉，金宗辉，韩 叶

(河北交通职业技术学院，石家庄 050035)

摘 要：开关磁阻电动机的转矩脉动是影响电机性能的一个重要因素。以三相12/8开关磁阻电动机为例建立电机仿真模型，以减小电机转矩脉动为目的，修改相应的电机本体结构参数，提出一种在电机定子和转子齿上开槽的方法来改变电机内部的磁力线路径，以减小定转子之间的径向磁密，实现减小转矩脉动的目的。通过数值仿真验证了该方法对减小开关磁阻电动机的噪声具有较为明显的效果。

关键词：开关磁阻电机；结构优化；转矩脉动；电机性能；噪声抑制

0 引 言

开关磁阻电动机(以下简称SRM)作为一种新型电机，相比于其他电机，结构简单，转子上无绕组，定子上有集中绕组，无相间跨接线，力矩与相电流极性无关，特殊的结构使其可获得较高的转速，并且可以通过对电流的不同控制满足不同负载要求的机械特性。近年来，SRM在混合动力汽车、航天和机械制造领域都有着较好的发展前景[1]。

然而，由于SRM本身的双凸极结构，在绕组换相时会造成转矩波动明显，所引起的电机噪声与振动比一般电动机大，且无法消除[2]，因此研究如何减小电机的转矩脉动已经成为SRM研究领域的一个热点问题。电机的控制策略和结构优化都可以实现转矩脉动的减小[3]，本文针对电机本体结构参数对电机性能的影响展开讨论分析。

针对SRM本身结构特点和电机内部气隙磁密分布情况，本文研究一种新型的定转子齿结构，在定子两侧开槽以及前端和后端增加极靴，在转子齿两侧开槽，改变电机内部的气隙磁密方向，削弱了定转子之间的径向磁密，从而减小了转矩脉动。利用电磁仿真软件对结构改变前后2种电机参数进行数值仿真，验证了本方法对抑制电机噪声振动的有效性。

1 基于磁场边缘效应的削弱SRM电磁脉动方法

根据磁场边界条件可知，磁力线在通过2种不同物质分界面时，会发生“折射”——即产生磁场边缘效应，如图1所示。

图1 磁力线边缘磁效应

设铁心和空气气隙界面两侧的磁感线与界面法向量夹角分别是θ1和θ2，则可推出：

(1)

由于μFe≫μ0，所以对于SRM定转子而言，靠近气隙一侧，磁力线的出射角和入射角都接近于90°。根据麦克斯韦张量法可知，随着定子表面的出射角和转子表面入射角的增大，法线方向的磁密将增大，导致定转子表面的径向力将增大，加剧SRM转矩脉动[4]，如图2所示。

图2 改进前转子齿表面磁密走向

为了减小径向力，可以在电机的定转子结构上做一下变化[5]。如图3所示，尝试在定子和转子的两侧开槽，改变了磁力线的走向，磁力线在定子方向的出射角α1和转子方向的入射角β2随之减小，使得定子齿和转子齿一侧的径向磁密减小，电磁力的径向力也随之减小，从而可以有效地削弱SRM的转矩脉动，达到减小噪声的效果[6]。另外考虑到定转子在转动时相互接触容易发生转矩突变，在定子磁极前后端增加了极靴，增大了定转子的接触面积，实现了一个定转子重合前的缓冲区域，有效减小脉动突变，减小噪声[7]。

图3 改进后定转子齿表面磁密走向

2 SRM有限元仿真分析

选取功率为750 W的12/8三相SRM为例，对其进行建模优化仿真，研究开槽位置和定子前后端极靴角大小对电机转矩脉动大小的影响，SRM电机额定参数如表1所示。

表1 SRM额定参数

应用Ansoft电磁仿真软件对SRM结构变换前后进行建模仿真，如图4所示。

(a) 最初结构

(b) 改进结构

750 W的12/8三相SRM的主要结构参数如表2所示。

表2 SRM主要结构参数

2.1 转子开槽位置的影响

由电磁边缘理论分析可知，电机内部的磁密分布受到定转子开槽位置的影响，进而影响到电机的转矩脉动。下面以750 W的12/8三相SRM为例，通过对开槽高度进行调整，来对比分析开槽位置对转矩脉动的抑制影响。

将开槽高度由距齿顶1 mm逐渐变化到4 mm,电机的转矩变化如图5所示。可以看出，随着齿顶高度增加，平均转矩在逐渐降低。

(a) 1 mm处开槽

(b) 2 mm处开槽

(c) 3 mm处开槽

(d) 4 mm处开槽

SRM的转矩脉动一般用转矩波动系数衡量。转矩波动系数越大，电机转矩脉动越大；反之，转矩脉动越小。

转矩波动系数K[11]可表示：

(2)

式中：Tmax为最大转矩值;Tmin为最小转矩值;Tavg为平均转矩值。

如表3所示，定转子两侧开槽时，和未开槽相比，转矩波动系数明显减小，即转矩脉动明显减小了，电机的噪声也因此大幅度降低，说明双侧开槽的方法对减小SRM转矩脉动有效，并且由表3可知，随着开槽位置高度增加，转矩波动系数在逐渐增大，这是由于开槽高度越高，磁力线的路线改变越不明显，入射角α越大，导致径向磁密越大，所以脉动越明显，转矩波动系数也就越大。开槽越靠近齿顶时，转矩波动系数越小，改善效果越好，但是考虑到电机的机械稳定性问题，在靠近齿顶位置，所受电磁力切向力比较大，会造成SRM转子机械强度降低。为了获得较大的切向转矩和较小的径向转矩，我们将转子开槽位置定在距齿顶2 mm处，能够达到降低转矩脉动和保证机械强度的目的。

表3 SRM转子开槽位置对转矩波动系数的影响

2.2 定子前后端增加极靴抑制脉动

定转子凸极从不重合到完全重合再到完全分离的位置，径向转矩先增大后减小，这样就容易造成电机旋转时引起周期性脉动，磁密分布如图6、图7所示。为了抑制脉动，在定子的前后端的端部位置加上一组带有契形角度的极靴，如图4、图7所示。由于定子部分磁极结构的变化，会使定转子在重合前后，气隙中的磁力线有足够的接触面积，因而磁力线路线在重合前后突变不大，有效地抑制了定转子磁极瞬间的转矩突变值，达到减小转矩脉动的效果。如表4所示，定子前后端加上极靴后，电机的平均转矩有所降低，但是总体上并不影响电机的主要性能。

图6 定转子凸极不重合磁密分布

图7 定转子凸极完全重合磁密分布

结构类型平均转矩Tavg/(N·m)转矩波动系数K无极靴1.091 31.366 6有极靴0.980 51.211 8

为了考察极靴形状对电机波动系数的影响，通过实验考察了契形角为45°和90°时情况，如表5所示。可见，极靴前端的契形角越小，脉动系数越小，但是同时也会导致电机的平均转矩减小。考虑到本文中在定子齿两端开槽，为了电机在运行时的机械强度，契形角不宜选得过小。综合考虑电机性能，本文选择契形角形状为直角，电机性能效果为最佳。

表5 SRM定子极靴契型角对转矩波动系数的影响

3 结 语

本文通过对磁场边缘效应理论的分析，归纳出可以通过改变电机本体结构来实现电机内部气隙磁场路径走向的一种方法，这种方法可以有效达到减小径向磁密，改善电机转矩脉动的目的，并通过对750W的12/8三相SRM进行有限元仿真来验证方法的有效性，得出如下结论：

1)在定转子两侧开槽能有效降低电机内部的径向磁力，达到抑制转矩脉动和减少SRM噪声的目的。

2)开槽位置对电机的转矩波动系数和平均转矩均有影响，离齿顶越近，转矩波动系数越小，但考虑到电机转子的机械稳定性，选取离齿顶2 mm处作为电机开槽最优位置。

3)在定子的前端和后端加上极靴，牺牲了一部分平均转矩，但是增大了定子和转子的有效接触面积，有效地抑制了定转子磁极瞬间的转矩突变值，达到减小转矩脉动的效果，并且考察了定子极靴契形角大小对电机整体性能的影响。

4)这种通过改变电机本体结构来改变磁力线路径的方法，在工程上易于实现，对于其他双凸极类型电机的噪声抑制问题，都具有借鉴作用，有较好的应用前景。

[1] 朱曰莹,赵桂范,杨娜.电动汽车用开关磁阻电机驱动系统设计及优化[J].电工技术学报，2014，29(11)： 88-98.

[2] 蔡燕,张东学.开关磁阻电机新型转子齿形对转矩脉动抑制的仿真研究[J].电工技术学报，2015，30(S2)：64-70.

[3] 林委，严欣平，黄嵩，等．8/6极开关磁阻电机分布与电感参数研究[J].微电机，2014，47(8)：7-10．

[4] TAKEMOTO M,CH IBA A,AKAGI H,et al.Radial force and torque of a bearingless switched reluctance motor operating in a region of magnetic saturation[J].IEEE Transactions on Industry Application，2004，40(1):103-112．

[5] 张懿，姜文涛，蔡燕,等．开关磁阻电机转矩脉动抑制方法综述[J]．科技创新与应用，2016(8)：49．

[6] 陈世坤．电机设计[M]．北京：机械工业出版社，2000.

[7] 宋受俊，葛乐飞，刘虎成，等．开关磁阻电机设计及优化方法[J]．电工技术学报，2014，29(5)：197-204．

TheInfluenceofStructureOptimumDesignofSwitchedReluctanceMotor

KONGQing-yi,LIYan-chao,RONGYe,ZHANGHui,JINZong-hui,HANYe

(Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang 050035,China)

Abstract:The torque ripple of switched reluctance motor is an important factor of affecting the motor performance. A three-phase 12/8 switched reluctance motor was used as an example and a motor simulation model by using finite element was established. The purpose of modifying the corresponding motor body structure parameters was to reduce torque ripple.The simulation results show that the method has a good effect on the noise suppression of the switched reluctance motor.

Key words：switched reluctance motor (SRM); optimization of structure; torque ripple; noise suppression

中图分类号：TM352

A

1004-7018(2018)05-0028-03

2017-12-29

国家自然科学基金资助项目(51577048)；河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016203)；河北交通职业技术学院科学技术研究项目(ZR-201701)

作者简介：孔庆奕(1983—),男,博士后，副教授，研究方向为工程电磁场分析、磁性材料模拟与应用。