开关磁阻电机定子凸极对振动特性的影响研究

马彬彬,吴志学

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏扬州225009；2.泰州职业技术学院机电技术学院，江苏泰州225300）

开关磁阻电机定子凸极对振动特性的影响研究

马彬彬1，2,吴志学1

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏扬州225009；2.泰州职业技术学院机电技术学院，江苏泰州225300）

振动、噪声是开关型磁阻电动机调速系统较突出的问题和研究难点，为了深入了解SR电机定子凸极对其振动特性的影响，以有限元分析软件ANSYS为工具，建立研究SR电机定子凸极振动特性的2D、3D有限元分析模型，研究SR电机定子凸极对其固有频率和振动模态的影响。

开关磁阻电机；定子凸极；振动；固有频率

开关磁阻电机(Switehed Reluetanee Motor，简称SRM)是20世纪80年代才正式进入应用领域的一种交流调速电动机新品种。其调速系统（Switched Reluctance Drives，简称SRD） 是20世纪80年代发展起来的一种新型交流调速系统。

1 SR电机的基本结构﹑原理与特点

SR电机是双凸极可变磁阻电机，其定﹑转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极，成为“一相”。SR电机可以设计成多种不同相数结构，且定﹑转子的极数有多种不同的搭配，图1所示为三相(6/4极)SR电机结构原理图[1]。SR电机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图1中，当定子A-A’极受到励磁时，转子受到磁力，就会顺时针方向旋转，并使A相励磁绕组的电感变为最大，如果以图中的相对位置为起始位置，依次给A,B,C相绕组通电，转子就会顺时针方向连续旋转。反之，如果依次给B,A,C相绕组通电，转子就会按逆时针方向连续旋转。可见，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图1中可以看出，当主开关器件S1、S2导通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通，并回馈给电源U。因此，SR电机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高[2，3]。

图1 三相6/4极SRM基本结构示意图

2 SR电机定子凸极有限元分析模型分析

本文所研究的SR电机样机为定子铁心外径为130mm的8/6极SRM，其机壳轭厚为7mm；机壳长度为140mm；冷却筋尺寸（梯形）：2.5×4×15mm，定子磁极数8，转子磁极数6。电机材料如表1所示。

表1 SRM的材料参数

图2中模型2D-0为不考虑定子凸极影响所建的模型；模型2D-1、2D-2、2D-3分别为在定子铁心分布1个、4个、8个凸极的二维有限元分析模型。模型选用的单元类型为PLANE82，使用ANSYS提供的智能网格划分，分析类型选用分块的兰索斯（Block Lanczos） 法，求解的模态数选择为30[4]，扩展的模态数选择为30，因此，可以求解得到比较高的模态阶数。本次分析没有添加任何约束和载荷。由二维模型进行有限元分析后得出分析结果见表2。

图2 2D有限单元模型

表2 2D有限元分析结果

对比表2，可以得出如下结论：凸极结构对定子振动特性的影响较大。2D-0、2D-2、2D-3虽然都是圆对称结构，但对于无限圆2D-0对称结构，每阶振型都只有一个模态，而对于有限元对称结构2D-3，2阶和3阶振型中都只出现一个固有频率，4阶、5阶振型中都会出现多个模态。定子凸极的存在使得其在圆周出现不对称结构，导致其在某阶振型中对称模态和不对称模态显著不同。这种同阶振型中对称模态和不对称模态的差异性与定子凸极的数目有关，因为定子凸极数目影响着定子圆周的不对称性，模型2D-1在圆周上只分布一个凸极，其不对称性在图3的所有模型中最强，而模型2D-3在圆周上分布8个凸极，其不对称性在图3的所有模型中最弱。在增加凸极的情况下，电机固有频率下降，比较2D-1、2D-2、2D-3的频率，发现在都有凸极存在的前提下，凸极个数的适当增减对同阶次固有频率大小影响不是很大。

为了分析定子凸极2D模型和3D模型有限元分析结果对电机振动特性的影响是否有差异，建立3D有限元模型（如图3），三维模型选用的单元类型为SOLID92，分析类型仍选用分块的兰索斯（Block Lanczos）法，考虑到三维模态的复杂性，求解的模态数选择为50，扩展的模态数选择为50。其中3D-1、3D-2、3D-3分别为在定子铁心分布1个、4个、8个凸极的三维有限元分析模型。

图3 3D有限单元模型

经过3D有限元分析，可以得出结论，3D凸极结构对定子振动特性的影响也较大。尽管3D凸极结构对定子振动特性的影响不像2D凸极结构对定子振动特性的影响那样有明显的规律，但是其特性基本相似，例如在圆周上只有一个凸极时，其不对称性是所有模型中最强的。比较2D、3D有限元模型凸极结构对定子振动特性的影响，列出其二阶固有频率对比（如表3），不难发现相同凸极结构时，3D二阶振型的固有频率比2D二阶振型的固有频率大，但是比较固有频率数值，相差并不是很大。因此，对于开关磁阻电机定子振动特性进行有限元分析时，用2D代替3D进行简化是合理可行的，可以只建立2D模型。

表3 2D、3D凸极结构对定子振动特性影响的二阶固有频率对比

[1]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].北京:机械工业出版社,1995.

[2]王宏华,陈永校,许大中,等.开关磁阻调速电机定子振动抑制[J].电工技术学报,1998,(3):9-12.

[3]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉:华中理工大学出版社,1992.

[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2001.

（责任编辑 李冠楠）

Electro-motor Stator's Structure on the SRM Vibration Characteristics

MA Bin-bin1,2，WU Zhi-xue1
(1.College of Mechanical Engineering Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225009,China;2.Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China)

Vibration and noise is the prominent question and research difficulties in SRD，in order to deeply understand the the affect of the stator saliency on the SRM vibration characteristics，this paper constructs 2D,3Dmodels of SRM and analyzes the vibration model with the finite element analysis software ANSYS,and studies the affect of the stator's structure on the SRM vibration characteristics.

switch reluctance motor；stator saliency；vibration；inherent frequency

TM352

A

1671-0142（2011）01-0032-02

马彬彬（1979-），女，江苏泰州人，讲师.