开关磁阻起动/发电机设计方法研究

宋科璞，陈卫东，刘元度

(飞行自动控制研究所，陕西西安710065)

0 引 言

随着航空航天技术的不断发展，270 V高压直流电源正逐步应用到新一代多/全电飞机中。开关磁阻电机具有结构非常简单、控制简便、功率密度高等优点，通过改变控制参数能方便地实现起动和发电模式转换，在飞机发动机起动前，开关磁阻电动机以起动机模式来起动飞机发动机;直到发动机点火成功之后，发动机带动开关磁阻电动机进入发电模式。目前，开关磁阻起动/发电机(以下简称SR S/G)系统是多/全电飞机电源系统的一个研究热门。

图1 多电发动机结构示意图

SR S/G是电动机与发电机的结合体，该电机的设计同时兼顾了电动性能和发电性能。SR S/G整个工作过程可分为起动状态和发电状态。起动状态历时短，发电状态历时长，在起动时仅要求转矩、转矩波动等参数满足要求，发电状态为长期工作状态，设计要求参数较多且电机性能优劣主要以发电性能为主。所以在电机结构尺寸设计时，本文提出以发电性能为主，兼顾起动性能的设计原则。

由于开关磁阻电机的磁路饱和严重，存在严重的非线性，工作原理和结构不同于传统电机。因此，开关磁阻电机的尺寸设计不能照搬经典电机设计中所运用的方法。本文提出了一种将经典电机设计与有限元电磁场设计相结合的方法。其中经典电机设计方法是在文献［1］提出的开关磁阻电动机设计方法的基础上，按照开关磁阻发电机的设计特点进行相应改进而得出的;有限元电磁场设计采用有限元软件Ansoft Maxwell 2D建模仿真实现。本文提出的SR S/G设计方法同时具备了传统电机设计方法的快速性以及有限元设计方法的精确性，在电机设计领域是一个突破［1－2，5］。

1 主要结构参数预计算

电机在进行能量转换时，能量以电磁能的方式通过定、转子之间的气隙进行传递。开关磁阻发电机发电过程分励磁和续流两个阶段，由于励磁功率并不包含在电磁功率中，电磁功率:

电枢绕组电流有效值:

式中:im为电流峰值;ki为峰值电流系数。

将电枢电流等效为方波电流，方波电流幅值为 Im，如图 2所示。

图2 电枢电流等效方波图

电机电负荷:

式中:N为电枢绕组每相串联匝数;Dr为电机转子外径。

电机磁负荷:

电机每极磁链的最大值:

综合以上，整理得:

另外，图1中方波电流有效值:

1.1 主要尺寸预计算

(1)确定电机相数m，电机定转子极数Ns、Nr。

且系数E随h的增大而减小。

(3)电机细长比:

(4)确定转子外径Dr:预取电磁负荷A*，设则 TN=，Dr=

(5)电机铁心实际长度:

(7)确定气隙宽度g。

(8)根据经验值确定电机定子、转子极弧角度βs、βr。

(10)确定轴径Di。

(11)电枢匝数计算［1］:

1.2 假设参数验证

根据上面预取的电机尺寸，在有限元电磁仿真软件Ansoft Maxwell 2D中建立二维仿真模型，并利用Ansoft Maxwell Circuit Editor搭建驱动电路，选取开关管的开通、关断角。可以得出电枢电流、电感、磁链、转矩等波形。

(1)电负荷A验证

根据仿真得到的电流波形，利用软件后处理功能可计算出电枢电流有效值，则可计算出电机电负荷:

(2)磁负荷Bδ验证

根据磁链波形可以得到最大磁链出现的时刻，及此时刻的最大磁链值Ψm，由此可以计算出电机磁负荷:

(3)电动性能校核

通过对驱动电路开通角、关断角的调节，SR S/G可以在电动机与发电机之间切换。所以改变驱动电路的控制参数，电机即可工作在电动状态，此时可以通过软件仿真出SR S/G的起动转矩、电枢电流等起动性能参数。

由以上分析可知，首先假设电磁负荷预算电机尺寸，然后结合有限元软件进行电磁场仿真，通过软件仿真结果可以计算出电机的电磁负荷以及起动状态的性能参数，通过与假设值的比较分析，若误差在允许范围内则设计通过;若由仿真计算值与假设值差别较大，则重新选取电磁负荷值并重新计算电机结构参数。

综上，SR S/G设计流程如图3所示。

图3 SR S/G设计流程图

2 设计验证

2.1 性能指标要求

额定输出电压270 V;起动输出转矩3.6 N·m(0～12 000 r/min);额定输出功率10 kW(14 000～24 000 r/min);系统效率≥80%(24 000 r/min);过载能力1.5倍，15 kW;电机温升≤180℃。

2.2 电机结构参数预计算

电机采用四相8/6极结构，励磁电压与输出电压均为270 V;导磁材料选取1J22，0.15 mm;冷却方式采用定子外循油冷却方式;预选电磁负荷30 000 A/m，0.45 T。

通过前述公式可以计算得出电机尺寸如表1所示。

转子外径D/mm 87 转子极宽br/mm 17.3定子外径Ds/mm 158 定子轭高hs/mm 10.4气隙g/mm 0.5 转子轭高hr/mm 35定转子极弧角度 βr、βs 21°、23° 每相绕组匝数N/匝12.1铁心长度la/mm 104 轴径Di/mm 28定子极宽bs/mm 16.0

2.3 假设参数验证及性能校核

根据上面预取的电机尺寸，在有限元电磁仿真软件Ansoft Maxwell 2D中建立仿真模型如图4所示，对模型进行网格剖分如图5所示。利用Ansoft Maxwell Circuit Editor搭建驱动电路如图6所示，选取开关管的开通关断角 θon=18°、θoff=42°，可以得出电枢电流、电感、磁链、力矩波形。

图4 电机模型

图5 网格剖分

图6 驱动电路结构图

电机仿真结果如图7～图10所示。

(1)电负荷A验证

图7 电机－磁链电流曲线

图8 A相电枢感应电流波形图

图10 A相磁链波形图

(2)磁负荷Bδ验证

最大磁链出现在θoff时刻，所以:

(3)起动转矩验证

电机起动状态，驱动电路采取电流斩波方式控制起动转矩，起动过程转矩波形如图11所示，由仿真结果可知，起动时可实现3.6 N·m恒转矩起动。

图11 转矩波形图

以上由有限元仿真结果计算出的电磁负荷与假设值均差别不大，且起动状态力矩可达到设计要求。

基于以上SR S/G电磁结构尺寸，利用电磁场、流体场、温度场多场联合有限元仿真方法分析了电机的损耗及温度场分布，在此基础上设计出表贴式循油冷却结构。试制了数台10 kW油冷开关磁阻起动/发电机，实验证明，电机电动及发电性能均满足设计要求且温升控制在允许范围内。

3 结 语

SR S/G是电动机和发电机的结合体，设计方法完全不同于传统电机。因为起动/发电机只有在开始阶段作电动机用，后续稳定工作后完全是发电机，所以本文提出的设计方法采取以发电机设计为主，综合考察起动性能的设计理念。在尺寸计算方面采取传统电机设计与最新有限元设计相结合的方法，这种方法具备了传统设计方法的快捷，简便与有限元设计方法的精确、直观等优点。

［1］ 吴建华.开关磁阻电机设计与应用［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］ 吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术［M］.中国电力出版社，2010.

［3］ Macminn S R，Jones W D.A very high speed switched － reluctance starter－ generator for aircraft engine applications［J］.Aerospace and Electronics Conference，1989，4:1758 －1764.

［4］ Sheth N K，Rajagopal K R.Detailed design of a 30 － kW switched reluctance starter/generator system for a gas turbine engine application［C］//Industry Applications Society Annual Meeting，1993，1:97－105

［5］ 韦银，全力.车用六相12/10极开关磁阻起动/发电机系统起动性能分析与仿真［J］.微电机，2006，39(21):47 －49，54.