同步磁阻电动机设计分析

陈 兰，王 真，徐 谦，戴 亮，张东宁

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

近年来，永磁同步电动机因其优良的特性在工业控制领域得到了广泛的应用，但随着稀土价格的持续上涨。永磁同步电动机的成本也迅速上涨。为了控制成本，在中低端工业应用领域中低成本的同步电动机的需求也在不断上升。

本文介绍了一种新型同步磁阻电动机(Syn-RM)，不使用永磁体，主要由铜和铁构成，具有耐高温的特点;数学模型明确，主要是依靠交直轴电感之差产生磁阻转矩;控制原理简单，控制电路易于搭建;结构简单及体积小、重量轻等显著特点，既综合了开关磁阻电动机的优点，且避免了永磁电动机在高温环境应用的缺点。

此外，该类型电机在一些应用环境温度较高的场合也有较广泛的市场，如用作机车、飞机、船艇、矿井开采、核工业以及军事方面的动力电机。

1 基本结构和特点

1.1 新型同步磁阻电动机基本结构

该同步磁阻电动机的转子采用栅格式结构，定子设计与三相感应电动机的定子相同。转子上没有永磁体，是导磁材料硅钢片，利用传统的冲制和叠压工艺制作而成。图1为栅格式转子结构同步磁阻电动机截面图，定子采用36槽，转子为4极。

栅格叠片式转子结构如图2所示，它是在电工钢板上冲压出若干磁阻栅格后叠压而成，可以利用传统的冲制、叠压工艺制作转子，是这种转子结构的优点。

图1 同步磁阻电动机结构简图

图2 栅格叠片式转子

1.2 工作特点

该同步磁阻电动机的工作原理与感应电动机基本相同，只是转子结构比较特殊，其转子是在电工钢板上冲压出若干磁阻栅格后叠压而成，没有永磁体。电动机性能的好坏主要取决于d－q电感的差值，差值越大，输出转矩越大。

相对于感应电动机而言，同步磁阻电动机没有转子铜耗，效率明显提高。损耗分析结果表明，同一定子情况下，同步磁阻电动机定子铜耗占了很大一部分，若扩大定子槽面积，提高定子线径，电机铜损耗就会下降。因此，同步磁阻电动机与感应电动机相比，具有效率高、功率密度大等优点。

2 设计分析

针对该电机的结构特点，我们对其进行深入分析，具体研究如下:

2.1 同步磁阻电动机转子栅格形状设计及仿真技术

首先，利用电机电磁场仿真计算软件Ansoft建立不同的电机参数模型，找出拟设计的4极36槽同步磁阻电动机的关键结构参数设计规律，即栅格层数与输出转矩、电机效率的关系;栅格(空气)宽度和硅钢片的宽度比值与输出转矩、电机效率的关系。再按照技术指标的要求，进行电磁计算，计算出所要求的电机参数，并利用电机电磁场仿真计算软件进行电磁校核。并针对不同栅格宽度与不同磁桥形状进行对比分析。

图3及图4为磁桥厚度为0.5 mm、气隙宽度与硅钢片筋条宽度比为0.3、电流为0.9A时的磁路仿真及输出转矩图。

图3 磁路分布图

图4 额定转矩放大图

图5及图6为磁桥厚度为0.5mm、气隙宽度与硅钢片筋条宽度比为0.5、电流为0.9A时的磁路仿真及输出转矩图。

图5 磁路分布图

图6 额定转矩放大图

同时我们调整磁桥厚度为0.2 mm，重新对电机进行仿真，图7及图8为磁桥厚度为0.2 mm、气隙宽度与硅钢片筋条宽度比为0.5、电流为0.9 A时的磁路仿真及输出转矩图。

图7 磁路分布图

图8 额定转矩放大图

从上述采用不同磁桥结构的仿真结果进行对比可以看出，电机转子栅格及磁桥设计对电机输出转矩及转矩波动有较大影响，我们可以通过不断调整优化栅格形状来调高电机输出特性。

2.2 同步磁阻电动机电流矢量控制技术

同步磁阻电动机的数学模型和特性方程较明确，其稳态运行时的矢量图如图9所示。

由同步磁阻电动机的矢量图可以得到下式:

图9 同步磁阻电动机稳态运行时的矢量图

式中:Iam、Vam分别为电枢电流和电枢端电压的上限值。

由正弦波变频器驱动的同步磁阻电动机，Iam由电动机的额定电流或变频器的最大输出电流决定，而Vam要取决于变频器的直流环节电压。设定电枢反应的感应电压V0(相当于忽略Ra时的电枢端电压)的限定值，则有:

式中:V0m为忽略Ra时的电枢端电压最大值。

因此，满足上述约束条件的电枢矢量Ia(id，iq)的范围，可以用图10的电流限制圆和电压限制椭圆来表示。电流限制圆和电压限制椭圆可以分别表示:

电枢电流限制值由电流限制圆确定，电枢端电压的限制值由电压限制椭圆确定，电枢电流矢量的取值范围则由电流限制圆和电压限制椭圆共同决定，即被限制在电流限制圆与电压限制椭圆的内侧，如图10的阴影部分所示。

图10 考虑了电流与电压限制的电流矢量限制范围

电压限制椭圆与电动机的转速有关，即随着电动机转速的升高，电压限制椭圆将逐渐变小，使电枢电流的取值范围逐渐变得狭窄。图11示出以电流平面上的上述特点为依据，在考虑了电流、电压限制的情况下，能够获得最大输出功率时电动机的三种控制模式的最佳电流矢量的选择方法。

图11 电流矢量的选择

按上述控制方式选择电流矢量时，可以大幅度扩大电动机的运行范围。本项目硬件控制平台应该采用模块化的设计思想，主要由控制器单元和功率驱动单元构成。

3 测试结果

根据仿真结果进行了该同步磁阻电动机及驱动器的研制，并进行了测试。电动机额定功率200 W、额定转速1 500 r/min、输入电压220 V(DC)。电机采用4极36槽结构，磁桥厚度为0.2 mm，气隙宽度与硅钢片筋条宽度比为0.5，采用6层栅格结构。

同时，将相同功率的异步电动机与该同步磁阻电动机进行性能对比，两者采用同一定子，在相同输入电流时的性能对比情况如表1所示。

表1 异步电动机与同步磁阻电动机性能对比

从上表对比情况可以看出，通过优化设计的同步磁阻电动机与相同功率等级的异步电动机相比，其输出转矩及效率都明显提高。

4 结 语

本文采用新型同步磁阻电动机的设计形式，通过有限元仿真优化电机转子结构设计，驱动器采用电流矢量控制方式进行控制。

相对于感应电动机而言的，同步磁阻电动机没有转子铜耗，效率明显提高，同步磁阻电动机与感应电动机相比，具有效率高、功率密度大等优点;相对于永磁同步电动机，同步磁阻电动机在材料上不使用永磁体，主要由铜和铁构成，具有耐高温的特点，而且其数学模型明确，控制原理简单，控制电路易于搭建，同时其具有结构简单及体积小、重量轻等显著特点。随着导磁材料及半导体元件的不断发展，同步磁阻电动机的特性也会不断提高，因此在各种工业控制领域领域都具有较好的市场前景。

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