轴向磁通开关磁阻电机参数设计方法*

梅 磊， 范震乾， 张广明， 王德明

(南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 211816)

0 引 言

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)是自20世纪80年代发展起来的一种新型电机，与其他类型电机相比，具有以下显著特点[1]： (1) 结构简单、成本低，适用于高速；(2) 功 率电路简单可靠；(3) 各相独立工作，可构成极高可靠性系统；(4) 高起动转矩，低起动电流；(5) 可控参数多，调速性能好；(6) 效率高，损耗小。这些特点使其在电动汽车[2]、航空航天[3]、家用电器[4]、机械传动[5]及精密伺服系统[6]等领域得到越来越广泛的应用。

SRM的缺点主要体现在转矩脉动及输出转矩不高，与永磁电机相比，在输出转矩相同的情况下，SRM的重量要大很多[7]。为了抑制转矩脉动，提高SRM的转矩密度，较多研究针对径向磁通结构的SRM。从其拓扑结构入手，文献[8]研究了一种8/14结构的SRM，其转矩密度远大于普通8/6结构的SRM。文献[9]提出了分块转子SRM，研究结果显示在铜耗相同时，其输出转矩比普通SRM大41%。在SRM参数设计方面，文献[10]研究了一种改变定子极面和附加转子极靴的设计方案，提出了一种基于克里金插值技术与遗传算法相结合的优化算法以减小三相6/4极SRM的转矩脉动。文献[11]将改进遗传算法应用到SRM的结构优化设计中，建立了以电磁径向力最低为目标的优化设计模型。文献[12]研究了整距绕组分块转子SRM的电磁设计方法，推导出了整距绕组分块转子SRM的主要尺寸计算式及绕组参数设计算式。

针对轴向磁通结构的研究相对较少。文献[13]提出了轴向磁通SRM转子齿前沿和定子齿前沿重叠位置处磁化曲线斜率电感值的解析计算方法，获得了较满意的精确度，为轴向磁通SRM的优化设计提供了基础。文献[14]提出了一种新型轴向磁通SRM，推导了其转矩方程，并进行了三维有限元分析和样机试验研究。文献[15]研究了用于电动汽车的轴向磁通分块转子SRM，采用12/8极、单定子、双转子结构，额定功率1750W，额定转速600r/min，功率密度1.82(N·m)/kg。文献[16]研究了具有较高转矩密度的双定子、单转子、6/4结构的轴向磁通SRM，研究结果显示，其转矩大约是普通SRM的两倍，且噪音降低了10%。

本文对提高轴向磁通SRM转矩的参数设计方法进行了研究，主要包括定子齿形、转子齿轴向长度及磁轭厚度等设计，建立了三维有限元模型，并对电机的电感特性和转矩特性进行了研究。

1 电机参数设计

开关磁阻的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，转子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。在忽略边缘效应、磁路非线性及相间互感的情况下，SRM的电磁转矩为

(1)

式中：i——定子绕组电流；

dL/dθ——线圈自感随转子位置角的变化率。

由式(1)可知，增大最大电感与最小电感之间的差距有助于提高电机的输出转矩。

1.1 定子齿形设计

本文通过有限元仿真对扇形和圆形两种定子齿形的电感特性和平均转矩进行了对比。两种定子齿形如图1所示。两种定子齿形在55A时的机电特性比较如表1所示。

图1 两种定子齿形

扇形齿圆形齿最大电感/mH0.40.5最小电感/mH0.20.2电感差值/mH0.20.3平均转矩/(N·m)2.53.0

仿真结果显示，在气隙面积相同的情况下，扇形齿的最小电感值等于圆形齿的，而圆形齿的最大电感值大于扇形齿的，且圆形齿的最大与最小电感之间的电感差值及平均转矩都大于扇形齿的，故为增加SRM的输出转矩，将定子齿的形状设计为圆形。

1.2 转子齿轴向长度设计

当转子齿与定子齿对齐时，转子齿的轴向长度不影响最大电感值，因为主磁路的磁阻主要是空气间隙的磁阻，转子齿的磁阻小到可忽略不计。

当转子齿与定子齿不对齐时，磁路的磁阻主要是定子齿和转子磁轭之间气隙的磁阻，转子齿轴向长度越长，则磁阻越大，最小电感值越小，增加转子齿的轴向长度可减小最小电感值。最小电感值并不随着转子齿轴向长度的增加成比例的下降，而是收敛到一个恒定值。平均转矩与电感差值成正比关系，故平均转矩随着转子齿轴向长度的增大而增大并趋于一个恒定值。平均转矩和转子齿轴向长度关系曲线如图2所示。

图2 转矩和转子齿轴向长度关系曲线

1.3 磁轭厚度设计

定、转子磁轭的厚度需要保证磁路不饱和。由于磁通是从定子齿流向磁轭，所以磁轭的厚度应与定子齿截面积相对应。对于集中式绕组的SRM，磁轭内部的磁路可分为两个并联的路径，则所需的最小磁轭截面积应为定子齿截面积的一半。

通过上述分析，针对额定电压220V，最大电流55A，最大功率12kW，最高转速5000r/min的轴向磁通SRM进行了设计，其主要结构参数值如表2所示。

表2 SRM主要结构参数值

2 基于Ansys的电磁场仿真

在轴向磁通SRM中，磁场呈三维分布，故需要建立三维模型分析其电磁特性。在有限元分析软件Ansys中建立了轴向磁通SRM三维模型，如图3所示。

图3 轴向磁通SRM三维模型

仿真时施加的激励条件如表3所示。假定逆变器输出为方波，如果采用单相励磁，则电流有效值为峰值电流值的1/3，故可取较高的电流密度，每相绕组的电流密度取8A/mm2，则相对应的三相瞬时电流密度为24A/mm2。可知，SRM可采用比三相正弦电机高的瞬时电流密度。

表3 仿真施加的激励条件

三相绕组中的电流波形如图4所示。

图4 三相绕组中的电流波形

输出转矩的波形如图5所示。

图5 输出转矩波形

电流为55A时的电感波形如图6所示。

图6 电流为55A时的电感波形

电磁场仿真结果如表4所示。由表可知，当直流母线电压为220V时，平均转矩为3N·m，通过空载时的电感值计算出最高转速为5000r/min。

表4 电磁场仿真结果

3 结 语

针对轴向磁通SRM，本文从提高其输出转矩的目的出发，研究了定、转子齿形对SRM电感特性与转矩特性的影响，分析了分别采用扇形齿与圆形齿时电机的电感差与平均转矩，得出了在气隙面积相同的情况下，圆形齿输出转矩高于扇形齿的结论。研究了转子轴向长度对电机最大电感和最小电感的影响，分析了转子轴向长度与平均转矩之间的关系，分析发现在一定范围内，平均转矩随转子齿轴向长度的增加而增加，但最终会收敛到一个恒定值。研究了磁轭厚度的确定原则，其截面积大约应为气隙面积的一半。在有限元仿真软件Ansys中建立的三维模型对电机的电感特性和转矩特性进行了仿真研究。

【参考文献】

[1] LAWRENSON P J, STEPHENSON J M, BLENKI-NSOP P T, et al. Variable-speed switched reluctance motors[C]∥IEE Proceedings B Electric Power Applications, 1980,127(4)： 253-265.

[2] 郭晓颖,苏建中,马志国,等.电动汽车高效率开关磁阻电机系统设计[J].电机与控制应用,2012,39(4)： 14-16.

[3] 周强,严加根,刘闯,等.航空开关磁阻发电机双通道容错性能研究[J].航空学报,2007,28(5)： 1146-1152.

[4] 吴建华.开关磁阻电机的特性及在家电业的应用[J].家用电器科技,2000(1)： 42- 44.

[5] 赵婷婷,王浩.压力机与开关磁阻电机刚性传动的连接分析[J].锻压技术,2009,34(4)： 83-85.

[6] 俞普德,陈昊,邱亮.开关磁阻电动机二维伺服系统的研究与实现[J].电机与控制应用,2010,37(4)： 17-20.

[7] 周强,刘闯,朱学忠,等.超高速开关磁阻电动机设计[J].中国电机工程学报,2009,29(9)： 87-92.

[8] SMAKA S, MASIC S, COSOVIC M. Switched reluctance machines for hybrid electric vehicles[C]∥International Conference on Electrical Machines, 2010： 1-6.

[9] MECROW B C, EI-KHARASHI E A, FINCH J W, et al. Preliminary performance evaluation of switched reluctance motors with segmental rotors[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004,19(4)： 679-686.

[10] 张艳丽,夏斌,谢德馨,等.基于克里金插值技术的开关磁阻电机极面优化设计[J].电机与控制学报,2013,17(3)： 56-61.

[11] 吕品,张京军,张海军.基于改进遗传算法的开关磁阻电机优化设计[J].河北工程大学学报(自然科学版),2013,30(1)： 91-94.

[12] 陈小元,邓智泉,许培林,等.整距绕组分块转子开关磁阻电机的电磁设计[J].中国电机工程学报,2011,31(36)： 109-115.

[13] 徐衍亮,贾耀荣,张云.盘式开关磁阻电机临界重叠位置磁化曲线计算[J].电机与控制学报,2012,16(8)： 47-54.

[14] 梅营,潘再平.新型轴向磁场盘式开关磁阻电机的研究[J].微电机,2011,44(1)： 4-6.

[15] MADHAVAN R, FERNANDES B G. A novel axial flux segmented SRM for electric vehicle application[C]∥International Conference on Electrical Machi-nes, 2010： 1-6.

[16] DALDABAR F, USTKOYUNCU N. New disc type switched reluctance motor for high torque density[J]. Energy Conversion and Management, 2007,48(8)： 2424-2431.