基于有限元法的开关磁阻电机结构优化*

王勉华，　张　朴

(西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安　710054)

基于有限元法的开关磁阻电机结构优化*

王勉华，张朴

(西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安710054)

以四相8/6开关磁阻电机(SRM)为例，使用Ansoft有限元分析软件构建电机模型，并从减小电机转矩脉动角度去修改电机结构参数，构建了新模型。经过对新旧两种电机模型的仿真分析，从转矩脉动与电机性能两方面比较分析新结构开关磁阻电机的优缺点，为后续的优化研究奠定基础。

开关磁阻电机； 有限元分析； 转矩脉动

0　引　言

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)以其结构坚固、制造成本低、可靠性高、控制性能和起动性能优良等优点，已经在很多领域得到了应用。但由于SRM结构的特殊性及开关形式供电电源，导致其固有的转矩脉动特点。因此，最大限度地减小转矩脉动是SRM研究的一个重要内容。控制策略对转矩脉动有重要影响，电机的结构参数同样也对转矩脉动具有一定的影响[1]。本文将讨论验证改变电机结构参数对电机转矩脉动和电机性能的影响。

由于SRM结构的特殊性，其参数很难精确确定。有限元法是一种离散化的数值计算方法，可以对电机的性能进行精确地仿真分析。本文采用Ansoft Maxwell 2D软件对SRM进行电磁场仿真，分析不同结构参数对电机性能的影响。

1　SRM有限元模型

SRM的双凸极特殊结构决定了其优化方法。从优化电机结构参数方面考虑，可以从优化定子结构和尺寸、优化转子结构和尺寸、优化极弧这几方面来优化电机。本文以电机的定、转子结构为优化对象，探讨新结构对电机转矩脉动和电机性能的影响。转子结构方面，新结构将通过在转子磁极极身上填充不同材质的材料来改变电机的磁场分布，从而改变转矩脉动。本文中在转子极身添加了小孔，由于空气的磁导率与硅钢片不同，所以新结构的磁场分布得以改变[2]；定子结构方面，通过在定子磁极上添加锲形角，使电机的定、转子在重合前有一块缓冲区域且接触时更为圆滑，减小了接触时的转矩突变，从而减小转矩脉动[3]。

选取一四相8/6极SRM作为研究对象，电机参数如表1所示。

表1　四相8/6极SRM参数

应用Maxwell 2D模块构建电机模型。其中图1为标准的SRM结构，图2为SRM改良结构。

图1　SRM原始结构

图2　SRM改良结构

2　SRM有限元分析

样机的几何尺寸如表2所示。定子磁极锲形角不宜过大，过大会降低输出转矩。转子极身小孔不能脱离转子轭，否则会使径向磁力、转矩、电感急剧下降并且出现畸变，小孔直径也不宜过大，过大同样会使转矩畸变。经过仿真对比分析，改良结构的定子磁极锲形角选取60°，与定子极弧相接部分为同弧度的圆弧形；转子极身的小孔圆心距电机中心19.5mm，小孔直径2.2mm。对上述两种结构进行有限元分析得到相应的特性曲线如图3所示。其中实线部分为电机原始结构模型，虚线部分为电机改良模型。通过对仿真结构的对比分析探讨新结构的优缺点。

表2　样机几何参数

图3　瞬态转矩

2.1瞬态分析

有限元仿真后的瞬态转矩如图3所示。转矩波动系数定义为

(1)

式中：Tmax——系统稳定运行时的最大转矩；

Tmin——系统稳定运行时的最小转矩。

经过计算得电机改良结构前后的转矩波动系数分别为0.511、0.486。由计算结果可看出，电机改良结构较为明显地减小了转矩脉动。

2.2静磁场分析

对电机进行静磁场分析时，选择电流源分析，采用单相绕组励磁，绕组电流以7A为例，可得到电机的磁力线分布。图4为电机改良结构前后的定子磁极与转子磁极间对齐位置(最小电感处)的磁力线分布图。

图4　SRM最小电感位置磁力线分布

由图4可知，改良后的定子磁极和转子极身的磁力线分布与改良前的磁力线分布有了明显的变化。

定义最小电感位置为电机的初始位置0°，到最大电感位置30°止。仿真可得到电机的转矩特性曲线和电机的电感曲线，如图5、图6所示，实线部分为改良前的电机特性，虚线部分为改良后的电机特性。

图5　转矩特性

图6　电感特性

从图5可以看出： 通过对定、转子磁极的改进措施，电机磁极处于未对齐位置时获得了较高的转矩值，有效地减小了定、转子磁极进入重合位置时的转矩突变值。但电机的平均转矩有所降低。

参数化励磁绕组通入的励磁电流，变化范围为0～10A，可得到如图7所示磁链特性。

图7　电机的磁链-电流曲线

磁链-电流曲线反映出相绕组磁链ψ是转子位置θ和相电流i的非线性函数。工作周期内的磁共能变化量为

(2)

而本文中为单相绕组励磁，故：

(3)

又因为磁共能变化量等于机械能变化量，所以磁链-电流曲线覆盖的面积为电能转换的机械能量。由图7所示的磁链-电流曲线可以看出，电流较低时电机改良结构的能量转换率略高于原始结构；但当绕组电流持续升高后，改良结构的能量转换率则明显低于原始电机结构的能量转换率。

3　结　语

本文在Ansoft Maxwell 2D环境下建立了SRM的仿真模型,同时以降低转矩脉动为目的修改电机定、转子结构，构建了新的电机模型。对两种电机同时进行有限元仿真分析，得到电机的静态特性曲线和瞬态运行下的转矩波形，研究了新结构在减小转矩脉动的同时对电机性能有何影响。

仿真结果表明新结构可以明显降低转矩脉动，但电机的平均转矩和能量转换率却有所降低，所以需要综合考虑这两方面的影响。如何在保证电机性能和降低电机转矩脉动两者之间进行优化，将成为后续的研究重点。本次的仿真试验也对SRM的进一步优化和电机性能的研究提供了理论依据。

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

[2]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.

[3]赵博.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].北京： 中国水利水电出版社,2009.

Optimization Design of Switched Reluctance Motor Based on Ansoft

WANGMianhua,ZHANGPu

(School of Control Engineering and Automation, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

A four-phase 8/6 switched reluctance motor was analyzed as the prototype machine. Changing the structural parameters of motor to reducing torque ripple, the motor was established by the finite-element analysis software from Ansoft corporation. After the simulation, A comparison of the two motors’ torque ripple and performance could help us to find the advantages and disadvantages of the new structure. This could be the foundation for the following research.

switched reluctance motor; finite-element analysis; torque ripple

2014-10-20

陕西省教育厅专项科研项目(2013JK1002)

TM 302

A

1673-6540(2015)04-0027-03