有效阻尼开关磁阻电机振动的定子灌体结构*

栾茹，郭金茹，祁新春

(北京建筑大学电信学院，北京100044)



有效阻尼开关磁阻电机振动的定子灌体结构*

栾茹，郭金茹，祁新春

(北京建筑大学电信学院，北京100044)

区别于现有的抑制开关磁阻电机振动的解决方法，利用有效阻尼手段衰减该电机的振动。经过数学建模，得出有效阻尼系数与电机振动位移成反比的结果，在此基础上提出利用非材料阻尼构造较强的有效阻尼系数来明显降低电机的振动噪声。在这些研究结果基础上，提出开关磁阻电机定子的蒸发冷却灌体结构，详细描述该灌体结构的设计制造过程，该灌体结构既抑制了开关磁阻电机振动，又没有影响到该电机的力能指标。

开关磁阻电机； 蒸发冷却；振动；定子结构；阻尼

0　引言

开关磁阻电机(以下简称SRM)作为最新一代节能型无级调速系统，从其投入使用之日起就倍受瞩目，尤其是近期随着新能源汽车使用的普及，学界越来越看好用开关磁阻电机取代永磁电机来驱动电动汽车。但是，在开关磁阻电机的整个发展过程中，一直没有解决好的最主要问题之一：就是振动噪声问题，这已经成为阻碍其发展的关键科学技术瓶颈问题[1]。经过对SRM驱动系统发出振动与噪声的源头及影响参数的试验研究[2]，结果表明定转子之间的径向电磁力是真正的源头，特别是当电磁力变化的频率与定子固有频率一致时，转子是实体结构，基本上不受径向电磁力的影响。而定子是壳体结构，在这种脉动的电磁吸力作用下发生规则性压缩、扩张的振动，该振动通过机壳向外发射噪声，成为SR电机噪声的主要根源[3]～[5]。找到了SRM振动的根源也就找到了解决的方法，既然振动与噪声由径向电磁力及其脉动引起，则应该想方设法用衰减手段来抵消这种振动，若振源被衰减了，则噪声自然会降低。因此，本文提出一种有效阻尼手段，通过数学演绎、工程实践等过程，推导出有效阻尼手段能够大大衰减振动的结论，再进而提出一种应用有效阻尼手段的定子灌体结构，采用这一灌体结构的SRM将明显降低振动。

1　有效阻尼衰减振动位移的机理

在振动学中最基本、最简单的振动问题是单自由度系统，若用x表示质量为m的单元在激振力f(t)的作用下的位移，则根据牛顿定律建立起该单元的运动微分方程式为

(1)

式中，c—该单元起振的阻尼系数；k—该单元的弹簧刚度。激振力f(t)多为周期函数，所以设f(t)=Fejωt；ω—激振频率，由这样的激振力引起的位移响应为

x(t)=Xejωt,代入式(1)中得到

(2)

式(2)说明，有效阻尼系数与振动位移成反比，能够明显衰减振幅与振速(对应振动强度)，显然，增加SRM振动系统的阻尼系数，是解决其振动噪声的最有效手段。而之前学界中已经想到过这种策略，如增加定子铁心的厚度，可带来的负面结果是电机体积增大；还有在定子铁心或机座上涂阻尼材料来增大电机结构的阻尼，但是阻尼效果很有限，收效甚微。本文认为必须是效果明显的阻尼手段才能达到大大衰减振幅与振速的目的，这涉及到非材料阻尼的原理，是指类似油、水等有粘性的液体，在箱体等容器中流动时均具有不同程度的粘性质，对管道、箱体的振动起到较强的阻尼作用，并消耗振动能量，粘性越大、液体的密度越大，则阻尼的作用越大。可见，只有采用类似非材料阻尼的手段，才能明显增加电机定子振动时的有效阻尼系数，对此，已经研制出蒸发冷却异步发电机样机[6]。

2　SRM的定子灌体结构

与蒸发冷却异步发电机类似，在振动现象比异步电机严重的SRM上同样可以实施非材料阻尼的蒸发冷却技术。将SRM定子进行合理密封，用比重与粘性较大的液态蒸发冷却介质灌注到该密封体内，则该液体既是阻尼介质，又是绝缘介质，还是冷却介质。因为SRM的发热体主要是定子，用冷却效果最好的蒸发冷却完全可以替代风扇冷却，消除因风扇带来的空气动力噪声。对于浸泡式蒸发冷却定子结构，将定子绕组的电流密度、铁心内的磁密，按水冷却方式一样，可以取得略高一些，从而降低开关磁阻电机的体积，提高功率密度。可见，SRM的冷却、绝缘、振动衰减都可以一并用该密封灌体结构解决。但是，现有的卧式电机蒸发冷却技术，是用一个套筒紧贴定子铁心内表面，将需要冷却的定子整体(包括所有的铁心与绕组)全部包围起来，进行严格密封，形成一个密封腔体，然后再用蒸发冷却介质加以浸泡。这样一来，定转子之间的气隙必须做得足够大才能够放下这个套筒(一般要求气隙至少达到3mm)，而这种结构原理不适用于开关磁阻电机。这是因为，开关磁阻电机是利用定转子间的主磁通(也可称为磁阻)变化率产生驱动电机旋转的电磁转矩，如果气隙大，会导致主磁通及主磁通的变化率减少而漏磁通却增加，从而削弱驱动转矩，还会带来噪声的增大。为此，本文提出一种专用于SRM的定子灌体结构，该灌体结构的主要特点是，不占用定转子之间的气隙。

先观察一般SRM定子的实物，可以看出，定子绕组紧紧缠绕在定子铁心磁极上并将磁极完全包住，只露出定子铁心磁极的内表面，在定子铁心磁极之间的定子槽口上，定子绕组沿磁极缠绕完后，用槽楔紧紧压装在定子绕组上，以使定子绕组可靠地固定在定子槽内。安装完后，定子槽楔与定子铁心磁极内表面持平，所以整个定子的内表面由定子铁心磁极内表面、定子槽楔组成一个封闭的多面体形状。本文的密封灌体结构充分利用了SRM的这种原有结构，详细设计如图1所示。

图1密封用绝缘板

用图1中所示的密封绝缘板代替槽楔压装定子绕组上。用一种与原来所用的槽楔厚度相同或者相近的绝缘材料，加工成图1中所示的形状，作为密封定子用的绝缘板。该绝缘板由两部分组成，用于压装槽内定子绕组的部分与原来的槽楔完全一样，以防止定子绕组在运行过程产生任何的活动或者松动，其长度L是定子铁心长度的一半，其宽度d就是原来槽楔的宽度；另一部分是用于密封定子铁心与绕组端部，其长度L1是根据SRM端部(指定子铁心端部到电机机壳端盖的距离)的长度而定，比定子绕组伸出定子铁心的那部分要长，其宽度d1等于两相临定子铁心磁极之间的直线距离，即d1=2×定子铁心磁极的内表面沿圆周向的宽度+2×d+适度余量。将这种结构的密封用绝缘板分别从定子铁心槽的两侧用工具压装在槽内的定子绕组上，保证绝缘板与定子铁心磁极紧密接触，不留空隙，完成后每个槽内有两个密封用绝缘板分别占据各一半的空间，定子内表面由定子铁心磁极内表面、压装定子绕组的密封用绝缘板表面组成一个封闭的多面体形状，铁心两端是多出铁心轴向长度的、密封用绝缘板中的L1部分，且这些绝缘板之间有很大的重叠。

将定子铁心两端、多出铁心轴向长度的密封绝缘板沿着各自所在位置的圆周弧度进行适度弯曲、裁剪、造型，形成一个近似圆筒形状，然后将这些密封用绝缘板相互配合打孔，联结成两个分别位于定子铁心两端的圆筒。整个效果的横向剖面如图2所示，这样就将定子与里面分开成两个空间。

图2密封SRM定子的横剖面示意图

将上述的定子整体进行高真空状态下加热、浸漆，即进行电机定子制造过程中的VPI真空压力浸渍处理，并且要反复进行，一直到如图2中所示。定子铁心磁极内表面与密封用绝缘板所构造出的定子腔体的内表面是一个完整、结实、密不透风的多面形实体为止。而位于定子铁心两端的、多出铁心部分的密封用绝缘板，也是完整、结实、密不透风圆筒形。

将上述制造完成的定子安装在SRM内，然后需要与开关磁阻电机的机壳联结才能形成密封腔体，为此，采用如图3所示的结构。制造开关磁阻电机的机壳端盖，安装在开关磁阻电机的两端，与机壳其他部分一起构成开关磁阻电机的外壳，来保护内部结构。该机壳端盖由两部分组成：用于与定子上密封用绝缘板联结的L型圆筒和与机壳联结的端盖，这两部分的材料可以是原来用于制造开关磁阻电机外壳的钢铁材料。具体操作步骤：将定子上两端、多出定子铁心那部分的密封用绝缘板与图3中的L型圆筒可靠、牢固联结，然后再将图3中的用于联结机壳的端盖与电机外壳联结，最后再进行联结处的密封处理，保证所有联结处密封可靠。

图3定子机壳端盖设计图

总之，经过上述步骤，本文设计制造出一个全新的、专用于封装SRM定子的密封腔体结构，总体效果见图4所示的轴向剖面图。这个图是对开关磁阻电机沿着转轴剖开的示意图。在该密封体内充入常温下是液态的蒸发冷却介质，构造出定子灌体结构，同图1所示的样机一样，利用蒸发冷却介质的非材料阻尼，衰减电磁振动，由于该密封灌体结构没有占用气隙空间，气隙还是保持原有的尺寸，不会导致漏磁的增加，不会影响到驱动转矩的正常大小。

图4用蒸发冷却介质浸泡开关磁阻电机定子的轴向剖面示意图

3　结语

本文根据SRM振动的根源，利用振动学中的有效阻尼系数，以及蒸发冷却技术中的气液两相流，在定子侧想办法增加阻尼，进而将原来的SRM定子壳体结构，彻底改造为一种灌体结构，该结构完全不同于以往的蒸发冷却电机定子结构的主要特征是：不占用气隙，既可以完全密封定子来显著衰减SRM的振幅与振速，又可以保持原来SRM电机的电磁关系，以保证力能指标与效率。这种灌体结构的定子将为彻底解决SRM的振动噪声问题提供了合理可行的新方法。

[1]V. P. Vujicic,“Minimization of torque ripples and copper losses in switched reluctance drive”[J], IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no.1, Jan. 2012.

[2]D.E. Cameron, J.H. Lang and S.D. Umans,“The origin and reduction of acoustic noise in doubly salient variable reluctance motor”[J],IEEE Transactions on Industry Applications, vol.28, no.6, pp.1250-1255, 1992.

[3]D.E. Cameron, J.H. Lang and S.D. Umans, “The origin and reduction of acoustic noise in doubly salient variable reluctance motor”[J], IEEE Transactions on Industry Applications, vol.28, no.6, pp.1250-1255, 1992.

[4]赵天环，高国旺，王卫民，等. 基于ANSYS的开关磁阻电机定子振动模态分析[J].电机与控制应用，Vol 40.No.5, 2013,pp:6-9.

[5]吴建华.基于物理模型开关磁阻电机定子模态和固有频率的研究[J].中国电机工程学报,Vol.24 No.8, 2004, pp:109-114.

[6]栾茹. 卧式蒸发冷却电机定子的绝缘与传热[M]. 北京:科学出版社，2009.

A Perfusion Stator Structure to Effectively Damp Vibration of Switched Reluctance Motor

Luan Ru, Guo Jinru, and Qi Xinchun

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)

Distinguishing with the existing methods of mitigating vibration of the switched reluctance motor, this paper presents an effective damping method to weaken vibration of the motor. After a procedure of mathematics modeling, the result that effective damping coefficient is inverse ratio with vibration shift of motors is achieved. Based on it, this paper offers that un-material damping can realize the bigger effective damping coefficient to obviously reduce vibration and noise of the motor. On the basis of these research results, this paper puts forward the evaporative cooling perfusion structure of switched reluctance motor stator, and describes the design and manufacturing procedure of the perfusion structure in detail. The perfusion structure not only mitigate vibration of the switched reluctance motor, but also have no impact on the force-energy index of the motor.

Switched reluctance motor；evaporative cooling；vibration；stator structure；damping

北京市自然科学基金(项目编号：3152006)，北京建筑大学科学研究基金资助(项目编号00331615023)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.01

TM352

A

1008-7281(2016)04-0001-004

栾茹女1967年生；博士，毕业于中国科学院电工研究所，副教授，研究方向为开关磁阻电机优化设计等.

2016-04-18