新型8/9结构开关磁阻电机的设计研究

张宏涛，李文静，邱爱娇



新型8/9结构开关磁阻电机的设计研究

张宏涛1，李文静2，邱爱娇1

（1.华晨汽车集团控股有限公司，辽宁 沈阳 121400；2.沈阳日丰成控电气制造有限公司，辽宁 沈阳 121400）

新型8/9结构开关磁阻电机，与传统开关磁阻电机不同，这种结构的开关磁阻电机转子是由一系列离散的分块结构所组成。定子是4相8极定子结构，4个励磁极和4个辅助极。而转子是9极结构，9个独立的转子极和1个非导磁体。所述的定子上交替的设置有励磁极和辅助极，励磁极的宽度是辅助极轭宽的2倍，辅助极为T型结构，T型结构的齿宽和轭宽相等。这种结构提高了电机的电磁利用率，降低了铁心损耗并提高了电机的效率。为了验证这种电机结构的正确性，通过与现有的传统12/8结构开关磁阻电机进行对比，使用有限元分析(FEM)对两种电机进行稳态和瞬态特性的仿真。结果表明，新型电机具有输出转矩大和效率高等优点。

8/9结构；短磁路径；有限元分析；高效

前言

开关磁阻电机是一种双凸极、单励磁结构的电机，励磁绕组只缠绕在电机的定子上，没有励磁绕组或者永磁体缠绕或者镶嵌在电机的转子上。由于开关磁阻电机的这种结构特点，使开关磁阻电机具有很多的优点，如结构简单坚固、加工方便、制造成本低廉、控制简单灵活、容错性较强和可靠性高等。而且还特别适用于高温、高速的条件下运行[1]-[6]。在新型电动机车以及新能源系统等需要可靠性和容错性都很高的电气传动领域具有广泛的发展与应用前景。

但开关磁阻电机也有许多缺点和不足之处，例如双凸极结构在高速运行的条件下，其风磨损耗大，铁心损耗大，而且开关磁阻电机的转矩脉动大，噪声大等。通过改进电机的几何结构和应用合适的控制方法可以有效的降低电机的转矩脉动，这种合适的控制方法在本文中没有讨论。

本文主要介绍新型8/9开关磁阻电机的结构设计与控制。定子上交替的设置有励磁极和辅助极，励磁极的宽度是辅助极轭宽的2倍，辅助极为T型结构，T型结构的齿宽和轭宽相等。通过电机的结构设计使得开关磁阻电机的输出转矩更大，效率更高。并对新型8/9结构开关磁阻电机进行稳态和瞬态的仿真，保证电机结构的正确性。

1 样机的结构分析

该T型四相开关磁阻电机，定子是4相8极的定子结构，而转子是9极内转子结构，励磁绕组分别缠绕在4个独立的励磁极上，其显著特点是其电机结构不同于传统开关磁阻电机，发明样机的一个定子极相对的励磁极不是同一相励磁极，而是分别独立地构成一相励磁极，形成A、B、C、D 4相励磁极样。端部绕组较少，可忽略不计。转子包括9个独立的转子极和非导磁体，转子极固定在非导磁体上表面，且各独立的转子极和与它相邻的励磁极、辅助极形成独立的磁通回路，使转子在任何位置下，电机的磁通路径都是最短的。该定子为内定子，考虑磁通路径及其饱和程度，其辅助极是T型结构，励磁极的宽度是辅助极轭宽的2倍，T型结构的齿宽和轭宽相等。机的结构示意图如图1所示。此结构使电机的磁通能通过T型定子的辅助极与转子极形成闭合回路，磁通路径更短，磁阻更小。相比于长磁通路径，短磁通路径的电机更易于降低磁动势。电机的转子不是凸极结构，而是圆形结构，散热好，有利于降低风摩损耗。由于采用短磁通路径，在定子和转子中，磁通无逆转，在电机转动换相过程中，具有不会产生负转矩的优点。电机采用集中绕组，电机匝数减少，同一输入条件下，电机铜耗小、铁心损耗小、输出转矩大，所以电机的输出效率高。

图1 样机的结构示意图

图2a介绍了当转子在对齐位置下，A相励磁时样机的磁力线分布图。图2b、图2c和图2c分别介绍了当转子在对齐位置下，B相、C相和D相励磁时样机的磁力线分布图。如图2所示，磁通从励磁极开始，流入分块转子中，然后再从分块转子流进与励磁极相邻的辅助极中，最后又返回到励磁极，形成一个闭合的磁通回路。每个定子齿槽中的导体只产生自身的磁动势，槽与槽之间的绕组产生的互感很小，可以忽略不计。在这种电机结构下，电机的磁通路径很短，并且在定子轭中没有发生磁通逆转的现象，降低了电机的铁心损耗。

图2 样机的磁通路径

2 样机与传统电机的设计对比

为了验证样机结构的正确性，本文设计出样机的拓扑图来对比传统12/8开关磁阻电机，这两种电机都应用于汽车冷却风扇装置（500W，12V和2800r/min）。为了确保对比的公正性，以下几点要保持一致。

表1 传统12/8 SRM和样机的设计参数

（1）因为都是应用于同一装置，所以电机的外径和轴径要一致，电机的铁心长要相等，电机的体积要相同。

（2）绕组的线规要一样，使用相同的导电绕组。

（3）满足实际材料的使用要求，磁通密度要低于1.8T。

（4）样机的槽满率要等于或小于传统12/8开关磁阻电机的槽满率。

设计准则在合理的条件下，样机与传统12/8开关磁阻电机的详细设计参数如表1所示。

3 样机与传统电机的仿真分析

3.1 稳态特性

3.1.1磁感应强度

开关磁阻电机通常设计在感应强度饱和区域。当传统12/8开关磁阻电机和样机运行在磁场饱和区域（峰值电流为110安培）时，其磁感应强度如图6和图7所示。从图中可以看出，两种结构的电机磁感应强度均小于1.8T，满足设计要求。

图3 传统12/8电机的磁感应强度

图4 样机的磁感应强度

3.1.2转矩特性

图5展示了样机与传统12/8开关磁阻电机的转矩对比图，两种电机的尺寸和输入参数相同。如图9所示，传统12/8开关磁阻电机的平均输出转矩是1.778N•m，而样机的平均输出转矩是2.011N•m，输出转矩提高了13.1%左右。

图5 转矩对比图

3.2 瞬态特性

为了验证样机结构的正确性，对两种电机进行瞬态特性分析，通过瞬态对比，进一步介绍了样机的优点。

3.2.1不对称转换器

图6 不对称转换器

由于开关磁阻电机具有能独立控制每一相开通关断的能力，所以四种开关模式，不对称转换器被采用。图6展示了这种不对称转换器的拓扑图。

3.2.2铜耗

电机的铜耗与相电流平均值的平方和相电阻成正比。因此，根据电流波形，电机的铜耗可表达为如公式(1)所示：

其中，是电机的相数，I是电机相电流的平均值，R是电机的相电阻，是周期，是电机励磁绕组的长度，是绕组电感系数，A是绕组的横截面积。

3.2.3铁耗

电机的铁耗由磁滞损耗、附加损耗和涡流损耗组成，其公式为(4)所示：

其中，P、P和P分别为磁滞损耗、附加损耗和涡流损耗。k、k和k分别代表磁滞损耗系数、附加损耗系数和涡流损耗系数。在本文分析中，M19_29G被用在电机定转子材料中，根据经验，k、k和k的数值分别为0.01642、0和0.0000409。

3.2.4风摩损耗

在瞬态仿真分析中，可以根据输出功率的2%到3%来估算风摩损耗。本文中，风摩损耗取2.5%，其数值为12.5W。

图7 电流曲线图

根据3.2.1到3.2.4的分析，在额定条件下，设置相同的外电路对两种电机进行瞬态仿真。对传统电机来说，其开通角为2.4°，关断角为18.4°然而对于本文来说，样机的开通角是0°，关断角是10.5°，两种电机的瞬态电流如图7所示。从图可以看出，传统12/8开关磁阻电机的峰值电流大概为119A，而样机的峰值电流为115A。更重要的是，在通电周期的末尾，传统电机的电流会有一个上翘，这是由铁心磁通的饱和引起的。两种电机的铁耗曲线如图8所示，铁耗主要产生在电机换向过程中。传统电机的铁耗不均匀，且铁耗较大，而样机的铁耗较小且恒定，无磁通逆转。

图8 铁耗曲线图

表2 两种电机的瞬态特性对比结果

表2展示了传统电机和样机仿真与实验瞬态特性的详细数据。从实验结果中可以看出，在额定运行条件下，传统电机的总效率为81.91%，而样机的总效率为83.35%，其中包含了机械损耗、铜耗和铁耗。稳态及瞬态的的仿真分析对比结果显示样机结构设计的正确性。新型8/9结构开关磁阻电机提高了电机的电磁利用率，降低了铜耗和铁耗，提高了电机的效率。

4 结论

本文详细阐述了传统电机与样机的性能对比，两种电机具有相同外形尺寸。从对比结果可知，样机具有更大的峰值转矩和平均转矩，但是样机的转矩脉动较大，导致电机噪声提高。更重要的是，对新型8/9结构开关磁阻电机进行稳态和瞬态的仿真，保证电机结构的正确性。由于采用短磁路径及整距绕组，样机的铜耗及铁耗降低，提高了样机的效率。未来会制造一台样机并进行相关试验，进一步验证电机设计的正确性。

[1] 刘迪吉,张焕春,傅丰礼等.开关磁阻调速电动机[M].北京:机械工业出版社,1994.

[2] D. H. Lee, Z. G. Lee, J. N. Liang, J. W. Ahn, “Single-phase SRM drive with torque ripple reduction and power factor correction,” IEEE Transaction on Industry Applications, vol. 43, no. 6, pp. 1578- 1587, Nov.-Dec. 2007.

[3] D.H.Lee and J. W. Ahn, “Design and analysis of hybrid stator bearingless SRM,” J. Elect. Eng. Technol., vol. 6, no. 1, pp. 94-103, Jan. 2011.

[4] 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.

[5] Yang, S.-M., Chen, J.-Y, “Controlled dynamic braking for switched reluctance motor Drives with a rectifier front end,” IEEE Transac- tions on Industrial Electronics, vol.60, no.11, pp. 4913 - 4919, 2013.

[6] Bilgin, B., Emadi, A., Krishnamurthy, M., “Design considerations for switched reluctance machines with a higher number of rotor poles,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.59, no.10, pp.3745 -3756, 2012.

A Design of The Novel 8/9 Type Switched Reluctance Motor

Zhang Hongtao1, Li Wenjing2, Qiu Aijiao1

（1.Huachen Automotive Group Holdings Co., Ltd, Liaoning Shenyang 121400; 2.Shenyang rifeng complete control electric equipment manufacture Co., Ltd, Liaoning Shenyang 121400）

The novel 8/9 type switched reluctance motor (SRM) is proposed in this report. Different from conventional structures, the rotor of proposed structure is constructed from a series of discrete segments. The stator is 4 Phases and 8 poles, 4 exciting and 4 auxiliary poles. The rotor is 9 poles, 9 discrete rotor poles and each of which is embedded in aluminum rotor block and magnetically isolated from its neighbor. The stator is constructed from two types of stator poles: exciting and auxiliary poles. The width of exciting pole is double than auxiliary pole. The auxiliary pole is T type and the width of the tooth and yoke are same. Compared with conventional SRM, the proposed structure increases the electrical utilization of the machine and reduces the core losses, which may leads to higher efficiency. To verify the proposed structure, finite element method (FEM) is employed to get static and dynamic characteristics of conventional 12/8 and proposed SRM. The results show that the torque and efficiency of proposed SRM are higher.

8/9 type; short flux; FEM; high efficiency

U462

A

1671-7988(2019)07-161-04

张宏涛，硕士、中级工程师，就职于华晨汽车集团控股有限公司，主要研究内容为新能源汽车驱动电机系统设计匹配。

U462

A

1671-7988(2019)07-161-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.054