梅 磊， 范震乾， 張廣明， 王德明

(南京工業(yè)大學 自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)是自20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型電機，與其他類型電機相比，具有以下顯著特點[1]： (1) 結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于高速；(2) 功 率電路簡單可靠；(3) 各相獨立工作，可構(gòu)成極高可靠性系統(tǒng)；(4) 高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流；(5) 可控參數(shù)多，調(diào)速性能好；(6) 效率高，損耗小。這些特點使其在電動汽車[2]、航空航天[3]、家用電器[4]、機械傳動[5]及精密伺服系統(tǒng)[6]等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

SRM的缺點主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩脈動及輸出轉(zhuǎn)矩不高，與永磁電機相比，在輸出轉(zhuǎn)矩相同的情況下，SRM的重量要大很多[7]。為了抑制轉(zhuǎn)矩脈動，提高SRM的轉(zhuǎn)矩密度，較多研究針對徑向磁通結(jié)構(gòu)的SRM。從其拓撲結(jié)構(gòu)入手，文獻[8]研究了一種8/14結(jié)構(gòu)的SRM，其轉(zhuǎn)矩密度遠大于普通8/6結(jié)構(gòu)的SRM。文獻[9]提出了分塊轉(zhuǎn)子SRM，研究結(jié)果顯示在銅耗相同時，其輸出轉(zhuǎn)矩比普通SRM大41%。在SRM參數(shù)設(shè)計方面，文獻[10]研究了一種改變定子極面和附加轉(zhuǎn)子極靴的設(shè)計方案，提出了一種基于克里金插值技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化算法以減小三相6/4極SRM的轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[11]將改進遺傳算法應(yīng)用到SRM的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，建立了以電磁徑向力最低為目標的優(yōu)化設(shè)計模型。文獻[12]研究了整距繞組分塊轉(zhuǎn)子SRM的電磁設(shè)計方法，推導(dǎo)出了整距繞組分塊轉(zhuǎn)子SRM的主要尺寸計算式及繞組參數(shù)設(shè)計算式。

針對軸向磁通結(jié)構(gòu)的研究相對較少。文獻[13]提出了軸向磁通SRM轉(zhuǎn)子齒前沿和定子齒前沿重疊位置處磁化曲線斜率電感值的解析計算方法，獲得了較滿意的精確度，為軸向磁通SRM的優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。文獻[14]提出了一種新型軸向磁通SRM，推導(dǎo)了其轉(zhuǎn)矩方程，并進行了三維有限元分析和樣機試驗研究。文獻[15]研究了用于電動汽車的軸向磁通分塊轉(zhuǎn)子SRM，采用12/8極、單定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，額定功率1750W，額定轉(zhuǎn)速600r/min，功率密度1.82(N·m)/kg。文獻[16]研究了具有較高轉(zhuǎn)矩密度的雙定子、單轉(zhuǎn)子、6/4結(jié)構(gòu)的軸向磁通SRM，研究結(jié)果顯示，其轉(zhuǎn)矩大約是普通SRM的兩倍，且噪音降低了10%。

本文對提高軸向磁通SRM轉(zhuǎn)矩的參數(shù)設(shè)計方法進行了研究，主要包括定子齒形、轉(zhuǎn)子齒軸向長度及磁軛厚度等設(shè)計，建立了三維有限元模型，并對電機的電感特性和轉(zhuǎn)矩特性進行了研究。

1 電機參數(shù)設(shè)計

開關(guān)磁阻的運行遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子鐵心在移動到最小磁阻位置時必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。在忽略邊緣效應(yīng)、磁路非線性及相間互感的情況下，SRM的電磁轉(zhuǎn)矩為

(1)

式中：i——定子繞組電流；

dL/dθ——線圈自感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率。

由式(1)可知，增大最大電感與最小電感之間的差距有助于提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

1.1 定子齒形設(shè)計

本文通過有限元仿真對扇形和圓形兩種定子齒形的電感特性和平均轉(zhuǎn)矩進行了對比。兩種定子齒形如圖1所示。兩種定子齒形在55A時的機電特性比較如表1所示。

圖1 兩種定子齒形

扇形齒圓形齒最大電感/mH0.40.5最小電感/mH0.20.2電感差值/mH0.20.3平均轉(zhuǎn)矩/(N·m)2.53.0

仿真結(jié)果顯示，在氣隙面積相同的情況下，扇形齒的最小電感值等于圓形齒的，而圓形齒的最大電感值大于扇形齒的，且圓形齒的最大與最小電感之間的電感差值及平均轉(zhuǎn)矩都大于扇形齒的，故為增加SRM的輸出轉(zhuǎn)矩，將定子齒的形狀設(shè)計為圓形。

1.2 轉(zhuǎn)子齒軸向長度設(shè)計

當轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒的軸向長度不影響最大電感值，因為主磁路的磁阻主要是空氣間隙的磁阻，轉(zhuǎn)子齒的磁阻小到可忽略不計。

當轉(zhuǎn)子齒與定子齒不對齊時，磁路的磁阻主要是定子齒和轉(zhuǎn)子磁軛之間氣隙的磁阻，轉(zhuǎn)子齒軸向長度越長，則磁阻越大，最小電感值越小，增加轉(zhuǎn)子齒的軸向長度可減小最小電感值。最小電感值并不隨著轉(zhuǎn)子齒軸向長度的增加成比例的下降，而是收斂到一個恒定值。平均轉(zhuǎn)矩與電感差值成正比關(guān)系，故平均轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子齒軸向長度的增大而增大并趨于一個恒定值。平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子齒軸向長度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子齒軸向長度關(guān)系曲線

1.3 磁軛厚度設(shè)計

定、轉(zhuǎn)子磁軛的厚度需要保證磁路不飽和。由于磁通是從定子齒流向磁軛，所以磁軛的厚度應(yīng)與定子齒截面積相對應(yīng)。對于集中式繞組的SRM，磁軛內(nèi)部的磁路可分為兩個并聯(lián)的路徑，則所需的最小磁軛截面積應(yīng)為定子齒截面積的一半。

通過上述分析，針對額定電壓220V，最大電流55A，最大功率12kW，最高轉(zhuǎn)速5000r/min的軸向磁通SRM進行了設(shè)計，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表2所示。

表2 SRM主要結(jié)構(gòu)參數(shù)值

2 基于Ansys的電磁場仿真

在軸向磁通SRM中，磁場呈三維分布，故需要建立三維模型分析其電磁特性。在有限元分析軟件Ansys中建立了軸向磁通SRM三維模型，如圖3所示。

圖3 軸向磁通SRM三維模型

仿真時施加的激勵條件如表3所示。假定逆變器輸出為方波，如果采用單相勵磁，則電流有效值為峰值電流值的1/3，故可取較高的電流密度，每相繞組的電流密度取8A/mm2，則相對應(yīng)的三相瞬時電流密度為24A/mm2?？芍?，SRM可采用比三相正弦電機高的瞬時電流密度。

表3 仿真施加的激勵條件

三相繞組中的電流波形如圖4所示。

圖4 三相繞組中的電流波形

輸出轉(zhuǎn)矩的波形如圖5所示。

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩波形

電流為55A時的電感波形如圖6所示。

圖6 電流為55A時的電感波形

電磁場仿真結(jié)果如表4所示。由表可知，當直流母線電壓為220V時，平均轉(zhuǎn)矩為3N·m，通過空載時的電感值計算出最高轉(zhuǎn)速為5000r/min。

表4 電磁場仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

針對軸向磁通SRM，本文從提高其輸出轉(zhuǎn)矩的目的出發(fā)，研究了定、轉(zhuǎn)子齒形對SRM電感特性與轉(zhuǎn)矩特性的影響，分析了分別采用扇形齒與圓形齒時電機的電感差與平均轉(zhuǎn)矩，得出了在氣隙面積相同的情況下，圓形齒輸出轉(zhuǎn)矩高于扇形齒的結(jié)論。研究了轉(zhuǎn)子軸向長度對電機最大電感和最小電感的影響，分析了轉(zhuǎn)子軸向長度與平均轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，平均轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子齒軸向長度的增加而增加，但最終會收斂到一個恒定值。研究了磁軛厚度的確定原則，其截面積大約應(yīng)為氣隙面積的一半。在有限元仿真軟件Ansys中建立的三維模型對電機的電感特性和轉(zhuǎn)矩特性進行了仿真研究。

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