胡艷芳 丁 文 吳路明

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049)

基于場(chǎng)路耦合的輪轂式開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁性能分析

胡艷芳 丁 文 吳路明

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049)

首先采用有限元法對(duì)一臺(tái)三相18/24極輪轂式開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)進(jìn)行了靜磁場(chǎng)分析，獲得了電機(jī)的L-i-θ曲線、T-i-θ曲線、磁化特性曲線以及不同轉(zhuǎn)子位置下的磁力線和磁通密度分布；接著，在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上充分考慮SRM的飽和非線性，采用基于Simplorer與Maxwell場(chǎng)路耦合的聯(lián)合仿真方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算，得到了不同運(yùn)行條件下的電流、電磁轉(zhuǎn)矩等波形；最后，通過(guò)加工樣機(jī)測(cè)量了電機(jī)在起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、加速、減速和變負(fù)載等狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形，其結(jié)果與仿真波形吻合較好，驗(yàn)證了分析方法和結(jié)果的有效性。

開關(guān)磁阻電機(jī) 輪轂電機(jī) 電動(dòng)自行車 場(chǎng)路耦合 Simplorer

0 引言

電機(jī)作為電動(dòng)自行車的主要?jiǎng)恿?lái)源，對(duì)其性能具有重要影響。同時(shí)，考慮到生活實(shí)際中的諸多問(wèn)題，要求用于電動(dòng)自行車的電機(jī)應(yīng)具有可靠性、變速和成本等方面的優(yōu)勢(shì)[1-3]。

目前，永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)和無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)以其高效率和高功率密度等優(yōu)勢(shì)普遍應(yīng)用于電動(dòng)自行車中，但由于永磁體的存在，使得這兩種電機(jī)存在磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難、恒功率范圍窄、永磁材料成本較高等問(wèn)題[3-6]。而開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)由于相間電磁耦合較弱，轉(zhuǎn)子既無(wú)永磁體又無(wú)繞組，使得其結(jié)構(gòu)較籠型異步電機(jī)更為簡(jiǎn)單堅(jiān)固、成本低廉、可靠性高，同時(shí)具有起動(dòng)性能好、調(diào)速范圍寬、適合頻繁起停等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最佳選擇之一[1，7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電機(jī)的研究主要集中在電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于電動(dòng)自行車的500 W、500 r/min的三相6/10極外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)，在利用有限元軟件JMAG對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)權(quán)衡輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、效率和重量等因素對(duì)電機(jī)的極弧進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)比較磁鏈和電流的有限元結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)的性能進(jìn)行了初步分析。文獻(xiàn)[9]在分析相數(shù)和定、轉(zhuǎn)子極數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)12/16極結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子SRM，并基于靜態(tài)有限元模型對(duì)SRM的定、轉(zhuǎn)子鐵心尺寸進(jìn)行了優(yōu)化和繞組方案選擇，最后通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試初步驗(yàn)證了方案的合理性。文獻(xiàn)[10]在對(duì)三相24/16極和四相24/18極兩種SRM結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，采用四相結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)一臺(tái)400 W、550 r/min的外轉(zhuǎn)子電機(jī)，并測(cè)試了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空載和負(fù)載性能，獲得了平穩(wěn)的調(diào)速特性。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用Ansoft有限元仿真軟件對(duì)18/24極和36/24極兩種三相SRM在額定工作點(diǎn)的效率、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、效率曲線和過(guò)載能力等性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。文獻(xiàn)[12] 介紹了一種用于電動(dòng)自行車的6/8極結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子SRM的設(shè)計(jì)過(guò)程。該文首先采用PC-SRD程序結(jié)合Matlab/Simulink對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，然后根據(jù)選擇的幾何尺寸在有限元分析軟件Flux2D中建立電機(jī)的模型，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩電流比、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和電流/功率-轉(zhuǎn)速曲線的分析來(lái)評(píng)估電機(jī)的性能，為特殊電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析提供了有效途徑。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，文獻(xiàn)[13，14]分別設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和DSC的電動(dòng)自行車用SRM控制系統(tǒng)的軟、硬件，并對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果均驗(yàn)證了系統(tǒng)良好的調(diào)速性能。文獻(xiàn)[15]選擇了一臺(tái)四相24/18極結(jié)構(gòu)的SRM作為電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為了節(jié)約系統(tǒng)成本和體積，采用無(wú)中點(diǎn)電容的裂相式主電路作為功率變換器的拓?fù)?，?duì)不同中點(diǎn)電容的中點(diǎn)電壓、電流和效率進(jìn)行了建模分析和比較，得出采用該拓?fù)涞腟RM系統(tǒng)能夠在額定轉(zhuǎn)速時(shí)取得73%的效率，達(dá)到了電動(dòng)自行車的調(diào)速要求。

盡管SRM優(yōu)勢(shì)明顯，但強(qiáng)烈的飽和非線性使得對(duì)其準(zhǔn)確建模和分析較困難。本文旨在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，采用基于Simplorer與Maxwell的場(chǎng)路耦合方法對(duì)一臺(tái)三相18/24極電動(dòng)自行車用SRM進(jìn)行電磁性能分析,以盡可能模擬電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。場(chǎng)路耦合法是求解驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)模型耦合問(wèn)題的一種方法，現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有采用該方法對(duì)輪轂式SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。在進(jìn)行場(chǎng)路耦合聯(lián)合仿真時(shí)，Simplorer與Maxwell同時(shí)運(yùn)行，以Simplorer為主控模塊，Maxwell為從屬模塊；在給定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，由Simplorer將繞組電流和轉(zhuǎn)子角度信息傳遞給Maxwell，而Maxwell將繞組反電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞給Simplorer。因此，場(chǎng)路耦合仿真具有較高的計(jì)算精度，并能處理復(fù)雜的多物理域問(wèn)題。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁場(chǎng)計(jì)算

1.1 等效電路模型

SRM的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，其各相磁鏈、電感和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)不僅是電流的函數(shù)，而且與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)。參考文獻(xiàn)[16]，忽略互感影響，SRM的電壓平衡方程式為

(1)

式中，Uk為相繞組電壓；Rk為相繞組電阻；ik為相繞組電流；ψk為相繞組磁鏈；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

進(jìn)一步，每相磁鏈可表示為

ψk=Lk(θ,i)ik

(2)

將式(2)代入式(1)中，并假定電機(jī)以角速度ωm勻速運(yùn)行，則式(1)可整理為

(3)

式中，等式右側(cè)各項(xiàng)依次為線路電阻壓降、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。

根據(jù)式(3)可以得出如圖1所示的SRM一相繞組的等效電路。圖1中，ek為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于式(3)中等號(hào)右側(cè)的第三項(xiàng)。

圖1 SRM一相繞組等效電路Fig.1 Equivalent circuit of SRM in one phase winding

根據(jù)上述電壓平衡方程，可以推導(dǎo)出任一工作點(diǎn)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

(4)

由于電感和電流受磁場(chǎng)的飽和效應(yīng)影響，具有強(qiáng)烈的非線性特性，通常難以用解析式表達(dá)，因此需要借助數(shù)值分析方法獲得。

1.2 磁場(chǎng)計(jì)算

磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B是進(jìn)行SRM磁場(chǎng)分析的基本參量。在有限元分析中，引入矢量磁位A求解磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量，進(jìn)而可得到磁場(chǎng)能量和磁場(chǎng)力等其他參數(shù)。

靜磁場(chǎng)求解中，在庫(kù)侖規(guī)范下，矢量磁位A滿足微分方程

(5)

式中，J為電流流動(dòng)截面的電流密度。在有電流分布的區(qū)域，J≠0；在無(wú)電流分布的區(qū)域，J=0。

在求得矢量磁位A后，根據(jù)式(6)、式(7)可得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H分別為

(6)

(7)

瞬態(tài)磁場(chǎng)中，有限元模型中各點(diǎn)的矢量磁位A可通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程(8)求得。

(8)

式中，Js為源電流密度；σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度；Hc為鐵磁材料的矯頑力。

2 輪轂式開關(guān)磁阻電機(jī)有限元仿真

參考現(xiàn)有電動(dòng)自行車用電機(jī)的主要參數(shù)以及開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)原則，本文利用通用有限元分析軟件設(shè)計(jì)了一臺(tái)PN=350 W、nN=400 r/min的三相輪轂式開關(guān)磁阻電機(jī)，其主要電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。其中，定、轉(zhuǎn)子極數(shù)分別為18和24，每相繞組包含6個(gè)線圈。圖2分別為輪轂式SRM的Maxwell3D模型和定子一相繞組連接圖。

表1 輪轂式SRM主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of in-wheel SRM

圖2 電機(jī)模型及繞組連接Fig.2 The model and winding connection

2.1 靜態(tài)電磁特性分析

SRM的磁場(chǎng)具有典型的飽和非線性特性，各相電感和轉(zhuǎn)矩是繞組電流i和轉(zhuǎn)子位置θ的函數(shù)。靜態(tài)電磁仿真的目的是通過(guò)計(jì)算電感/轉(zhuǎn)矩-電流-轉(zhuǎn)子位置特性曲線來(lái)預(yù)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行性能，并為電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制奠定基礎(chǔ)。

圖3分別為一個(gè)轉(zhuǎn)子極距內(nèi)繞組電流從0 A增加到40 A時(shí)的電感特性曲線L(i，θ)、轉(zhuǎn)矩特性曲線T(i，θ)和磁化特性曲線。

圖3 18/24極輪轂式SRM的相電感、轉(zhuǎn)矩和磁化特性Fig.3 Phase inductance，torque and magnetization characteristics of 18/24 poles in-wheel SRM

從圖3a中可以看出，在相同電流值下，電機(jī)自磁阻最大位置(θ=0°)向磁阻最小位置(θ=7.5°)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于磁阻減小，鐵心中磁通量增加，使得電感值也逐漸增大；而相同位置時(shí)磁通的增加速率小于電流的增長(zhǎng)速率，使得電感值隨電流的增加而減小。根據(jù)式(4)，轉(zhuǎn)矩與電流的二次方和電感的變化率正相關(guān)，因此，在電感曲線上升階段，電流增加，轉(zhuǎn)矩正向增大，在θ=2.5°前后達(dá)到最大值，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)；在電感曲線下降階段，電流增加，轉(zhuǎn)矩反向增大，在θ=10°前后達(dá)到最大值，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。從圖3c中可以看出，在磁阻最大位置(θ=0°)磁動(dòng)勢(shì)主要降落在氣隙段，磁化曲線呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到接近磁阻最小位置(θ=7.5°)時(shí)，隨著鐵心中的磁阻在磁路中總磁阻的比例增加，電機(jī)逐漸趨于飽和，當(dāng)I>15 A時(shí)，磁鏈不再隨電流上升而明顯增加。

圖4分別為繞組電流為15 A時(shí)，電機(jī)在一相繞組的磁阻最大位置時(shí)的磁力線和磁通密度分布以及磁阻最小位置時(shí)的磁力線和磁通密度分布。從圖中可以看出，磁通路徑為短磁路，在磁阻最大位置和磁阻最小位置時(shí)電機(jī)鐵心的最大磁通密度分別約為1 T和1.8 T，在合理范圍內(nèi)。

圖4 18/24極輪轂式SRM在兩個(gè)典型位置的磁力線和磁通密度分布情況Fig.4 The flux linkage and magnetic flux dense distribution at two typical positions of 18/24 poles in-wheel SRM

2.2 基于Simplorer與Maxwell的瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真

在Simplorer中搭建如圖5所示的基于不對(duì)稱功率變換電路的聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型，分別對(duì)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)及調(diào)速運(yùn)行的仿真。

圖5 基于Simplorer與Maxwell的18/24極輪轂式SRM場(chǎng)路耦合聯(lián)合仿真系統(tǒng)示意圖Fig.5 The system diagram of field-circuit coupling co-simulation based on Simplorer and Maxwell for 18/24 poles in-wheel SRM

首先對(duì)額定電壓下的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。假設(shè)初始時(shí)刻轉(zhuǎn)子位于某相繞組的磁阻最大位置，額定電壓下帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖6所示。從圖中可以看出，初始起動(dòng)階段電流和電磁轉(zhuǎn)矩迅速上升，轉(zhuǎn)速也逐步升高,并最終穩(wěn)定在400 r/min附近，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和三相電流幅值也趨于穩(wěn)定，此時(shí)起動(dòng)過(guò)程完成，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。但由于SRM磁阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩使得其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯，從而造成轉(zhuǎn)速和電流波形有一定程度的波動(dòng)。

圖6 電機(jī)起動(dòng)仿真結(jié)果Fig.6 Results of starting-up simulation

圖7為額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下，開關(guān)角度為-1°～5° 時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和電流波形的放大圖。經(jīng)計(jì)算，平均輸出轉(zhuǎn)矩Tav=9.48 N·m，相電流有效值約為 9.85 A，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率約為96.85%?？梢?，在該運(yùn)行狀態(tài)下，輸出轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到運(yùn)行要求。

圖7 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩和電流波形Fig.7 The steady-state torque and current waveforms

改變轉(zhuǎn)速以模擬系統(tǒng)變速運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。圖8為額定電壓下，電機(jī)分別在40 ms和80 ms時(shí)由200 r/min連續(xù)升高100 r/min時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和電流波形。結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電流也相應(yīng)減少。因此，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，為避免電流過(guò)大損壞電機(jī)或系統(tǒng)，通常需要對(duì)電流加以限制。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和電流波形Fig.8 The steady-state torque and current waveforms at variable speed

在控制電路中加入電流斬波單元，測(cè)試系統(tǒng)在電流斬波控制(Current Chopping Control,CCC)下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和電流波形如圖9所示。從圖中可看出，電流限幅為10 A時(shí)的電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩約為4.8 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率約為88.77%，較開環(huán)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)兩者均有所降低。

圖9 電流斬波控制下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和電流波形Fig.9 The steady-state torque and current waveforms under current chopping control

注意到，雖然采用CCC后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有所減小，但依然較電磁式電機(jī)大。這是因?yàn)殡娏鲾夭刂剖峭ㄟ^(guò)將電流幅值限制在一定范圍內(nèi)來(lái)控制輸出轉(zhuǎn)矩的，但在電感開始上升和定、轉(zhuǎn)子磁極中心線重合位置前后，電流幅值偏小，導(dǎo)致電機(jī)各相在開始導(dǎo)通和續(xù)流階段轉(zhuǎn)矩輸出也較小，因而雖然這種方法能夠在一定程度上減小導(dǎo)通相的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但換相過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不能得到很好地抑制，需要引入轉(zhuǎn)矩反饋并采用更為有效的轉(zhuǎn)矩控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些將在以后的工作中討論。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

圖10分別為18/24極外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和基于STM32F103控制器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖。

圖10 18/24極輪轂式SRM原理樣機(jī)及系統(tǒng)示意圖Fig.10 The prototype and system diagram of 18/24 poles in-wheel SRM

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分別對(duì)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、調(diào)速和變負(fù)載運(yùn)行性能的測(cè)試。

3.2.1 起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

設(shè)置參考轉(zhuǎn)速為400 r/min，開關(guān)角度為0°～5°，帶負(fù)載閉環(huán)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖11a、圖11b所示。從圖中可以觀察到，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，經(jīng)過(guò)1 s左右穩(wěn)定在400 r/min附近，此時(shí)三相電流也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖11c示出了該狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)相電流的測(cè)量值和仿真值的對(duì)比情況。通過(guò)比較結(jié)果可以看出，仿真電流的幅值和波形均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真模型和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11 起動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Results of starting-up experiment

圖12為電機(jī)帶60%額定負(fù)載閉環(huán)運(yùn)行于300 r/min時(shí)，各相電流測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)波形基本一致。

3.2.2 變速運(yùn)行

圖13分別為電機(jī)帶80%額定負(fù)載條件下的加速和減速實(shí)驗(yàn)波形。其中，圖13a為從200 r/min先加速到300 r/min并維持一段時(shí)間后又繼續(xù)加速到400 r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形；圖13b為從400 r/min先減速到300 r/min并維持一段時(shí)間后又繼續(xù)減速到200 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形。

圖12 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制時(shí)實(shí)測(cè)電流與仿真電流對(duì)比Fig.12 Comparison of measured current and simulated current under the speed-closed loop control

圖13 變速實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 The results of variable-speed experiments

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下均運(yùn)行平穩(wěn)；變速過(guò)程中轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快、過(guò)渡時(shí)間較短；同時(shí)，由于運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，使得電機(jī)各相電流幅值也沒(méi)有明顯變化。

3.2.3 變負(fù)載運(yùn)行

在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式下設(shè)定參考轉(zhuǎn)速為 400 r/min，改變電機(jī)負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。其中，圖14a為某一時(shí)刻由40%額定負(fù)載增加一倍時(shí)的轉(zhuǎn)速和三相電流波形；圖14b為相反過(guò)程，即在某一時(shí)刻由80%額定負(fù)載減少一半時(shí)的轉(zhuǎn)速和三相電流波形。

圖14 變負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 The results of load adjustment experiments

從圖14中可以觀察到：當(dāng)突增負(fù)載時(shí)，電機(jī)各相電流迅速增加，但由于機(jī)械慣性的作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)略微降低，之后隨著電流和電磁轉(zhuǎn)矩的增加又恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速；當(dāng)突減負(fù)載時(shí)，各相電流迅速減小，同樣由于機(jī)械慣性的作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速略微升高后又恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

本文首先通過(guò)靜磁場(chǎng)有限元計(jì)算，分析了一臺(tái)三相18/24極電動(dòng)自行車用輪轂式SRM的電感特性曲線L(i，θ)、轉(zhuǎn)矩特性曲線T(i，θ)和磁化特性。建立了基于Simplorer與Maxwell場(chǎng)路耦合的聯(lián)合仿真模型，對(duì)電機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真，通過(guò)計(jì)算電機(jī)的起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、變速以及CCC下的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩等參量，分析了電機(jī)在上述不同運(yùn)行狀態(tài)下的性能。最后，通過(guò)加工原理樣機(jī)并搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量了起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、變速和變負(fù)載運(yùn)行下的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流波形，其結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真模型和結(jié)果的有效性。

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(編輯 于玲玲)

Analysis of Electromagnetic Performances on an In-Wheel Switched Reluctance Motor Based on Field-Circuit Coupling

HuYanfangDingWenWuLuming

(School of Electrical Engineering Xi′an Jiaotong University Xi′an 710049 China)

The magnetostatics calculation is firstly carried out for an in-wheel SRM with three phases and 18/24 poles and several performances are obtained，includingL-i-θ，T-i-θ，magnetization characteristics，the distributions of flux linkage and magnetic flux density at different rotor positions.Then the saturation and nonlinear characteristics of SRM are taken into consideration，and co-simulation of field-circuit coupling method based on Simplorer and Maxwell are applied for the SRM to analyze the transient performances and the current and torque curves under various conditions are also presented.Finally，a prototype is manufactured and the experimental waveforms are measured ranging from starting-up，steady operation，variable-speed to load adjustment.The consistent results between simulated and measured waveforms verify the validity of the method and its results.

Switched reluctance machine，in-wheel motor，electric bicycle，field-circuit coupling，Simplorer

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51477130)。

2016-08-12 改稿日期2017-01-01

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L70146

TM352

胡艷芳 女，1987年，博士研究生，研究方向?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)及其控制。

E-mail：green_mimosa@stu.xjtu.edu.cn(通信作者)

丁 文 男，1981年，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)運(yùn)行理論及控制。

E-mail：wending@mail.xjtu.edu.cn