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        電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法*

        2017-11-07 01:58:53瞿遂春邱愛兵
        電機(jī)與控制應(yīng)用 2017年10期
        關(guān)鍵詞:極弧磁阻電動(dòng)車

        陳 飛, 瞿遂春, 邱愛兵, 沈 杰

        (南通大學(xué),江蘇 南通 226019)

        電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法*

        陳 飛, 瞿遂春, 邱愛兵, 沈 杰

        (南通大學(xué),江蘇 南通 226019)

        根據(jù)電動(dòng)車的性能要求,提出了一種電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)設(shè)計(jì)、優(yōu)化方法。首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行了預(yù)設(shè)計(jì),隨后用Ansoft軟件校驗(yàn)了電機(jī)性能。對(duì)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化,得到最優(yōu)結(jié)果。

        開關(guān)磁阻電機(jī);預(yù)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)參數(shù);優(yōu)化

        0 引 言

        目前國(guó)家正大力發(fā)展新能源技術(shù),電動(dòng)車因勢(shì)而起,得到了快速的發(fā)展,如景區(qū)內(nèi)的觀光車、小區(qū)里的治安巡邏車等。電動(dòng)車作為一種新興的代步用車,不僅綠色環(huán)保而且在未來(lái)有極大的發(fā)展?jié)摿?。目前電?dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有永磁電機(jī)、異步電機(jī)、直流電機(jī)等。

        作為一種新型電機(jī),開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,SRM)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[1]、制造成本低、調(diào)速范圍寬[2]、控制靈活且效率高等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比有較大的競(jìng)爭(zhēng)力,而且能滿足電動(dòng)車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小的需求[3],所以在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        因?yàn)镾RM的定、轉(zhuǎn)子呈雙凸極結(jié)構(gòu)[4],且繞組為脈沖電流、磁路非線性、局部磁路高度飽和,所以傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法不適用SRM。本文在對(duì)電機(jī)性能特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì),利用Ansoft軟件校對(duì)與優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)電機(jī)進(jìn)行性能仿真[5],得到最優(yōu)結(jié)果。

        1 SRM預(yù)設(shè)計(jì)

        根據(jù)電動(dòng)車的性能要求以及經(jīng)濟(jì)性,針對(duì)三相6/4結(jié)構(gòu)的SRM進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。其額定電壓UN=60 V,額定功率PN=4.5 kW,額定電流86.2 A,額定轉(zhuǎn)矩17.19 N·m,額定轉(zhuǎn)速nN=2 500 r/min,電機(jī)效率83%,冷卻方式為風(fēng)冷。

        電機(jī)電磁功率

        電機(jī)細(xì)長(zhǎng)比

        式中:λ——1.2;

        Da——轉(zhuǎn)子外徑;

        la——鐵心長(zhǎng)度。

        轉(zhuǎn)子外徑

        式中:ki——峰值電流系數(shù),取0.5;

        Bδ——磁負(fù)荷,預(yù)取0.445 T;

        A——電負(fù)荷,預(yù)取25 000 A/m;

        km——方波電流系數(shù),取0.8;

        n——額定轉(zhuǎn)速。

        鐵心長(zhǎng)度la=λDa,定子外徑Ds:Da/Ds取0.5。

        定子極弧βs=(0.34~0.45)τr,轉(zhuǎn)子極弧βr=(0.34~0.5)τr,其中τr為轉(zhuǎn)子極距。

        每相繞組串聯(lián)匝數(shù)可由式(4)確定:

        式中:Nr——轉(zhuǎn)子極數(shù);

        U——繞組端電壓;

        θc——導(dǎo)通角;

        lδ——有效鐵心長(zhǎng)度。

        由上述預(yù)設(shè)計(jì)得到電機(jī)主要尺寸如表1所示。

        表1 SRM尺寸參數(shù)

        2 基于Ansoft的SRM數(shù)值仿真

        2.1在RMxprt中的仿真

        根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),在Ansoft中RMxprt分析模式[6]下設(shè)置電機(jī)的各個(gè)參數(shù),得到電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。對(duì)電機(jī)模型仿真求解后得到主要性能參數(shù)曲線,如圖2~4所示。圖2為轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖,表明SRM在起動(dòng)時(shí)有著較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,符合車輛大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。

        圖1 SRM模型圖

        圖2 轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線

        圖3 轉(zhuǎn)速-效率曲線

        圖4 轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線

        從圖3、圖4可以看出,當(dāng)SRM運(yùn)行在額定條件下時(shí)電機(jī)的效率、輸出功率都符合電動(dòng)車的設(shè)計(jì)要求,表明了電機(jī)前期參數(shù)設(shè)計(jì)正確。

        2.2在靜磁場(chǎng)中的仿真

        圖5(a)~(d)給出了SRM在額定電流下,轉(zhuǎn)子位置角分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的磁力線分布圖。

        圖5 單相勵(lì)磁SRM磁力線分布圖

        圖6所示為SRM在一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距內(nèi),電流為0~90 A時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線。圖7為SRM電感特性曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角在0°~45°時(shí),轉(zhuǎn)矩為正,轉(zhuǎn)矩隨電流的增加而增大,對(duì)應(yīng)圖7中的電感上升區(qū);當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角在45°~90°時(shí),轉(zhuǎn)矩為負(fù),轉(zhuǎn)矩亦隨電流的增加而增大,對(duì)應(yīng)圖7中的電感下降區(qū)。

        圖6 矩角特性曲線

        圖7 電感特性曲線

        圖8為SRM的磁化曲線簇。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角較小時(shí),磁路不飽和,隨著轉(zhuǎn)子位置角增大,磁路的飽和程度逐漸增加。

        圖8 磁化特性曲線

        2.3在瞬態(tài)場(chǎng)中的仿真

        圖9為電機(jī)網(wǎng)格剖分圖,為了提高氣隙磁密的計(jì)算準(zhǔn)確度,氣隙部分網(wǎng)格剖分較密。圖10為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形圖,表明SRM具有較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

        圖9 SRM網(wǎng)格剖分圖

        圖11為SRM在導(dǎo)通區(qū)為-2°~28°時(shí)三相電流波形,繞組通電后,電流迅速上升,在電感的下降區(qū)續(xù)流電流較小。

        圖10 SRM轉(zhuǎn)矩波形圖

        圖11 SRM三相電流波形圖

        3 SRM主要結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

        為了滿足SRM能自起動(dòng)的要求[7],應(yīng)滿足如下條件:

        對(duì)于三相6/4結(jié)構(gòu)的電機(jī),定子極弧最小為30°,轉(zhuǎn)子極弧大于定子極弧。

        圖12、圖13為不同定、轉(zhuǎn)子極弧時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

        圖12 定子極弧-輸出轉(zhuǎn)矩

        圖13 轉(zhuǎn)子極弧-輸出轉(zhuǎn)矩

        由圖12可知,定子極弧在22°左右時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩最大,定子極弧大于22°之后輸出轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢(shì)。圖13表明轉(zhuǎn)子極弧在26°左右,輸出轉(zhuǎn)矩為最大,轉(zhuǎn)子極弧大于26°之后輸出轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢(shì)。

        考慮到電機(jī)的自起動(dòng)要求,SRM中確定定、轉(zhuǎn)子極弧分別為30°、32°。此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩,滿足電動(dòng)車自起動(dòng)及額定轉(zhuǎn)矩的要求。

        圖14、圖15為不同定、轉(zhuǎn)子軛高時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

        圖14 定子軛高-輸出轉(zhuǎn)矩

        圖15 轉(zhuǎn)子軛高-輸出轉(zhuǎn)矩

        定子軛高增大,則電機(jī)外徑增大,由圖14可知,輸出轉(zhuǎn)矩隨定子軛高的增加而增加,定子軛高小于14.5 mm時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩增幅較大,定子軛高大于14.5 mm時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩增幅較小。為了得到較大的轉(zhuǎn)矩密度,定子軛高的優(yōu)化值取14.5 mm。

        由圖15可知,在轉(zhuǎn)子外徑一定的情況下,轉(zhuǎn)子軛高在11 mm左右,輸出轉(zhuǎn)矩最大。表2為優(yōu)化后SRM結(jié)構(gòu)參數(shù)。

        表2 優(yōu)化后SRM結(jié)構(gòu)參數(shù)

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文根據(jù)電動(dòng)車的性能要求,提出了SRM電機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法:

        (1) 對(duì)SRM進(jìn)行了預(yù)設(shè)計(jì);

        (2) 利用Ansoft軟件對(duì)SRM進(jìn)行了靜態(tài)及瞬態(tài)仿真,得到了SRM的性能曲線,驗(yàn)證了預(yù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性;

        (3) 對(duì)SRM的主要尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,得到了優(yōu)化值。

        [1] 王宏華.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

        [2] 陳坤華,孫玉坤,孫智權(quán),等.混合動(dòng)力汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2015,39(5): 994-996.

        [3] 韓帥,王艷,殷天明.電動(dòng)汽車用外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)仿真[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2013,40(10): 45-49.

        [4] 宋受俊,葛樂飛,劉虎成,等.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及多目標(biāo)優(yōu)化方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(5): 197-204.

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        ADesignandOptimizationMethodofSwitchedReluctanceMotorforElectricVehicle

        CHENFei,QUSuichun,QIUAibing,SHENJie

        (Nantong University, Nantong 226019, China)

        By the performance requirements of the electric vehicle, a design and optimization method of switched reluctance motor (SRM) for electric vehicle was presented. First, the motor was pre-designed, then used the Ansoft to check motor performance. The main structural parameters of the motor were analyzed and optimized to got the optimal result.

        switchedreluctancemotor;pre-design;structureparameter;optimization

        國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61473159)

        陳 飛(1993—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)及其控制。

        TM 352

        A

        1673-6540(2017)10- 0114- 05

        2016 -12 -12

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