陳 飛, 瞿遂春, 邱愛兵, 沈 杰

(南通大學，江蘇 南通 226019)

電動車用開關磁阻電機設計與優(yōu)化方法*

陳 飛, 瞿遂春, 邱愛兵, 沈 杰

(南通大學，江蘇 南通 226019)

根據(jù)電動車的性能要求，提出了一種電動車用開關磁阻電機(SRM)設計、優(yōu)化方法。首先對電機進行了預設計，隨后用Ansoft軟件校驗了電機性能。對電機主要結構參數(shù)進行了分析和優(yōu)化，得到最優(yōu)結果。

開關磁阻電機；預設計；結構參數(shù)；優(yōu)化

0 引 言

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

作為一種新型電機，開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)由于其結構簡單[1]、制造成本低、調速范圍寬[2]、控制靈活且效率高等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的電動車驅動電機相比有較大的競爭力，而且能滿足電動車起動轉矩大、起動電流小的需求[3]，所以在電動車驅動領域中有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

因為SRM的定、轉子呈雙凸極結構[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)電機的設計方法不適用SRM。本文在對電機性能特點分析的基礎上對電機進行預設計，利用Ansoft軟件校對與優(yōu)化電機的結構參數(shù)，對電機進行性能仿真[5]，得到最優(yōu)結果。

1 SRM預設計

根據(jù)電動車的性能要求以及經濟性，針對三相6/4結構的SRM進行預設計。其額定電壓UN=60 V，額定功率PN=4.5 kW，額定電流86.2 A，額定轉矩17.19 N·m，額定轉速nN=2 500 r/min，電機效率83%，冷卻方式為風冷。

電機電磁功率

電機細長比

式中：λ——1.2；

Da——轉子外徑；

la——鐵心長度。

轉子外徑

式中：ki——峰值電流系數(shù)，取0.5；

Bδ——磁負荷，預取0.445 T；

A——電負荷，預取25 000 A/m；

km——方波電流系數(shù)，取0.8；

n——額定轉速。

鐵心長度la=λDa，定子外徑Ds：Da/Ds取0.5。

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

每相繞組串聯(lián)匝數(shù)可由式(4)確定：

式中：Nr——轉子極數(shù)；

U——繞組端電壓；

θc——導通角；

lδ——有效鐵心長度。

由上述預設計得到電機主要尺寸如表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]下設置電機的各個參數(shù)，得到電機的結構模型如圖1所示。對電機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為轉速-輸出轉矩曲線圖，表明SRM在起動時有著較大的起動轉矩，符合車輛大起動轉矩的要求。

圖1 SRM模型圖

圖2 轉速-輸出轉矩曲線

圖3 轉速-效率曲線

圖4 轉速-輸出功率曲線

從圖3、圖4可以看出，當SRM運行在額定條件下時電機的效率、輸出功率都符合電動車的設計要求，表明了電機前期參數(shù)設計正確。

2.2在靜磁場中的仿真

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

圖5 單相勵磁SRM磁力線分布圖

圖6所示為SRM在一個轉子齒距內，電流為0～90 A時的轉矩曲線。圖7為SRM電感特性曲線。當轉子位置角在0°～45°時，轉矩為正，轉矩隨電流的增加而增大，對應圖7中的電感上升區(qū)；當轉子位置角在45°～90°時，轉矩為負，轉矩亦隨電流的增加而增大，對應圖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。當轉子位置角較小時，磁路不飽和，隨著轉子位置角增大，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)場中的仿真

圖9為電機網格剖分圖，為了提高氣隙磁密的計算準確度，氣隙部分網格剖分較密。圖10為電機轉矩波形圖，表明SRM具有較大轉矩脈動。

圖9 SRM網格剖分圖

圖11為SRM在導通區(qū)為-2°～28°時三相電流波形，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轉矩波形圖

圖11 SRM三相電流波形圖

3 SRM主要結構尺寸優(yōu)化

為了滿足SRM能自起動的要求[7]，應滿足如下條件：

對于三相6/4結構的電機，定子極弧最小為30°，轉子極弧大于定子極弧。

圖12、圖13為不同定、轉子極弧時的輸出轉矩曲線。

圖12 定子極弧-輸出轉矩

圖13 轉子極弧-輸出轉矩

由圖12可知，定子極弧在22°左右時輸出轉矩最大，定子極弧大于22°之后輸出轉矩呈下降趨勢。圖13表明轉子極弧在26°左右，輸出轉矩為最大，轉子極弧大于26°之后輸出轉矩呈下降趨勢。

考慮到電機的自起動要求，SRM中確定定、轉子極弧分別為30°、32°。此時輸出轉矩能達到額定轉矩，滿足電動車自起動及額定轉矩的要求。

圖14、圖15為不同定、轉子軛高時的輸出轉矩曲線。

圖14 定子軛高-輸出轉矩

圖15 轉子軛高-輸出轉矩

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

由圖15可知，在轉子外徑一定的情況下，轉子軛高在11 mm左右，輸出轉矩最大。表2為優(yōu)化后SRM結構參數(shù)。

表2 優(yōu)化后SRM結構參數(shù)

4 結 語

本文根據(jù)電動車的性能要求，提出了SRM電機的設計及優(yōu)化方法：

(1) 對SRM進行了預設計；

(2) 利用Ansoft軟件對SRM進行了靜態(tài)及瞬態(tài)仿真，得到了SRM的性能曲線，驗證了預設計的準確性；

(3) 對SRM的主要尺寸進行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化值。

[1] 王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2014.

[2] 陳坤華,孫玉坤,孫智權,等.混合動力汽車用開關磁阻電機設計[J].電源技術,2015,39(5): 994-996.

[3] 韓帥,王艷,殷天明.電動汽車用外轉子開關磁阻電機設計與控制系統(tǒng)仿真[J].電機與控制應用,2013,40(10): 45-49.

[4] 宋受俊,葛樂飛,劉虎成,等.開關磁阻電機設計及多目標優(yōu)化方法[J].電工技術學報,2014,29(5): 197-204.

[5] 凌岳倫,王勉華,王巖,等.基于Ansoft開關磁阻電機建模與控制策略的仿真研究[J].電機技術,2010(2): 20-23.

[6] KABIR M A, HUSAIN I. Design of mutually coupled switched reluctance motors (MCSRMs) for extended speed applications using 3-phase standard inverters[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2016,31(2): 436-445.

[7] 徐新明,卞永明,楊濛,等.15 kW開關磁阻電機調速系統(tǒng)仿真與測試[J].自動化儀表,2015,12(36): 23-27+30.

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

國家自然科學基金項目(61473159)

陳 飛(1993—)，男，碩士研究生，研究方向為新型電機及其控制。

TM 352

A

1673-6540(2017)10- 0114- 05

2016 -12 -12