張宏濤，李文靜，邱愛嬌

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新型8/9結構開關磁阻電機的設計研究

張宏濤1，李文靜2，邱愛嬌1

（1.華晨汽車集團控股有限公司，遼寧 沈陽 121400；2.沈陽日豐成控電氣制造有限公司，遼寧 沈陽 121400）

新型8/9結構開關磁阻電機，與傳統(tǒng)開關磁阻電機不同，這種結構的開關磁阻電機轉(zhuǎn)子是由一系列離散的分塊結構所組成。定子是4相8極定子結構，4個勵磁極和4個輔助極。而轉(zhuǎn)子是9極結構，9個獨立的轉(zhuǎn)子極和1個非導磁體。所述的定子上交替的設置有勵磁極和輔助極，勵磁極的寬度是輔助極軛寬的2倍，輔助極為T型結構，T型結構的齒寬和軛寬相等。這種結構提高了電機的電磁利用率，降低了鐵心損耗并提高了電機的效率。為了驗證這種電機結構的正確性，通過與現(xiàn)有的傳統(tǒng)12/8結構開關磁阻電機進行對比，使用有限元分析(FEM)對兩種電機進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性的仿真。結果表明，新型電機具有輸出轉(zhuǎn)矩大和效率高等優(yōu)點。

8/9結構；短磁路徑；有限元分析；高效

前言

開關磁阻電機是一種雙凸極、單勵磁結構的電機，勵磁繞組只纏繞在電機的定子上，沒有勵磁繞組或者永磁體纏繞或者鑲嵌在電機的轉(zhuǎn)子上。由于開關磁阻電機的這種結構特點，使開關磁阻電機具有很多的優(yōu)點，如結構簡單堅固、加工方便、制造成本低廉、控制簡單靈活、容錯性較強和可靠性高等。而且還特別適用于高溫、高速的條件下運行[1]-[6]。在新型電動機車以及新能源系統(tǒng)等需要可靠性和容錯性都很高的電氣傳動領域具有廣泛的發(fā)展與應用前景。

但開關磁阻電機也有許多缺點和不足之處，例如雙凸極結構在高速運行的條件下，其風磨損耗大，鐵心損耗大，而且開關磁阻電機的轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大等。通過改進電機的幾何結構和應用合適的控制方法可以有效的降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，這種合適的控制方法在本文中沒有討論。

本文主要介紹新型8/9開關磁阻電機的結構設計與控制。定子上交替的設置有勵磁極和輔助極，勵磁極的寬度是輔助極軛寬的2倍，輔助極為T型結構，T型結構的齒寬和軛寬相等。通過電機的結構設計使得開關磁阻電機的輸出轉(zhuǎn)矩更大，效率更高。并對新型8/9結構開關磁阻電機進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真，保證電機結構的正確性。

1 樣機的結構分析

該T型四相開關磁阻電機，定子是4相8極的定子結構，而轉(zhuǎn)子是9極內(nèi)轉(zhuǎn)子結構，勵磁繞組分別纏繞在4個獨立的勵磁極上，其顯著特點是其電機結構不同于傳統(tǒng)開關磁阻電機，發(fā)明樣機的一個定子極相對的勵磁極不是同一相勵磁極，而是分別獨立地構成一相勵磁極，形成A、B、C、D 4相勵磁極樣。端部繞組較少，可忽略不計。轉(zhuǎn)子包括9個獨立的轉(zhuǎn)子極和非導磁體，轉(zhuǎn)子極固定在非導磁體上表面，且各獨立的轉(zhuǎn)子極和與它相鄰的勵磁極、輔助極形成獨立的磁通回路，使轉(zhuǎn)子在任何位置下，電機的磁通路徑都是最短的。該定子為內(nèi)定子，考慮磁通路徑及其飽和程度，其輔助極是T型結構，勵磁極的寬度是輔助極軛寬的2倍，T型結構的齒寬和軛寬相等。機的結構示意圖如圖1所示。此結構使電機的磁通能通過T型定子的輔助極與轉(zhuǎn)子極形成閉合回路，磁通路徑更短，磁阻更小。相比于長磁通路徑，短磁通路徑的電機更易于降低磁動勢。電機的轉(zhuǎn)子不是凸極結構，而是圓形結構，散熱好，有利于降低風摩損耗。由于采用短磁通路徑，在定子和轉(zhuǎn)子中，磁通無逆轉(zhuǎn)，在電機轉(zhuǎn)動換相過程中，具有不會產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點。電機采用集中繞組，電機匝數(shù)減少，同一輸入條件下，電機銅耗小、鐵心損耗小、輸出轉(zhuǎn)矩大，所以電機的輸出效率高。

圖1 樣機的結構示意圖

圖2a介紹了當轉(zhuǎn)子在對齊位置下，A相勵磁時樣機的磁力線分布圖。圖2b、圖2c和圖2c分別介紹了當轉(zhuǎn)子在對齊位置下，B相、C相和D相勵磁時樣機的磁力線分布圖。如圖2所示，磁通從勵磁極開始，流入分塊轉(zhuǎn)子中，然后再從分塊轉(zhuǎn)子流進與勵磁極相鄰的輔助極中，最后又返回到勵磁極，形成一個閉合的磁通回路。每個定子齒槽中的導體只產(chǎn)生自身的磁動勢，槽與槽之間的繞組產(chǎn)生的互感很小，可以忽略不計。在這種電機結構下，電機的磁通路徑很短，并且在定子軛中沒有發(fā)生磁通逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，降低了電機的鐵心損耗。

圖2 樣機的磁通路徑

2 樣機與傳統(tǒng)電機的設計對比

為了驗證樣機結構的正確性，本文設計出樣機的拓撲圖來對比傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機，這兩種電機都應用于汽車冷卻風扇裝置（500W，12V和2800r/min）。為了確保對比的公正性，以下幾點要保持一致。

表1 傳統(tǒng)12/8 SRM和樣機的設計參數(shù)

（1）因為都是應用于同一裝置，所以電機的外徑和軸徑要一致，電機的鐵心長要相等，電機的體積要相同。

（2）繞組的線規(guī)要一樣，使用相同的導電繞組。

（3）滿足實際材料的使用要求，磁通密度要低于1.8T。

（4）樣機的槽滿率要等于或小于傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機的槽滿率。

設計準則在合理的條件下，樣機與傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機的詳細設計參數(shù)如表1所示。

3 樣機與傳統(tǒng)電機的仿真分析

3.1 穩(wěn)態(tài)特性

3.1.1磁感應強度

開關磁阻電機通常設計在感應強度飽和區(qū)域。當傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機和樣機運行在磁場飽和區(qū)域（峰值電流為110安培）時，其磁感應強度如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，兩種結構的電機磁感應強度均小于1.8T，滿足設計要求。

圖3 傳統(tǒng)12/8電機的磁感應強度

圖4 樣機的磁感應強度

3.1.2轉(zhuǎn)矩特性

圖5展示了樣機與傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機的轉(zhuǎn)矩對比圖，兩種電機的尺寸和輸入?yún)?shù)相同。如圖9所示，傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機的平均輸出轉(zhuǎn)矩是1.778N?m，而樣機的平均輸出轉(zhuǎn)矩是2.011N?m，輸出轉(zhuǎn)矩提高了13.1%左右。

圖5 轉(zhuǎn)矩對比圖

3.2 瞬態(tài)特性

為了驗證樣機結構的正確性，對兩種電機進行瞬態(tài)特性分析，通過瞬態(tài)對比，進一步介紹了樣機的優(yōu)點。

3.2.1不對稱轉(zhuǎn)換器

圖6 不對稱轉(zhuǎn)換器

由于開關磁阻電機具有能獨立控制每一相開通關斷的能力，所以四種開關模式，不對稱轉(zhuǎn)換器被采用。圖6展示了這種不對稱轉(zhuǎn)換器的拓撲圖。

3.2.2銅耗

電機的銅耗與相電流平均值的平方和相電阻成正比。因此，根據(jù)電流波形，電機的銅耗可表達為如公式(1)所示：

其中，是電機的相數(shù)，I是電機相電流的平均值，R是電機的相電阻，是周期，是電機勵磁繞組的長度，是繞組電感系數(shù)，A是繞組的橫截面積。

3.2.3鐵耗

電機的鐵耗由磁滯損耗、附加損耗和渦流損耗組成，其公式為(4)所示：

其中，P、P和P分別為磁滯損耗、附加損耗和渦流損耗。k、k和k分別代表磁滯損耗系數(shù)、附加損耗系數(shù)和渦流損耗系數(shù)。在本文分析中，M19_29G被用在電機定轉(zhuǎn)子材料中，根據(jù)經(jīng)驗，k、k和k的數(shù)值分別為0.01642、0和0.0000409。

3.2.4風摩損耗

在瞬態(tài)仿真分析中，可以根據(jù)輸出功率的2%到3%來估算風摩損耗。本文中，風摩損耗取2.5%，其數(shù)值為12.5W。

圖7 電流曲線圖

根據(jù)3.2.1到3.2.4的分析，在額定條件下，設置相同的外電路對兩種電機進行瞬態(tài)仿真。對傳統(tǒng)電機來說，其開通角為2.4°，關斷角為18.4°然而對于本文來說，樣機的開通角是0°，關斷角是10.5°，兩種電機的瞬態(tài)電流如圖7所示。從圖可以看出，傳統(tǒng)12/8開關磁阻電機的峰值電流大概為119A，而樣機的峰值電流為115A。更重要的是，在通電周期的末尾，傳統(tǒng)電機的電流會有一個上翹，這是由鐵心磁通的飽和引起的。兩種電機的鐵耗曲線如圖8所示，鐵耗主要產(chǎn)生在電機換向過程中。傳統(tǒng)電機的鐵耗不均勻，且鐵耗較大，而樣機的鐵耗較小且恒定，無磁通逆轉(zhuǎn)。

圖8 鐵耗曲線圖

表2 兩種電機的瞬態(tài)特性對比結果

表2展示了傳統(tǒng)電機和樣機仿真與實驗瞬態(tài)特性的詳細數(shù)據(jù)。從實驗結果中可以看出，在額定運行條件下，傳統(tǒng)電機的總效率為81.91%，而樣機的總效率為83.35%，其中包含了機械損耗、銅耗和鐵耗。穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的的仿真分析對比結果顯示樣機結構設計的正確性。新型8/9結構開關磁阻電機提高了電機的電磁利用率，降低了銅耗和鐵耗，提高了電機的效率。

4 結論

本文詳細闡述了傳統(tǒng)電機與樣機的性能對比，兩種電機具有相同外形尺寸。從對比結果可知，樣機具有更大的峰值轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)矩，但是樣機的轉(zhuǎn)矩脈動較大，導致電機噪聲提高。更重要的是，對新型8/9結構開關磁阻電機進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真，保證電機結構的正確性。由于采用短磁路徑及整距繞組，樣機的銅耗及鐵耗降低，提高了樣機的效率。未來會制造一臺樣機并進行相關試驗，進一步驗證電機設計的正確性。

[1] 劉迪吉,張煥春,傅豐禮等.開關磁阻調(diào)速電動機[M].北京:機械工業(yè)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] 吳建華.開關磁阻電機設計與應用[M].北京:機械工業(yè)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

張宏濤，碩士、中級工程師，就職于華晨汽車集團控股有限公司，主要研究內(nèi)容為新能源汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)設計匹配。

U462

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1671-7988(2019)07-161-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.054