开关磁阻电机转矩脉动优化研究

开关磁阻电机转矩脉动优化研究

井立兵; 成佳

【期刊名称】《《振动与冲击》》

【年(卷),期】2019(038)021

【总页数】6页(P120-125)

【关键词】开关磁阻电机; 转矩脉动; 转子齿形; 开关角; 有限元

【作者】井立兵; 成佳

【作者单位】三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002; 湖北省微电网工程技术研究中心(三峡大学) 湖北宜昌443002

【正文语种】中文

【中图分类】TM352

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)由于没有转子绕组和永磁体，因此，结构简单成本低，可靠性高，适用于高速高温等恶劣环境，相比其它调速电机，当前极具竞争力，一直被当做电动汽车驱动系统的最优方案之一[1-2]。然而，转矩脉动导致的振动和噪声一直是限制开关磁阻电机普遍应用的主要瓶颈。因此，最大限度的降低开关磁阻电机转矩脉动成为当今很多学者研究SRM热点问题之一。开关磁阻电机产生转矩脉动的原因主要有三方面：①边缘磁通；②双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱和；③由于开关磁阻电机系统采用开关形式功率变换器供电电路导致了相电流、转矩的跃变[3-4]。这三方面导致开关磁阻电机存在

固有的转矩脉动。国内外学者主要通过优化电机本体结构和控制策略两方面来减少SRM的转矩脉动。然而，大多数文献的研究集中在控制领域，很多学者基于直接瞬时转矩控制策略[5]、变结构控制策略[6]和现代控制理论，提出新的智能控制策略[7]，但这些通过控制领域的方法增加了控制器的复杂性和电机的成本。因此，通过电机本体结构的设计来减少SRM的转矩脉动的研究近些年获得重视。

文献[8-9]以SRM本体结构为研究对象，分析转子铁芯内部开孔位置和开孔大小对转矩脉动的影响。这种方法是通过改变转子内部磁场分布来减少电机的转矩脉动。文献[10-11]以减少SRM的转矩脉动为目的，在每个转子极一侧上开一个适当大小的V形槽，V形槽的开口对着旋转的方向，但这种方法的不足之处是只能在单方向减少转矩脉动,并且平均转矩有所下降。文献[12-13]通过改变SRM定子、转子极靴结构来改善边缘磁通的影响，从而降低电机转矩脉动。文献[14]利用麦克斯韦张量法比较了四种不同转子齿形结构对转矩脉动的影响。文献[15-17]基于改变定转子极面结构形成不均匀气隙来改善气隙磁密，从而降低SRM转矩脉动。而基于缓解双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱和少有研究。

本文为降低SRM转矩脉动，研究了一种新型转子齿形。在传统开关磁阻电机平行齿的基础上，在转子磁极两侧添加半椭圆形辅助铁芯，将传统转子平行齿改成鼓型齿结构。添加的半椭圆形铁芯长轴固定为转子磁极长度，定义半椭圆形铁芯短轴与长轴之比为系数P，通过优化系数P，来降低开关磁阻电机转矩脉动，得到开关磁阻电机改进模型。为了进一步降低开关磁阻电机转矩脉动，研究了开通角和关断角对转矩脉动的影响，通过优化开通角和关断角，得到开关磁阻电机优化模型，转矩脉动明显减小。本文使用有限元软件Ansoft Maxwell建立二维场路耦合模型，通过设置变量P，变量开通角和关断角，利用软件参数化仿真，通过计算结果对比来寻找最优系数P，最优开通角和关断角。

1 开关磁阻电机转矩脉动优化设计方案

开关磁阻电机在运行过程中存在固有转矩脉动，导致转矩脉动产生的原因主要有三方面：①边缘磁通；②双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱和；③由于开关磁阻电机系统采用开关形式功率变换器供电电路导致了相电流、转矩的跃变。为了缓解双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱和，本文研究了一种新型开关磁阻电机转子齿形，在传统开关磁阻电机平行齿的基础上两侧添加半椭圆形辅助铁芯。如图1所示：半椭圆形辅助铁芯长轴hr固定为转子磁极长度，d表示半短轴距离。定义系数P

(1)

在有限元软件中设置变量d，通过参数化仿真结果对比，寻找最优半短轴距离d，计算最佳系数P，得到开关磁阻电机改进模型。

为了缓解开关磁阻电机采用开关形式功率变换器供电电路导致的相电流和转矩的跃变，通过对开通角，关断角的优化，寻找最优开通角，关断角组合方案，得到开关磁阻电机优化模型。

图1 开关磁阻电机改进模型Fig.1 Improved switched reluctance motor model 2 建立开关磁阻电机

有限元模型

本文以额定功率15 kW、额定电压220 V、额定转速1 500 r/min、三相12/8极SRM为例，利用有限元软件Ansoft Maxwell建立二维场路耦合模型，研究对电机转矩脉动的影响。电机主要参数如表1所示。

表1 电机结构主要参数Tab.1 Main parameters of motor structure参数数值参数数值定子极数Ns12转子极数Nr8定子外径Dso/mm260转子外径

Dro/mm178定子内径Dsi/mm180转子内径Dri/mm85定子轭高Hs/mm20转子轭高Hr/mm30定子极弧βs/(°)15转子极弧βr/(°)16气隙δ/mm1铁心叠长

l/mm200

3 计算结果与分析

转矩脉动系数KT定义为

(2)

式中：Tmax是电机稳定运行时的最大转矩值；Tmin是电机稳定运行时的最小转

矩值；Tav是电机稳定运行时的平均转矩值；

3.1 瞬态磁场分析

电机的仿真结果如图2所示。与传统结构SRM相比，电机采用新型转子齿形后，电机磁通路径饱和度大大减小。

为了降低定转子磁极对齐位置时的局部饱和，在传统开关磁阻电机转子两侧添加半椭圆形铁芯，长轴固定为转子磁极长度，通过改变辅助铁芯短轴与长轴之比系数P，计算转矩脉动结果如图3所示。

如图3所示,随着系数P的增大，辅助铁芯半短轴d在增大，开关磁阻电机转矩脉动系数在减小，当系数P超过0.6时，转矩脉动系数急剧增大，总体上呈现先减

小后增大的规律。系数P在0.4～0.6范围内，转矩脉动最小。

(a)传统模型

(b)改进模型图2 磁密云图Fig.2 Magnetic field distribution

图3 系数P对转矩脉动的影响Fig.3 The influence of coefficient P on torque ripple

表2 系数P对转矩脉动的影响Tab.2 The influence of coefficient P on torque ripple

系数P转矩脉动系数KT0.40.72150.50.71580.60.7209

计算结果如表2所示：系数P在0.4～0.6范围内，转矩脉动最小，为了进一步精