开关磁阻双转子电机的研究

开关磁阻双转子电机的研究袁永杰，崔淑梅，韩守亮哈尔滨工业大学电气学院，黑龙江哈尔滨（150001）E-mail：cuism@摘要：本文提出了一种基于开关磁阻电机原理的双转子电机。

与基于感应电机原理和永磁电机原理的双转子电机相比，它具有高可靠性、宽恒功率区和调速范围等特点，更适合于汽车传动系统的要求。

本文给出了这种开关磁阻双转子电机的结构，设计并研制了模型样机，基于样机分析了定转子极弧宽度、气隙长度和定子内外径比等主要参数对电机平均电磁转矩和转矩波动的影响。

关键词：混合动力汽车，汽车传动系统，双转子电机，开关磁阻电机中图分类号：TM3521.引言近年来，由于双转子电机在混合动力汽车上应用的优势逐渐明显，成为了国内外学者的研究热点之一。

2002年，瑞典皇家理工学院Sadarangani教授提出了基于永磁电机原理的双转子电机——四象限能量变换器。

经过几年的研究，不仅做出了样机，而且提出了其它几种不同的机械拓扑结构[1,2]。

2004年，荷兰Delft University of Technology 的Martin J.Hoeijmakers 教授提出了基于感应电机原理的双转子电机——电气变速器。

通过与荷兰TNO汽车公司合作，电气变速器样机被装配到整车质量为15吨的汽车上，并在相同的发动机和驾驶工况条件下与装配自动变速箱的车辆进行了对比，结果显示燃油经济性提高了11%，其它指标也有相应的提高[3,4]。

2005年，美国Ohio State University 的Longya Xu提出了DMP双机械端口电机的概念，概括并拓展了同心式双转子机电能量变换器的结构形式，并给出了驱动控制系统[5]。

在国内，中科院电工研究所、哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所、华中科技大学、上海大学、华南理工大学、河北工业大学等多家科研院所都对双转子电机进行了研究[6]。

本文提出了一种新型结构的双转子电机——开关磁阻双转子电机。

它的中间转子采用双凸极结构，结构简单，允许有较高的温升，工作可靠，能适应高温和强振动环境；起动转矩大，低速性能好；调速范围宽，更适合汽车传动的特点。

本文介绍了开关磁阻双转子电机的结构，并设计了实验样机；以样机为原型，分析了主要参数对开关磁阻式双转子电机性能的影响，为优化设计和性能核算奠定了基础。

2.开关磁阻双转子电机的基本结构和参数设计2.1基本结构开关磁阻双转子电机主要由定子、中间转子和内转子组成，另外还包括电刷滑环和传感器等部件。

再加上功率变换器、控制器和电池，就构成了开关磁阻双转子电机系统，如图1所示。

电机的定子和中间转子组成的电机为外电机，中间转子和内转子组成的电机为内电机。

开关磁阻双转子电机的定子和内转子有集中绕组，直接或通过电刷滑环连接至功率变换器，电能经过功率变换器的变换在开关磁阻双转子电机和电池之间流动。

中间转子为双凸极结构，没有绕组。

1—定子 2—中间转子 3—内转子 4—电刷和滑环 5，6—功率变换器 7—电池图1开关磁阻双转子电机系统基本结构图由于开关磁阻电机正常工作在饱和状态，这使得内外电机通过中间转子产生了电磁耦合，因此开关磁阻双转子电机的磁耦合很大，不能简单的看作两台独立的电机，这一点和永磁式双转子电机是不同的。

2.2样机设计由于开关磁阻双转子电机的作用，大多数情况下发动机工作在一个很小的区域甚至是一个点，而开关磁阻双转子电机内电机与发动机直接相连，即可以认为发动机输出的值为内电机的额定值。

而外电机的额定值需要根据路况来确定。

如果考虑混合动力系统要求，那么需要根据系统整体的控制策略选择内外电机的功率和转速等参数。

在设计时，采用由内到外的设计顺序，先设计内电机，再根据内电机的气隙和外径确定外电机的主要尺寸[7~9]。

初步设计的模型样机参数如表1所示。

模型样机实物如图2所示。

表1 开关磁阻双转子电机设计参数方案设计参数外电机内电机设计参数 外电机内电机额定功率P （kW ） 2.22.2定子外径（mm ）200 79.2额定电压U （V ） 280 280 定子极弧（°） 23 23 定转子极数 8/6 8/6 转子极弧（°） 25 27 额定转速（rpm ） 1500 1500 铁心长度（mm ）130 130气隙长度（mm ） 0.40.4每相串连匝数 84 74图2 开关磁阻双转子电机样机3. 开关磁阻双转子电机仿真模型的建立建立了开关磁阻双转子电机的二维有限元模型，如图3a)所示；对定转子绕组采用的功率变换主电路为不对称半桥型如图3b)；在电机运行时采用角度位置控制方式，通过改变开通角on θ、关断角off θ的值，可以改变电流的波形宽度、改变电流波形的峰值和有效值大小以及改变电流波形与电感波形的相对位置，这样就可以改变电动机的转矩，控制电路如图3c)所示。

其优点是转矩调节范围大，且转矩波动较小，可实现效率最优控制或转矩最优控制。

但角度控制不适用于低速，因为转速降低时，旋转电动势减小，使电流峰值增大，必须进行限流，必须采用电流斩波控制[10]。

a)2D 有限元模型 b)外电机功率驱动电路 c)控制电路图3 开关磁阻双转子电机仿真模型4. 主要参数对开关磁阻双转子电机性能的影响4.1定转子极对双转子电机特性的影响由于考虑极弧系数对电机性能的影响时，并没有涉及到磁场耦合以及转矩转速耦合的问题，所以将双转子电机看成两个独立的开关磁阻电机来分析是可行的，并且能给分析工作带来简化。

下面就外电机作详细分析。

为了便于分析，采用相对极弧概念，定义定子相对极弧为sn sr ββτ=，中间转子相对极弧为rn rr ββτ=，r τ为中间转子外侧极距。

在恒转矩区，固定关断角off θ和导通角on θ，计算不同sn β、rn β下的平均电磁转矩，稳态矩角特性如图4所示。

从图中可以看出，在0.35sn β=，0.383rn β=时平均电磁转矩最大，在0.383rn β>的区域，sn β、rn β的增大将使电机的电流幅值下降，导致平均电磁转矩减小。

当0.733sn rn ββ+<时，平均电磁转矩是随着sn β、rn β的增加而增加的，0.767sn rn ββ+>时，平均电磁转矩是随着sn β、rn β的增加而减少的，所以定转子极弧可以从这个范围中间选择，得到最大的平均电磁转矩。

sn sn sn sn sn图4 不同sn β、rn β下的平均电磁转矩在恒功率区，固定关断角off θ和调整导通角on θ，使平均电磁转矩保持不变，计算不同sn β、rn β下的转矩波动系数，如图5所示。

其中转矩波动系数由下式求得：max minavT T k T −=(1)式中，max T 、min T 、av T 分别为最大、最小和平均电磁转矩。

rnrn rn rn rn图5 不同sn β、rn β下的转矩波动系数从上面各组曲线中可以看出，在sn rn ββ=时，可以获得最小的转矩波动系数，并且最小转矩波动系数随sn β、rn β的增大而减小。

极弧的选择要综合考虑其对平均转矩和转矩波动的影响来选择。

4.2气隙对双转子电机转矩的影响要想获得较大的输出转矩，则要求开关磁阻电机的定子线圈电感值应随转子位置的改变而产生尽可能大的变化，这就要求尽可能减小气隙长度。

但气隙的大小，对电机转矩波动和噪声也会有一定的影响。

因此气隙的选择要综合这两方面的因素。

以外电机为例对样机仿真，得到了转矩波动系数随气隙变化的关系曲线，如图6所示；平均电磁转矩对随气隙变化的关系曲线，如图7所示。

图6 气隙对平均转矩的影响 图7 气隙对转矩波动系数的影响从图6中可以看出，气隙对平均转矩的影响还是比较明显的，因为当气隙增大后，相电感变小，特别是最大电感减小十分明显，因此dLd θ值减小，那么转矩也相应减小。

但是转矩的变化并不是线性的，有一个比较平缓的区域，大约在0.350.4mm ∼，选择气隙的时候，这个区间是比较合理的。

对于电磁转矩来说，气隙越小越好，但是转矩波动并不服从这个规律，从图7中可以看出转矩波动系数在一个特定值上有一个较小的范围。

对于本样机来说，在0.350.4mm ∼是比较合理的。

而减小或增大气隙都会增加转矩波动，带来振动和噪声。

但总体来说，气隙对转矩波动的影响并不太大。

4.3定子内外径比对双转子电机特性的影响定子内外径比是设计开关磁阻电机的一个重要参数，现在研究外电机的定子内外径比对其电磁功率的影响。

假设绕组电流为方波，并且忽略定子绕组电阻，则电磁功率有em m d P mUI K = (2)式中m ——电机相数；U ——定子绕组端电压；m I ——方波电流幅值；d K ——电机每相绕组一个开关周期的负荷系数。

由于开关磁阻电机在主开关管导通时电源向励磁绕组供电，关断时励磁绕组储存的能量续流返回电源的两个过程，返回电源的能量并不包括在电磁功率中，故负荷系数为22off on r Cd r N K N θθθππ−== (3) 在U 为恒定直流电源时，一相绕组的电压方程为d d U dt d ωθΨΨ±== (4) 其中2n ωπ=。

忽略绕组电阻，则有/m C U θωΨ= (5)可见，最大磁链出现在关断角的位置。

绕组电流有效值可写为i m I k i = (6)电流幅值定义为m m m I k i = (7)式中m i ——实际电流峰值；i k ——峰值电流系数； m k ——方波电流系数。

同普通感应电机一样，定义电机电负荷为电枢圆周表面每单位长度上导体中的总电流，对于开关磁阻电机，电枢直径为定子内径，电机的磁负荷指气隙中的平均磁通密度。

则有：ph amN IA D π=(8)22[()/4]B S BBS s ar B k B k k N A N D D N l δϕϕδπΦΦ===− (9) 式中a D ——定子内径；Φ——关断角位置下的每极主磁通； B k ——磁负荷系数； N ϕ——绕组匝数； s D ——定子外径； l δ——电枢计算长度。

由m ph N Ψ=Φ整理可得到与普通交流电机相似的基本电磁关系式，则可得电磁功率为22[()/4]6.1m em a s a i Bk N n P D D D l B A k k ϕδδ=− (10)设a s k D D =为定子内外径比，则24(1)6.1m em s i Bk N n P k kD l B A k k ϕδδ=− (11)从上式可以看出，电机的电磁功率与定子内径以及定子内外径比有一定关系的，考虑到磁路饱和等影响，k 有一个最佳值，使电磁功率可达到最大。

下面采用固定定子外径，改变转子外径的方法来分析定子内外径比对电机转矩的影响，如图8，9所示。

图8 定子内外径比与转矩的关系 图9 定子内外径比与转矩波动系数的关系从图8可以看出，定子内外径比大约在0.525∼0.55之间时，可以得到最大的电磁转矩，与理论值0.577有一点差别，原因在于绕组电流的波动影响，以及理论计算时采用了较为理想的计算公式。