构的四相8_6+极开关磁阻电机的性能仿真

对具有不同绕组结构的四相8/6极开关
磁阻电机的性能仿真
李洁孙鹤旭刘艺
河北工业大学天津 300130
【摘 要】开关磁阻电机的控制方法包括单相导通和两相导通，两相导通方式与单相导通方式相比，避免了绕组的突然切换，大大减小了电机的转矩波动，降低了电机的噪声并且提高了电机
的输出转矩。

本文介绍了两种常用的绕组排列方式，用于两相导通的四相8/6开关磁阻电
机。

传统的四相8/6开关磁阻电机绕组连接方法可以产生N-N-N-N-S-S-S-S的定子磁极布
局，磁链穿过定子轭和转子铁芯将相对的励磁定子极连接起来。

还可以利用短磁路原理将
绕组排列产生N-N-S-N-S-S-N-S的定子磁极布局，短磁路绕组布局利用相间互感激发产生
若干短磁通回路。

利用Maxwell2D对具有此两种不同绕组结构的开关磁阻电机进行仿真，
介绍了仿真建模的过程。

研究了具有常规绕组和产生短磁路绕组的两台四相8/6开关磁阻
电机的静态特性、动态特性和铁芯损耗，并进行了比较。

对比结果表明，具有产生短磁路
绕组布局的开关磁阻电机性能更佳，通过仿真得到了验证。

【关键词】开关磁阻电机绕组结构仿真
Modeling and Simulation of Four-Phase 8/6 Switched Reluctance Motor With Different Winding Configurations
Li Jie Sun Hexu Liu Yi
Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China
Abstract：This paper presents two winding configurations，one of which stimulates short flux loops to improve performance of four-phase 8/6 switched reluctance motor with two phases excited. Conventional winding configuration of four-phase 8/6 SRM with two phases excited is arranged that stimulates the N-N-
N-N-S-S-S-S stator pole layout mode. The presented winding configuration is arranged that stimulates the
N-N-S-N-S-S-N-S stator pole layout mode which use mutual coupling to encourage several short flux paths.
The simulate process of the SRM with two different winding constructer based on the Maxwell 2D software package are presented. The motors’ static characteristics and dynamic performance have been investigated and compared. Simulation results show that the motor with the winding configuration that stimulates the short loops has an inherent advantage，and the performance of the motor is evaluated and validated by simulation. The results form the basis for design considerations that can optimize performance of the motor.
Key words：switched reluctance motor；winding configuration；simulation
基金项目：国家863项目（2006AA040306）
作者简介：李洁（1981—），女，博士研究生，研究方向为电气工程及其自动化。

通信作者：孙鹤旭（1955—），男，博士，教授，研究方向为电气工程。

开关磁阻电机是上世纪八十年代出现的一种新型调速电机，采用功率电路脉冲供电，是典型的无刷电机。

开关磁阻电机由于自身特点使其应用于高速场合具有独特的优势：转子为简单坚固的实心叠片结构，无永磁材料或绕组，可以承受很高机械强度和离心力，高速性能优异、对高温等恶劣运行环境适应性好；绕组相间耦合弱，缺相故障运行能力强，相绕组串在主电路功率管之间，不会发生桥臂直通短路故障，系统的可靠性高，容错能力强；控制非常灵活，方便实现四象限运行；电机启动电流小，启动转矩大，加速性能好。

各种突出的优点，使开关磁阻电机成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。

开关磁阻电机的结构简单，但是电磁关系很复杂，高度的磁饱和特性和非线性特性对电机设计和性能预估带来了很大的不便。

利用仿真技术对开关磁阻电机进行结构的改进和优化成为重要手段。

对于一台四相8/6极开关磁阻电机来说，为两相绕组通电，任意时刻都可以产生连续转矩。

假设给绕组通以理想方波电流，电机的转速足够慢，与单相导通的开关磁阻电机相比，两相导电与单相导通的方式相比，开关磁阻电机在任意转子位置都可以产生更高的转矩，并且转矩波动较低。

本文主要针对两相导通的四相8/6极开关磁阻电机，列出二种常用的绕组排列方式。

建立了具有这两种绕组结构的电机有限元模型，对电机的性能进行仿真。

利用Maxwell 2D有限元分析软件建立模型，分析计算开关磁阻电机的非线性模型。

对电机性能的仿真结果表明，具有短磁路的开关磁阻电机输出较高转矩，同时铁耗较低。

[1][2]
1 开关磁阻电机的绕组连接方式
在相同铜损，即绕组通以同样励磁电流的基础上，开关磁阻电机的绕组一般采用正向串联的方式，可以获得较高的平均输出转矩，绕组正向串联方法，激发定子磁极分布见图1。

图1 开关磁阻电机的正向串联方式及定子磁极分布
Fig.1 Obverse-connection and the stator pole mode
常用的四相8/6极开关磁阻电机的绕组排列方式如图2所示，激发的定子磁极为N-N-N-N-S-S-S-S。

磁链穿过定子轭和转子连接相对受激发的定子极。

定子轭分为两部分承载着磁链，定子轭只有在相邻的励磁磁极中间有磁链矢量相反的地方。

利用可以产生短磁路原理排列的开关磁阻电机绕组可以激发定子磁极为N-N-S-N-S-S-N-S分布，利用相间的N-S耦合，产生若干短磁通回路。

磁链分布如图3所示，磁链通过最近的两个转子极连接了两个相邻被激发的定子极。

此时，磁路减短，磁阻减小，可以产生较大的输出转矩，而且由于铁芯中磁路体积减小，可以降低铁芯损耗。

虽然短磁路在四相8/6极开关磁阻电机的一个励磁周期中不连续，如图所示，将出现一对相邻的N-N分布，但是和常规的绕组排列电机的性能相比，还将得到很大的改善。

这在接下来的仿真结果中将得到证实。

图2 常用绕组排列及磁链分布
Fig.2 Conventional winding configuration
图3 短磁路绕组排列及磁链分布
Fig.3 Short loops winding configuration
2 利用Maxwell 2D的仿真建模
基于Maxwell 2D有限元分析软件，对一台四相8/6极开关磁阻电机样机进行性能仿真分析。

绕组排列为常用绕法的为记模型Ⅰ，为短磁路绕法的记为模型Ⅱ。

开关磁阻电机的磁链特性、静态转矩特性、稳态运行特性和电机基本损耗特性，对开关磁阻电机的性能分析和优化设计具有重要意义。

在仿真求解电机的静态特性时，需要假设电机绕组通以方波电流，电机旋转速度足够慢，两相导通的工作方式下，电机一个完整的励磁周期为60°，每相电流导通周期为30°，每步为15°。

励磁方波电流如图4所示，纵坐标为各相的电流脉冲，横坐标为转子的机械角度，规定A相转子处在不对齐位置时为0°。

图4 四相电机的励磁电流序列
Fig.4 Excitation sequences in four-phase motor
对这两个模型的建模仿真主要步骤如图5所示。

图5 主要仿真步骤
Fig.5 Simulation procedures
除了开关磁阻电机的静态特性，在实际应用中对电机的动态特性仿真和损耗计算也是相当重要
的。

Maxwell 2D瞬态仿真中给模型添加外部电路的连接，给样机连接不对称半桥功率变换电路，电机
启动时带7N.m负载，并在14A电流处斩波，绕组电流通电信号由位置函数P给定，P函数为转子的位
置函数，表1中列出了动态仿真过程中P的参数赋值。

表1 P函数参数值
Tab.1 Parameters of P function
通电相延迟角度通电机械角度通电周期
A 0 30 60
B 15 30 60
C 30 30 60
D 45 30 60
除此之外，Maxwell 2D瞬态仿真可以按照电机的工作频率50Hz，根据样机的叠片参数计算出电机
在动态过程中的铁芯损耗。

3 对具有两种绕组排列的电机性能对比
本节对模型Ⅰ和模型Ⅱ的仿真结果进行了对比。

首先对一个步进角15° 激励下的静态特性进行对比。

图6所示为磁链-电流特性图，磁链-电流曲线
所围封的面积即为电能转化的机械能量。

从图中可以发现，在一个步进角内，模型Ⅱ（短磁路）的能
量转换面积更大。

图6 磁链-电流特性图
Fig.6 Flux linkage versus current
图7是静态转矩曲线，模型Ⅱ在短磁路的作用下，在一个步进角的任意转子位置处都有较高的输出转矩，尤其是当转子极在逐渐转向与定子极对齐位置处时，短磁路产生的较高转矩尤为明显。

在这部分区域，定子铁芯的磁阻占据主导，短磁路绕组产生的较短，较低的磁阻回路提高了转矩的输出。

图8为电流-转矩曲线，模型Ⅰ和模型Ⅱ在10° 转子位置处分别在1，2，3，4，5，6，7，8，9，10A 的电流激发下（同样铜损情况下）进行仿真，结果表明，开关磁阻电机的输出转矩在短磁路的激励下会有较大的提高。

图7 静态转矩曲线
Fig.7 Static torque versus rotor position
图8 电流-转矩波形对比图
Fig.8 Phase current versus torque
实际上，当电机在基速以上运行时，由于绕组电感作用，励磁电流不能保持平顶方波形状，而且对于四相开关磁阻电机来说，短磁路在一个励磁周期中是不连续的，中间会出现N-N、S-S的磁极分
布，如图3所示。

基于第三节所述的模型，对两个电机模型进行了动态特性的仿真。

图9和图10是两个模型的动态特性对比图。

在带有相同启动负载情况下，启动到稳态的过程中，模型Ⅰ达到稳态速度为2200r/min，平均输出转矩为7.22N.m，模型Ⅱ可以达到2850r/min的稳态速度，平均输出转矩为7.92N.m。

因此，带有同等负载的情况下，具有短磁路绕组形式的电机可以在较低电流下启动运行，采用短磁路绕组排列可以有效的降低铜耗。

图9 电机启动速度曲线对比图
Fig.9 Speed profiles of the two models
图10 稳态过程的转矩波形
Fig.10 Dynamic torque profiles of two models
除此之外，基于动态过程的铁芯损耗仿真结果表明。

对于1100kW的开关磁阻样机，模型Ⅱ的铁芯损耗为55.7181W，模型Ⅰ的铁芯损耗为70.1519W。

这充分表明，应用了这种短磁路的绕组结构之后，电机的效率会提高。

并且，铁芯损耗的差异主要来源于定子轭铁芯中的损耗。

图11 动态过程的铁芯损耗对比图
Fig.11 Comparison of dynamic core loss
4 结 论
本文基于四相8/6开关磁阻电机两相导通的工作方式，对具有两种不同绕组连接形式的开关磁阻电机，进行了详细的分析和仿真，对于常规的绕组连接方式电机和具有产生短磁路绕组连接方式的电机模型进行了详细的分析，对比了两台电机的静态特性、动态特性和铁芯损耗。

结果表明，具有产生短磁路绕组的电机在两相导通的情况下可以产生短磁通回路，在建立相同强度磁场的情况下可以降低励磁电流，降低铜耗，并且利用短磁通回路减少了铁芯损耗。

通过仿真的手段，证明短磁路带来的性能提高是有效的。

感谢董教授、郑教授在作者撰写此文时提供的热情帮助！
参考文献
[1] 詹琼华. 开关磁阻电机. 武汉：华中理工大学出版社，1992.
[2] 吴建华. 开关磁阻电机的设计理论及损耗计算的研究，武汉：华中理工大学，1994.。