開關磁阻電機定子凸極對振動特性的影響研究

馬彬彬,吳志學

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇揚州225009；2.泰州職業技術學院機電技術學院，江蘇泰州225300）

開關磁阻電機定子凸極對振動特性的影響研究

馬彬彬1，2,吳志學1

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇揚州225009；2.泰州職業技術學院機電技術學院，江蘇泰州225300）

振動、噪聲是開關型磁阻電動機調速系統較突出的問題和研究難點，為了深入了解SR電機定子凸極對其振動特性的影響，以有限元分析軟件ANSYS為工具，建立研究SR電機定子凸極振動特性的2D、3D有限元分析模型，研究SR電機定子凸極對其固有頻率和振動模態的影響。

開關磁阻電機；定子凸極；振動；固有頻率

開關磁阻電機(Switehed Reluetanee Motor，簡稱SRM)是20世紀80年代才正式進入應用領域的一種交流調速電動機新品種。其調速系統（Switched Reluctance Drives，簡稱SRD） 是20世紀80年代發展起來的一種新型交流調速系統。

1 SR電機的基本結構﹑原理與特點

SR電機是雙凸極可變磁阻電機，其定﹑轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯構成一個兩極，成為“一相”。SR電機可以設計成多種不同相數結構，且定﹑轉子的極數有多種不同的搭配，圖1所示為三相(6/4極)SR電機結構原理圖[1]。SR電機的運行原理亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。圖1中，當定子A-A’極受到勵磁時，轉子受到磁力，就會順時針方向旋轉，并使A相勵磁繞組的電感變為最大，如果以圖中的相對位置為起始位置，依次給A,B,C相繞組通電，轉子就會順時針方向連續旋轉。反之，如果依次給B,A,C相繞組通電，轉子就會按逆時針方向連續旋轉。可見，SR電機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖1中可以看出，當主開關器件S1、S2導通時，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當S1、S2關斷時，繞組電流經續流二極管VD1、VD2繼續流通，并回饋給電源U。因此，SR電機傳動的共性特點是具有再生作用，系統效率高[2，3]。

圖1 三相6/4極SRM基本結構示意圖

2 SR電機定子凸極有限元分析模型分析

本文所研究的SR電機樣機為定子鐵心外徑為130mm的8/6極SRM，其機殼軛厚為7mm；機殼長度為140mm；冷卻筋尺寸（梯形）：2.5×4×15mm，定子磁極數8，轉子磁極數6。電機材料如表1所示。

表1 SRM的材料參數

圖2中模型2D-0為不考慮定子凸極影響所建的模型；模型2D-1、2D-2、2D-3分別為在定子鐵心分布1個、4個、8個凸極的二維有限元分析模型。模型選用的單元類型為PLANE82，使用ANSYS提供的智能網格劃分，分析類型選用分塊的蘭索斯（Block Lanczos） 法，求解的模態數選擇為30[4]，擴展的模態數選擇為30，因此，可以求解得到比較高的模態階數。本次分析沒有添加任何約束和載荷。由二維模型進行有限元分析后得出分析結果見表2。

圖2 2D有限單元模型

表2 2D有限元分析結果

對比表2，可以得出如下結論：凸極結構對定子振動特性的影響較大。2D-0、2D-2、2D-3雖然都是圓對稱結構，但對于無限圓2D-0對稱結構，每階振型都只有一個模態，而對于有限元對稱結構2D-3，2階和3階振型中都只出現一個固有頻率，4階、5階振型中都會出現多個模態。定子凸極的存在使得其在圓周出現不對稱結構，導致其在某階振型中對稱模態和不對稱模態顯著不同。這種同階振型中對稱模態和不對稱模態的差異性與定子凸極的數目有關，因為定子凸極數目影響著定子圓周的不對稱性，模型2D-1在圓周上只分布一個凸極，其不對稱性在圖3的所有模型中最強，而模型2D-3在圓周上分布8個凸極，其不對稱性在圖3的所有模型中最弱。在增加凸極的情況下，電機固有頻率下降，比較2D-1、2D-2、2D-3的頻率，發現在都有凸極存在的前提下，凸極個數的適當增減對同階次固有頻率大小影響不是很大。

為了分析定子凸極2D模型和3D模型有限元分析結果對電機振動特性的影響是否有差異，建立3D有限元模型（如圖3），三維模型選用的單元類型為SOLID92，分析類型仍選用分塊的蘭索斯（Block Lanczos）法，考慮到三維模態的復雜性，求解的模態數選擇為50，擴展的模態數選擇為50。其中3D-1、3D-2、3D-3分別為在定子鐵心分布1個、4個、8個凸極的三維有限元分析模型。

圖3 3D有限單元模型

經過3D有限元分析，可以得出結論，3D凸極結構對定子振動特性的影響也較大。盡管3D凸極結構對定子振動特性的影響不像2D凸極結構對定子振動特性的影響那樣有明顯的規律，但是其特性基本相似，例如在圓周上只有一個凸極時，其不對稱性是所有模型中最強的。比較2D、3D有限元模型凸極結構對定子振動特性的影響，列出其二階固有頻率對比（如表3），不難發現相同凸極結構時，3D二階振型的固有頻率比2D二階振型的固有頻率大，但是比較固有頻率數值，相差并不是很大。因此，對于開關磁阻電機定子振動特性進行有限元分析時，用2D代替3D進行簡化是合理可行的，可以只建立2D模型。

表3 2D、3D凸極結構對定子振動特性影響的二階固有頻率對比

[1]王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術[M].北京:機械工業出版社,1995.

[2]王宏華,陳永校,許大中,等.開關磁阻調速電機定子振動抑制[J].電工技術學報,1998,(3):9-12.

[3]詹瓊華.開關磁阻電動機[M].武漢:華中理工大學出版社,1992.

[4]王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,2001.

（責任編輯 李冠楠）

Electro-motor Stator's Structure on the SRM Vibration Characteristics

MA Bin-bin1,2，WU Zhi-xue1
(1.College of Mechanical Engineering Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225009,China;2.Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China)

Vibration and noise is the prominent question and research difficulties in SRD，in order to deeply understand the the affect of the stator saliency on the SRM vibration characteristics，this paper constructs 2D,3Dmodels of SRM and analyzes the vibration model with the finite element analysis software ANSYS,and studies the affect of the stator's structure on the SRM vibration characteristics.

switch reluctance motor；stator saliency；vibration；inherent frequency

TM352

A

1671-0142（2011）01-0032-02

馬彬彬（1979-），女，江蘇泰州人，講師.