影響橫向磁場開關磁阻電機性能的主要因素研究

張學毅，馬曉光，朱永祥

(湖南工業大學，湖南株洲412000)

0 引 言

橫向磁場開關磁阻電機(以下簡稱TFSRM)是根據“磁阻最小”原理設計的雙凸極磁阻電動機，其運動方向與主磁路垂直，結構簡單;由它所構成的調速系統可控參數多，可靠性高，起動轉矩大，在寬廣的轉速和功率范圍內效率高，易于實現正向起動和制動、反向起動和制動。TFSRM的最大缺陷是轉矩脈動大，噪聲大，轉矩脈動會對低速車輛運行的平穩性產生影響等。為了使TFSRM在應用中揚長避短，有必要對影響TFSRM性能的主要因素進行分析，從而優化TFSRM的結構參數。

1 影響TFSRM輸出轉矩的因素

在普通徑向電機中，由于齒槽結構的原因，電機極數不易過多;而TFSRM一般運行在低速大轉矩狀態，可采用增加極數、減少極距的方法來提高電磁轉矩。但是，深入研究表明:TFSRM的輸出轉矩并不隨極數增加而增加，原因是TFSRM極數增加時，極距將減小，鐵心磁飽和度和漏磁將增加，輸出轉矩降低。因此，欲進一步提高TFSRM的輸出轉矩，可采用減小漏磁、屏蔽漏磁通的方法來實現，如:在電機的定子、轉子鐵心靠近氣隙的側面貼裝永磁體，如圖1所示，利用與漏磁通方向相反的永磁體磁通屏蔽漏磁通，減小漏磁，仿真結果表明采用永磁屏蔽能增加TFSRM的輸出轉矩。

圖1 有永久磁鋼的TFSRM總體結構

1.1 TFSRM氣隙磁場分析

電機的輸出轉矩與電機的氣隙磁場密切相關，下面應用三維等效磁網絡法對無永磁屏蔽和有永磁屏蔽的兩臺TFSRM樣機進行氣隙磁場分析。

1.1.1 無永磁屏蔽的TFSRM氣隙磁場

當轉子槽中心線與定子齒極中心線重合時，定義轉子位置角為0°電角度。圖2給出了當轉子位置角為60°電角度，無屏蔽樣機在電樞繞組電流為10 A時TFSRM樣機的氣隙磁場分布情況。

圖2 無永磁屏蔽TFSRM電角度的氣隙磁密分布

1.1.2有永磁屏蔽的TFSRM氣隙磁場

TFSRM的磁路高度飽和，磁路越飽和，漏磁就越多。如果能降低TFSRM的漏磁，就可以降低其損耗，優化其性能。基于上述方法，在電機的定子、轉子鐵心靠近氣隙的側面貼裝永磁體磁鋼，使永磁體的極性與轉子、定子鐵心的漏磁通方向相反，就能屏蔽漏磁，增加氣隙磁密，從而增大TFSRM的輸出轉矩。圖3給出了有屏蔽TFSRM、轉子位置角為60°電角度、電樞繞組電流為10 A時氣隙磁場分布情況。

圖3 有永磁屏蔽TFSRM 60°電角度的氣隙磁密分布

由圖2和圖3可以看到，有永磁屏蔽的樣機氣隙磁場變化率大。為方便比較TFSRM有屏蔽樣機與無屏蔽樣機氣隙磁密的變化情況，圖4給出了無屏蔽和有屏蔽兩臺樣機在60°電角度時徑向曲線分布。

圖4 TFSRM樣機氣隙磁密徑向曲線

由圖2～圖4得到結論:有永磁屏蔽的TFSRM的漏磁比無永磁屏蔽的TFSRM的漏磁小，前者磁通的最小值小于后者磁通的最小值，前者磁通的最大值大于后者磁通的最大值，說明當繞組電流相同時，有永磁屏蔽的TFSRM的磁通變化率比無永磁屏蔽的TFSRM磁通變化率大，其輸出轉矩也更大。

1.2 TFSRM系統仿真分析

根據在MATLAB/Simulink中建立的TFSRM模型，電樞繞組電流設為10 A，分別對無永磁屏蔽的TFSRM與有永磁屏蔽的TFSRM進行轉矩仿真，如圖5和圖6所示。

圖5 無永磁屏蔽的TFSRM樣機轉矩波形

圖6 有永磁屏蔽的TFSRM樣機轉矩波形

由圖5和圖6可以看出:無永磁屏蔽的TFSRM平均輸出轉矩約為7 N·m，有永磁屏蔽的TFSRM平均輸出轉矩約為12 N·m，提高近42%，驗證了前面對TFSRM分析是正確的。

2 TFSRM主要參數對其性能的影響

電機性能主要指電機的電磁轉矩，在理想條件下，電機的電磁轉矩可表示:

式中:Tem為一相電磁轉矩;Pem為一相電磁功率;ω為角速度;e為反電勢;ψ為磁鏈;i為電樞電流;N為繞組線圈圈數;Φ為磁通。

TFSRM是依靠改變其磁阻來產生電磁轉矩的，其總輸出轉矩是各相繞組產生轉矩之和。研究樣機主要尺寸對TFSRM電磁轉矩的影響，能優化TFSRM的主要參數，提高TFSRM的性能。如:通過增加定子凸極寬度以及增加每相對應的定子凸極數目，合理有效地控制各繞組轉矩的波形分配，則可降低TFSRM的轉矩脈動，使總輸出轉矩保持平穩，減小電機運行噪聲。下面分析主要參數對TFSRM性能的影響。

2.1 定子鐵心厚度Ws對輸出轉矩的影響

實驗分析表明:TFSRM其它參數不變，只改變其定子鐵心厚度，將引起TFSRM輸出轉矩的變化。當定子、轉子鐵心中心對齊時，定子鐵心厚度與漏磁系數的關系如圖7所示。由該圖可以看出，當Ws與極距τp的比值在0.65左右時，可得到最小的漏磁系數，TFSRM輸出轉矩達到最大值。定子鐵心太薄或太厚都會導致漏磁增加，圖8為實驗得出的在一對磁極下，不同Ws/τp與電磁轉矩的關系曲線，當極距τp不變，定子鐵心厚度增加，即Ws/τp增加時，TFSRM輸出轉矩將增加;但Ws＞0.86τp時，TFSRM輸出轉矩又逐漸降低，定子鐵心厚度Ws與極距τp的比值在0.8左右時，TFSRM輸出轉矩最大。

2.2 極距τp對輸出轉矩的影響

圖9為實驗得出的TFSRM極距與電磁力密度之間的關系曲線。

圖9 極距與電磁力密度的關系

從圖9可以看出，隨著TFSRM極距τp減小，其電磁力密度按比例提高，但當TFSRM極距τp過小時，其電磁力密度不再增加，反而下降。在TFSRM極距τp=24mm附近，電磁力密度取得最大值，TFSRM電磁轉矩最大，當τp＜20 mm和τp＞30 mm時電磁力密度迅速下降，TFSRM電磁轉矩變小。

2.3 氣隙長度δ對輸出轉矩的影響

氣隙長度δ是設計TFSRM時的一個重要參數。氣隙δ的數值決定于定子內經、軸的直徑和軸承間的轉子長度，定子內圓和轉子外圓的不同心度決定了氣隙的不均勻。氣隙的變化會影響TFSRM的電磁轉矩、加工難度和制造成本。實驗得出了在180°轉子位置時TFSRM漏磁系數與其氣隙長度的關系如圖10所示，TFSRM輸出平均轉矩與其氣隙長度的關系如圖11所示。

由圖11可知，當TFSRM氣隙長度增加時，將導致其輸出轉矩下降。因此，為優化TFSRM性能，應通過設計磁路，使其氣隙長度不能過大，但也不宜取得太小。若取得太小，將增加TFSRM的轉矩波動和它的裝配難度。

2.4 其它參數對輸出轉矩的影響

利用有限元分析，當TFSRM轉子、定子外徑比約在0.52時，TFSRM輸出的轉矩最大;另外，定義電機的等效軸向長度與極距之比為λ，TFSRM的輸出轉矩還受λ的影響，當λ合適時，TFSRM的輸出轉矩才大于相同電樞直徑體積的徑向磁場電機。

由于TFSRM雙凸極結構和其磁路飽和的影響，合成轉矩存在諧波分量，導致TFSRM輸出轉矩不恒定，使電機低速運行時有較大的轉矩脈動，分析表明:外凸圓弧形定子結構齒極的設計能有效降低TFSRM的轉矩脈動和運行噪聲。

TFSRM線圈電感是轉子位置角和相電流的函數，欲通過增大電感對位置角的變化率來增大TFSRM的輸出轉矩，需選擇定子齒極數多于轉子齒極數來實現。分析表明:相電感的最大值與相電流的最大值成反比，與相繞組匝數的平方成正比，因此如果減小相繞組匝數就會顯著增加相電流的最大值，從而顯著增加TFSRM的輸出轉矩。這樣，可以通過增大電流來增大電磁轉矩，還可通過改變繞組的通電時刻來改變轉矩的方向。

3 結 語

本文對無永磁屏蔽和有永磁屏蔽的TFSRM進行了磁場分析，表明具有永磁屏蔽的TFSRM能提高輸出轉矩;分析了定子鐵心厚度、極距、氣隙長度等因素對TFSRM性能的影響，這些參數合適時TFSRM可以獲得最佳性能。分析TFSRM的性能，對其應用有重要的價值。開展電機優化設計的深層次研究，進一步解決TFSRM轉矩脈動大等主要性能缺陷是當前亟待解決的問題。

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