開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張向龍，楊燕翔，王 軍，范鎮(zhèn)南，劉占千

(西華大學(xué)，成都 610039)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張向龍，楊燕翔，王 軍，范鎮(zhèn)南，劉占千

(西華大學(xué)，成都 610039)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜和在惡劣環(huán)境下可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為工業(yè)應(yīng)用中的一種新型電機(jī)。在分析國(guó)內(nèi)外開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)地闡述了該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了探討與展望。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；發(fā)展動(dòng)態(tài)

0 引 言

作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)在石油、航空、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域得到了發(fā)展和廣泛應(yīng)用。然而這種電機(jī)自身存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲明顯等缺陷，對(duì)其在某些特殊場(chǎng)合的進(jìn)一步應(yīng)用造成了不利的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，為了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)性能，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開(kāi)展了廣泛、系統(tǒng)和深入地研究工作，取得了一些具有建設(shè)意義的成果。因此，對(duì)上述研究工作，進(jìn)行合理有序的梳理和評(píng)述，不但有利于掌握該領(lǐng)域研究動(dòng)態(tài)，更有助于優(yōu)化該領(lǐng)域發(fā)展思路。

鑒于此，本文在收集國(guó)內(nèi)外開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行了較為全面系統(tǒng)的探討、分析與展望，以求能夠?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行檢修水平的進(jìn)一步提升，提供有益參考。

1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)理論體系和計(jì)算電磁學(xué)的不斷發(fā)展為電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，以國(guó)外的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、利茲大學(xué)、東京理科大學(xué)，國(guó)內(nèi)的南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)為代表的科研機(jī)構(gòu)，提出了許多新型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)改善其性能，基本可以概括為3個(gè)方面：定子繞線方式優(yōu)化、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、勵(lì)磁方式優(yōu)化。

1.1 定子繞線方式優(yōu)化

繞組的連接方式直接影響到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布，不同的繞線方式下電機(jī)的性能有很大的不同。繞組的連接方式分為整距繞組和短距繞組，根據(jù)相對(duì)極磁場(chǎng)的方向又可以分為正向串聯(lián)和反向串聯(lián)。單相通電時(shí)，相應(yīng)磁場(chǎng)分布如圖1、圖2所示。文獻(xiàn)[4]分析了繞組正向串聯(lián)和反向串聯(lián)時(shí)自感、互感、磁場(chǎng)分布等存在的差異，特別對(duì)于反向串聯(lián)的三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，通過(guò)有限元分析得到了其自感和互感波形，為繞組的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)多采用短距繞組，由式(2)中可知，轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要依賴于繞組自感的變化。

圖1 正向串聯(lián)磁場(chǎng)分布圖2 反向串聯(lián)磁場(chǎng)分布

短距繞組時(shí)，電流只能在電感上升階段導(dǎo)通，因此每相繞組最大導(dǎo)通時(shí)間為1/3通電周期。文獻(xiàn)[5-8]將靜態(tài)有限元分析引入了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)繞組分析，研究了整距繞組時(shí)相電流導(dǎo)通情況。采用整距繞組時(shí)，轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要依賴于兩相之間的互感，轉(zhuǎn)矩可表示為：

(1)

式中：ia,ib為兩相電流，Mab為兩相互感。因此相電流的導(dǎo)通時(shí)間相比與短距繞組時(shí)增加了一倍，提高了繞組的利用率。

另一方面，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于電感下降區(qū)時(shí)，對(duì)繞組通以負(fù)向電流，如此在電感下降區(qū)域也可以產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的區(qū)間。文獻(xiàn)[9]對(duì)比分析了短距繞組和整距繞組對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響；文章中對(duì)電機(jī)施以轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，表明在低速時(shí)整距繞組對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制有較大優(yōu)勢(shì)。

1.2 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以改善電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布，從而達(dá)到改善電機(jī)性能的目的，因此目前主要研究都集中在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上。由麥克斯韋張量法可知，通過(guò)改變磁密的徑向分量和切向分量可以改變徑向力波和切向力波。文獻(xiàn)[10-11]利用上述理論提出了兩種不同的轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)。前者在轉(zhuǎn)子齒和軛中加入空氣氣隙，后者在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽，二者都達(dá)到了增大徑向磁密、減小切向磁密的效果，有利于增大電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)和圖3(b)所示。邊緣磁通是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)重要原因，它產(chǎn)生于定轉(zhuǎn)子重疊前。文獻(xiàn)[12]中通過(guò)在轉(zhuǎn)子齒一側(cè)增加一個(gè)V型槽口，減小了邊緣磁通的影響，提高了電感曲線的線性程度，從而減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，顯然此結(jié)構(gòu)只適合于電機(jī)單方向轉(zhuǎn)動(dòng)。文獻(xiàn)[13]提出了一種氣隙寬度不均勻的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使氣隙沿著電機(jī)旋轉(zhuǎn)(假定逆時(shí)針)方向越來(lái)越窄，如圖3(d)所示，仿真結(jié)果表明該方法能夠有效的減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[14]將矩形轉(zhuǎn)子齒和梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元對(duì)比分析，結(jié)果表明梯形轉(zhuǎn)子齒可以產(chǎn)生更大的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[15]采用了一種新型定轉(zhuǎn)子極末端形狀，如圖3(e)所示，該結(jié)構(gòu)可以增大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線在上升階段的斜率，從而提高換相時(shí)兩相轉(zhuǎn)矩交叉點(diǎn)，降低了換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩跌落，成功地抑制了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且提高了平均轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[16-17]將永磁電機(jī)中成功應(yīng)用的雙定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)引入到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中。其中文獻(xiàn)[16]提出將兩個(gè)6/4結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)并行連接在一起，其中一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相對(duì)于另一個(gè)有30°的位置偏移，從而使一個(gè)轉(zhuǎn)子處于完全對(duì)齊狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子處于剛對(duì)齊的狀態(tài)。同兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置沒(méi)有偏移時(shí)相比，該結(jié)構(gòu)可減小20%左右的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[17]在傳統(tǒng)雙機(jī)械輸出口電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)定子軛部輔助繞組施加不同方向的電流，可以改變內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩分配，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外轉(zhuǎn)子輸出功率的調(diào)節(jié)。

(a)帶氣隙的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(b)轉(zhuǎn)子兩側(cè)開(kāi)槽結(jié)構(gòu)

(c)V型槽口轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(d)傾斜的定子極面結(jié)構(gòu)

(e) 新型定、轉(zhuǎn)子極末端形狀

1.3 勵(lì)磁方式的優(yōu)化

混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不僅繼承了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且可以更加有效的調(diào)節(jié)和控制氣隙磁場(chǎng)，因此也成為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)最早起源于美國(guó)電機(jī)專家T.A.LIPO等人提出的一種雙凸極永磁電機(jī)[18]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。電機(jī)中永磁體采用鐵氧體，通過(guò)調(diào)節(jié)相電流的方向，即可增加或減弱氣隙磁場(chǎng)。但由于鐵氧體剩磁較低，只能通過(guò)增加直流場(chǎng)控繞組的方式提高氣隙磁通密度，從而使銅耗增加，效率降低。文獻(xiàn)[19]提出了一種帶有永磁體和輔助繞組的混合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。定子軛設(shè)計(jì)成正方形，兩個(gè)對(duì)角分別放置輔助繞組和永磁體，輔助繞組通以直流電時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩和效率都得到了明顯提高。文獻(xiàn)[20]僅在定子齒中嵌入了永磁體，相比與文獻(xiàn)[19]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)體積得到了有效的減小。該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在定子勵(lì)磁中并聯(lián)了一個(gè)永磁體磁源，在輸入勵(lì)磁電流不變的情況下，可以提高氣隙磁場(chǎng)的飽和程度，增大了平均輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)利用率，但由于永磁體位于定子齒中，使定子齒的磁阻增大，會(huì)對(duì)勵(lì)磁電流產(chǎn)生一定的影響。文章還對(duì)永磁體安裝方向和繞組電流通電方向之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，指出如果永磁體固定以后，則電流方向隨之固定，這點(diǎn)有別于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

圖4 首次提出的雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)圖5 帶輔助繞組和永磁體的新型結(jié)構(gòu)

2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁場(chǎng)逆問(wèn)題優(yōu)化

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，新型智能算法在電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將智能優(yōu)化算法和電磁場(chǎng)正問(wèn)題相結(jié)合，構(gòu)成電磁場(chǎng)逆問(wèn)題應(yīng)用在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中成為一個(gè)重要的優(yōu)化方向。電磁場(chǎng)逆問(wèn)題是根據(jù)給定的電機(jī)性能要求，求解電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在文獻(xiàn)[21]中將單位體積出力的比功作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

(2)

式中：f(X)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，Da為轉(zhuǎn)子外徑，la為鐵心長(zhǎng)度，P為輸出功率。取定轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑和極弧寬度等8個(gè)變量參數(shù)，用遺傳算法進(jìn)行最優(yōu)求解，并在求解過(guò)程中考慮了開(kāi)通角系數(shù)和關(guān)斷角系數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[22]采用了多目標(biāo)函數(shù)，用遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在保證輸出轉(zhuǎn)矩較大的同時(shí)減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[23]采用了遺傳算法和模擬退火算法分別對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化求解，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[24]首先通過(guò)有限元分析獲取了平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的相關(guān)敏感參數(shù)，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，得到了較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，最后利用粒子群算法對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行共同優(yōu)化，得到了理想的優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)[25]將粒子群算法與文化算法相結(jié)合，構(gòu)建了文化粒子群優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了不同空間群體的并行優(yōu)化，提高了優(yōu)化精度與效率，并將其用于多目標(biāo)優(yōu)化，在有效提高電機(jī)效率的同時(shí)，大幅減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

新型智能優(yōu)化算法為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大幫助，但其還是存在一定的缺陷。例如在遺傳算法中，匹配集N的取值對(duì)優(yōu)化結(jié)果有很大的影響。如果N取得過(guò)小，則難以獲取全局最優(yōu)解；如果N取得過(guò)大，則會(huì)降低優(yōu)化效率。因此對(duì)算法本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、將多種優(yōu)化算法結(jié)合應(yīng)用以及探索新的優(yōu)化策略，從而進(jìn)一步提高優(yōu)化效率，將是該方向的工作重點(diǎn)。

3 發(fā)展動(dòng)態(tài)展望

隨著開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的不斷發(fā)展，電機(jī)容量需求也逐漸變大，因此損耗發(fā)熱成為電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須要考慮的問(wèn)題。采取必要的措施來(lái)降低損耗，抑制發(fā)熱，從而提高電機(jī)壽命也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。目前，關(guān)于損耗的研究，大多集中于損耗的計(jì)算分析，如何通過(guò)優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)降低損耗，提高電機(jī)的散熱效率將具有很高的研究?jī)r(jià)值。

針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)單一性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法已經(jīng)很多，但是隨著優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化正逐漸成為優(yōu)化發(fā)展的主要方向，例如將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制和損耗的抑制作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前人們已經(jīng)具備從綜合物理場(chǎng)(電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的等)的角度研究電機(jī)內(nèi)物理現(xiàn)象的能力[34]，同時(shí)也具有了更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)工具，針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化將是未來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電磁場(chǎng)逆問(wèn)題實(shí)際上是將電機(jī)的電磁場(chǎng)分析與優(yōu)化算法相結(jié)合，以求更加精確地求解電機(jī)參數(shù)，進(jìn)一步提高優(yōu)化結(jié)果。但目前仍然存在算法的收斂速度不高等問(wèn)題，難以滿足三維、耦合問(wèn)題等較復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算要求[39]。隨著優(yōu)化算法效率的提高和電磁場(chǎng)計(jì)算方法的發(fā)展，電磁場(chǎng)逆問(wèn)題在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)化中將越來(lái)越深入。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文較詳盡地總結(jié)評(píng)述了當(dāng)前開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的情況，基本涵蓋了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的主要方向，并對(duì)該電機(jī)未來(lái)優(yōu)化發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了總結(jié)分析，為該電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定的參考意義。

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CurrentStatusandDevelopmentTrendsoftheStructureOptimizationofSwitchedReluctanceMotor

ZHANG Xiang-long,YANG Yan-xiang,WANG Jun,FAN Zhen-nan,LIU Zhan-qian

(XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Theswitchedreluctancemotor(SRM)hasbeenanewtypeelectronicmachineinindustrialapplicationsbecauseofitssimplestructure,lowcostandhighreliabilityinthesevereenvironmentandsoon.BasedontheanalysisofthedomesticandinternationaltechnicalliteraturesforthestructureoptimizationabouttheSRM,theresearchstatusanddevelopmenttrendsinthefieldwereminutelydescribed.Meanwhile,thefuturedirectionwasalsodiscussedandexpected.

switchedreluctancemotor(SRM);structureoptimization;developmenttrends

2016-06-23

四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16ZA0155)

TM

A

1004-7018(2017)01-0077-04