基于新型定子極面結構的開關磁阻電機轉矩脈動抑制研究

張向龍, 王 軍, 楊燕翔, 范鎮南, 劉占千

(西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039)

基于新型定子極面結構的開關磁阻電機轉矩脈動抑制研究

張向龍, 王 軍, 楊燕翔, 范鎮南, 劉占千

(西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039)

為抑制開關磁阻電機(SRM)轉矩脈動，提出了一種新型定子極面結構，將傳統均勻氣隙結構改成兩段式的非均勻氣隙結構。以一臺11 kW、1 000 r/min、12/8極SRM為例，通過建立二維場路耦合時步有限元模型，對此類結構進行了驗證與優化。結果表明：此類結構能夠在保證電機效率基本不變的情況下，有效抑制轉矩脈動,為進一步提升SRM的設計與運行水平，提供了有益的參考。

開關磁阻電機；非均勻氣隙；轉矩脈動；定子極面

0 引 言

作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)以其結構簡單、起動轉矩大、可靠性高等優點[1-2]，在煤炭、航空、石油等領域，具有廣闊應用前景。但與此同時，由于其電磁結構尚不夠成熟，致使其內部磁場分布不盡合理，進而對其運行控制品質產生了負面影響，以致其在實際運行中，常常面臨轉矩脈動過大的問題，對其進一步推廣應用造成了極為不利的影響。因此，很有必要從其電磁結構優化設計入手，開展轉矩脈動抑制的研究工作。

近年來，基于電機電磁結構優化來抑制SRM轉矩脈動的研究越來越廣泛。文獻[3]通過在轉子極身添加小孔來優化電機內部電磁場的分布，并且在定子磁極上添加楔形角，減小定轉子接觸時的轉矩突變，從而減小轉矩脈動。文獻[4]通過在轉子齒和軛中加入空氣氣隙，增大徑向磁密，減小切向磁密，達到了減小轉矩脈動的目的。文獻[5]通過在轉子齒一側增加一個V型槽口，減小了邊緣磁通的影響，有效抑制了轉矩脈動。文獻[6]采用整距繞組，通過改變定轉子極端的形狀，提高轉矩曲線在上升階段的斜率，取得了較為理想的轉矩脈動抑制效果。但截至目前，通過優化定子極面結構，改變氣隙形狀，進而優化磁場分布，抑制轉矩脈動的研究工作，尚有待進一步開展。

為此，本文提出了一種SRM新型定子極面結構，通過構造不均勻氣隙，在保證電機效率基本不變的前提下，實現對轉矩脈動的有效抑制。

1 SRM定子極面結構設計方案

根據電機電磁場與電機設計理論可知：單純放大SRM氣隙，雖然可以有效抑制其轉矩脈動，但卻會導致電機效率下降[7-9]。為同時滿足SRM轉矩抑制與運行效率兩方面的要求，本文通過改變其定子極面形狀，將其氣隙設計為兩段式非均勻結構：前一部分沿著電機旋轉方向氣隙逐漸減小，后一部分氣隙保持不變，即前一部分為非均勻氣隙，后一部分為均勻氣隙,如圖1所示。圖1中,d表示非均勻氣隙的偏心距離，W表示定子極弧弧長，H表示非均勻氣隙極弧弧長。

圖1 新型的定子極面結構

2 SRM樣機設計方案與場路耦合分析模型

2.1 樣機設計方案

為驗證上述結構對轉矩脈動的抑制效果。以1臺11 kW、1 000 r/min、12/8極SRM為例，建立其二維場路耦合時步有限元分析模型，分析其轉矩狀況。與此同時，為得出較優的兩段氣隙長度比例，對不同的兩段氣隙長度比對應的設計方案，進行了轉矩狀況對比分析。相關電機設計參數與結構方案如表1、表2所示。

2.2 SRM磁場數學模型

本文選取整個SRM的二維截面作為磁場求解區域，如圖2所示。

表1 樣機的基本參數

表2 結構設計方案

圖2 求解域與網格剖分

在求解區域內，忽略電機的渦流及端部效應，加入邊界條件，則該電機在直角坐標系下的二維磁場邊值問題可表述如下：

(1)

式中：Az——矢量磁位的z軸分量;Jz——繞組區域電流源密度;S_OUTER——定子外徑邊界，滿足第一類齊次邊界條件。

為了研究此類結構SRM的穩態轉矩特性，本文建立了三相繞組的控制電路，將外電路方程和磁場方程結合起來進行求解。控制電路采用三相不對稱半橋拓撲結構，如圖3所示。

圖3 控制電路

根據圖3可得，第k相繞組的電壓平衡方程為

(2)

式中:U——繞組端電壓;Rk、ik——繞組電阻和繞組電流;Ψk——相繞組磁鏈。

3 計算結果分析

圖4 不同d時的仿真結果

圖4為H/W=0，d=0～3.0 mm時單相電感、電流、轉矩的波形曲線。由圖4(b)可見，隨著d的增加，轉矩波形逐漸接近平頂波。當d=3.0 mm時，可以得到最優的轉矩波形。轉矩脈動系數曲線如圖5所示。但另一方面，由圖4(c)可見，隨著d的增加，相應的相電流也會逐漸增大，將會導致電機效率下降。不同d時，電機的效率曲線如圖6所示。

圖5 不同d時轉矩脈動系數

圖6 不同d時的效率曲線

上述結果表明，僅通過偏移定子極弧的圓心，使氣隙沿著電機旋轉方向逐漸減小，雖然可以獲得較為理想的脈動抑制效果，但與此同時仍會導致電機效率的下降。因此，在方案1的基礎上，將其改進為兩段式的氣隙結構，前半部分為非均勻氣隙結構，后半部分為均勻氣隙結構，即方案2。

圖7 不同H/W時的仿真結果

由于氣隙的增大會導致電機效率的下降，因此非均勻氣隙部分應選取較小的偏心距離d。本文在方案2中選取d=1.0 mm，對不同的H/W取值進行了二維有限元分析,如圖7所示。由圖7(a)可見，隨著H/W的增大，轉矩脈動先減小，然后逐漸變大，在H/W=15%時，可以獲得最小的轉矩脈動。由圖7(b)可見，當H/W較小時，對效率影響很小，當H/W大于15%以后，隨著H的增大，電機效率將會逐漸減小。因此當H/W=15%時，既可以保證電機效率基本不變，又能有效地抑制轉矩脈動。

圖8 原始結構與新型結構的轉矩對比

圖8為當H/W=15%時，原始結構和新型結構合成轉矩的對比。一方面，在區域Ⅰ中，新型結構提高了相鄰兩相轉矩交叉點，起到了“填谷”的效應。另一方面，在區域Ⅱ中，轉矩波形得到了有效改善，接近于平頂波，起到了“削峰”的效應。相比于原始結構，該結構的轉矩脈動下降了30%，對于轉矩脈動的抑制起到了較好的作用。

4 結 語

本文提出了一種新型的定子極面結構，使氣隙分為非均勻和均勻兩個部分，通過有限元仿真分析，得到了最優的結構參數。該結構在保證電機效率基本不變的情況下，可以有效地抑制轉矩脈動，對于SRM結構的優化具有較高的借鑒價值。

[1] 鄭澤東,李永東.永磁同步電機控制系統綜述[J].伺服控制，2011,12(4)： 21-23.

[2] 吳建華.開關磁阻電機設計與應用[M].北京: 機械工業出版社,2000.

[3] 王勉華,張樸.基于有限元法的開關磁阻電機結構優化[J].電機控制與應用,2015,42(4): 27-29.

[4] HUR J, KANG G H. Design and optimization of high torque, low ripple switched reluctance motor with flux barrier for direct drive[C]∥ IEEE Proceedings: Industy Application Conference, 2004: 407.

[5] JIN W L, HONG S K. New rotor shape design for minimum torque ripple of SRM using FEM[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40(2): 754-757.

[6] GARIP M, OZOGLU Y. An approach torque ripple reduction in fully pitched switched reluctance motors by pole tip shaping[C]∥ IEEE Proceedings: Electrotechnical Conference, 2002: 157-161.

[7] 張京軍,張海軍,王利利.開關磁阻電機非線性特性的有限元計算[J].電機與控制應用,2007,34(9): 31-34.

[8] 張鑫,王秀和,楊玉波,等.基于轉子齒兩側開槽的開關磁阻電機振動抑制方法研究[J].中國電機工程學報,2015,35(6): 1508-1515.

[9] 宋受俊,葛樂飛,張蔓.開關磁阻電機多目標協同優化設計[J].電機與控制學報,2015,19(1): 68-75.

引領技術發展趨勢 報道經典實用案例 反映行業最新動態

New Stator Pole Shape of Switched Reluctance Motor for Torque Ripple Reduction

ZHANGXianglong,WANGJun,YANGYanxiang,FANZhennan,LIUZhanqian

(School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to suppress the torque ripple in the switched reluctance motor, a new stator pole shape was proposed. It changed the traditional uniform air gap into non-uniform air gap of two sections. An 11 kW, 1 000 r/min, 12/8 SRM as the prototype, the structure was validated and optimized through establishing the two-dimensional field-circuit coupled time-stepping finite element model. The results showed that the structure could reduce the torque ripple effectively with ensuring the efficiency of the motor unchanged. A useful reference to promote the level of design and operation of switched reluctance motor was provided.

switched reluctance motor (SRM); non-uniform air gap; torque ripple; stator pole shape

四川省教育廳重點科研項目(16ZA0155)

張向龍(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為開關磁阻電機結構優化。

TM 352

A

1673-6540(2017)05- 0080- 04

2016 -08 -15