基于新型轉子結構的開關磁阻電機轉矩脈動分析與優化

賈澤錦 王峰 孫盼盼 李娜

摘 要：為抑制開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）轉矩脈動，提出了一種耳形轉子結構，以一臺1 500 r/min、7.5 kW的8/6極開關磁阻電機為例，通過建立有限元模型，對新型結構進行了驗證與優化。結果表明，所提出的新型耳形結構能夠有效抑制轉矩脈動，同時對電機平均轉矩影響較小。該新型轉子結構和轉矩脈動分析結果，可供開關磁阻電機結構優化參考，從而提升電機電磁性能并抑振降噪。

關鍵詞：開關磁阻電機；轉矩脈動抑制；轉子結構改進；耳形結構設計

中圖分類號：TM341? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0053-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.014

0? ? 引言

電機是電動汽車三大組成部分之一，而開關磁阻電機結構簡單、可頻繁正反轉、起動轉矩大、適宜在很多惡劣的環境或場合中應用。由于定、轉子均采用雙凸極結構，因此其振動噪聲比永磁電機和異步電機都要高，振動和噪聲成為開關磁阻電機推廣應用亟需優化的問題，故從其定、轉子結構優化設計入手，進行轉矩脈動抑制的研究工作很有必要[1-4]。從定、轉子結構優化方面進行設計來抑制SRM轉矩脈動的研究已經趨于成熟。Tao Wu等[5]通過在轉子齒開孔的方式來降低轉矩脈動。孫會琴等[6]通過對電機氣隙進行分析，提出定子斜齒的設計方案，從而抑制了電機的轉矩脈動。井立兵等[7]將傳統轉子平行齒兩側添加半橢圓形輔助鐵芯改成鼓型齒結構，從而達到降低轉矩脈動的目的，并通過優化開通角和關斷角明顯減小轉矩脈動。鄒聲奇等[8]通過在定子磁極添加楔形角，從而減小轉矩脈動。但通過設計轉子極面結構，優化磁場分布，抑制轉矩脈動的研究工作當前仍需進一步深入開展。

本文從開關磁阻電機轉子磁極結構出發，研究了電機結構各個參數對平均轉矩和轉矩脈動的影響，提出一種在轉子磁極兩側增加耳形傾角的電機結構，通過仿真分析了該耳形結構中的各參數對電機平均轉矩及轉矩脈動的影響規律，并對耳形結構參數進行了多目標約束尋優以獲取轉矩脈動較小同時平均轉矩較大的參數值，最后，采用Maxwell仿真軟件系統驗證了結構設計方案的有效性。

1? ? 開關磁阻電機有限元模型和參數

本文以額定功率7.5 kW、額定電壓280 V、額定轉速1 500 r/min、四相8/6極SRM為基礎，利用軟件Ansoft Maxwell建立模型，研究耳形結構對電機轉矩脈動與平均轉矩的影響。電機主要參數如表1所示。

根據表1所列出的開關磁阻驅動電機結構參數，通過Ansoft Maxwell有限元仿真軟件建立電機的二維模型，具體如圖1所示。

2? ? 轉矩脈動機理分析

2.1? ? 開關磁阻電機的轉矩脈動原因

在電機實際運行的過程中存在轉矩脈動，從結構設計角度分析產生轉矩脈動的主要原因為：邊緣磁通效應和雙凸極結構造成的勵磁極、轉子磁極磁路局部飽和，如圖2所示。

2.2? ? 轉子齒形結構改進機理

開關磁阻電機雙凸極結構導致定子、轉子磁極在重合前會產生邊緣磁通效應，邊緣磁通使得電機的電流發生非線性變化，進一步導致磁鏈對轉子位置角θ和相電流i具有非線性關系，電磁轉矩也隨之呈現非線性關系。

Te（i，θ）=（1）

式中：W′為磁共能；i1，i2，…，im為第1，2，…，m相繞組電流。

開關磁阻電機的磁場能量主要儲存在氣隙里，當轉子位置角θ改變會引起定轉子間氣隙變化，而定、轉子磁極開始進入重合區域時，氣隙長度驟降，引起轉矩值降低，在換相點處轉矩值最小，導致合成轉矩波動明顯。通過分析，改善轉矩脈動可以通過減小氣隙的突變來進行，在轉子磁極端部兩側加入耳形結構，能有效減緩氣隙長度的變化，從而減小氣隙磁場能量的突變。

根據開關磁阻電機單相導通時的線性模型，當電流i為固定值時，式（1）可以寫為：

Te=（2）

W′=ψi=Li2（3）

式中：ψ為磁鏈；L為電感。

將式（3）代入式（2）得：

Te==（4）

式中：θc為導通角；Lmax和Lmin分別為最大電感和最小電感。

通過式（4）可以發現，將電流和導通角設定為某一固定值時，電感的變化量決定了電磁轉矩的大小。電感L隨磁阻Rm增大而減小。由于磁壓降主要發生在電機的氣隙中，因此，這里主要考慮氣隙磁阻Rm=le/（μ0Ae），其中le為等效磁路長度；Ae為繞組截面積；μ0為空氣磁導率，μ0=4π×10-7 H/m。

傳統電機結構與本文所提電機結構在最小電感處的磁路模型如圖3所示，轉子側增加耳形結構后，空氣隙減小，等同于等效磁路長度減小，使得最小電感值增大。

兩種電機結構在最大電感處的磁路模型如圖4所示，可以看出，在最大電感位置時，由于加入了耳形結構，磁路方向發生了改變，致使部分磁路長度加大，同時漏磁增大，從而最大電感值減小。

由式（4）可知，在電流和導通角為恒值時，在轉子側添加耳形結構，電感值的變化量減小，電磁轉矩也將隨之降低。

3? ? 耳形轉子結構設計方案和參數設計

3.1? ? 結構設計方案

通過以上對電磁轉矩脈動機理的分析可知，可以通過改進定、轉子結構來達到緩解雙凸極結構造成的勵磁極和轉子磁極磁路局部飽和的效果，因此本文提出了在傳統開關磁阻電機轉子齒兩側添加耳形結構，如圖5所示。

這是一個轉子磁極的左端部分，線AD以右的部分為轉子磁極原型，封閉曲線ABCD組成的部分為新型結構。其中為半徑為r的圓弧；為半徑為R的半圓；為轉子外徑為半徑的圓弧l，弧長為1 mm；直線L為AD間距離。采用該特殊結構的齒形尺寸約束完整并且表面光滑。

3.2? ? 耳形結構參數優化設計

為量化轉矩脈動的程度，引入轉矩脈動系數k：

k=（5）

式中：Tmax為電機穩態運行時的最大轉矩值；Tmin為穩態運行時的最小轉矩值；Tav為穩態運行時的平均轉矩值。

不同結構參數對轉矩脈動抑制有不同效果。為確定合適的結構參數，基于電機原型的結構參數在Ansoft Maxwell中重新建立有限元模型，創建耳形結構，所提特殊耳形結構具有4個參數，分別是圖5中AD段長度L、段圓弧半徑r、段半圓半徑R、段圓弧弧長l。為避免耳形結構過于扁平而強度不足，耳形角大小不宜過大，即該4個參數取值不宜過大。限定段圓弧弧長l為1 mm，段半圓半徑R取值在0.5～1.5 mm，段圓弧半徑r取值在1.3～2 mm，AD段長度L在3～4 mm范圍內。

對新型結構進行多參數聯合化仿真，得到耳形結構的不同參數對平均轉矩和轉矩脈動系數的影響曲線如圖6所示。由仿真結果可知，耳形結構各個參數對SRM平均轉矩和轉矩脈動的影響規律和程度不同。位置參數L的影響相對較小，而尺寸參數R、r對平均轉矩和轉矩脈動均有明顯影響。以上參數分析表明，合理選取耳形結構的參數，可以在保證平均轉矩相對變化較小的同時有效降低轉矩脈動。

根據耳形結構不同參數對轉矩的影響規律，在Ansoft Maxwell中進行多參數的聯合參數化分析，確定了耳形結構的尺寸參數R=1.0 mm、r=1.7 mm，位置參數L=3.5 mm。傳統轉子結構改進耳形轉子結構的電機模型如圖7所示。

4? ? 仿真結果分析

本文建立了四相繞組的控制電路，電路類型為全電壓，觸發脈沖寬度設置為90°，控制方式為DC直流控制，控制端通過0、1脈沖控制驅動端四相開關的依次通斷。定子、轉子材料設置為DW540-50，定子每級匝數繞組72，摩擦損耗和風阻損耗均為12 W，對電機進行仿真分析。

優化后磁力線分布與磁密云圖如圖8所示，對比可知，在轉子側加入耳形結構后電機的邊緣磁通效應、磁路局部飽和現象得到改善。

對優化后的耳形結構進行有限元瞬態仿真分析，并與傳統結構仿真結果進行對比，如表2所示。可知，優化后平均轉矩為17.12 N·m，保持在原來的89%以上；轉矩脈動系數為原來的87.11%，下降了12.89個百分點；在所選的楔形結構參數附近，都具有較好的優化效果。

結構優化后轉矩在瞬態場的輸出曲線更平滑，轉矩脈動的最大值降低的同時，最小值有所增大，從而有效減小了電機的轉矩脈動。但是在轉子兩側增加耳形結構電機的平均轉矩也有所降低，如圖9所示。

5? ? 結論

本文通過分析產生轉矩脈動的原因，提出了新的轉子齒改進方案，采用多參數聯合參數化分析優化了新提出的轉子耳形結構尺寸，仿真驗證了新型結構可以有效降低轉矩脈動。主要研究結論如下：

1）在轉子兩側增加耳形結構，通過減小最大電感、增大最小電感的方式，使得邊緣磁通效應和磁路局部飽和有所緩解，降低了電機的轉矩脈動。

2）采用多參數聯合參數化分析確定了耳形結構尺寸，耳形轉子結構的SRM轉矩脈動得到有效抑制，然而平均轉矩卻有所下降。

3）本文提供的結構優化方法和相關磁場、轉矩等仿真結果，可供類似開關磁阻電機的結構設計改進所借鑒。

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收稿日期：2023-10-10

作者簡介：賈澤錦（1996—），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向：新能源汽車電機驅動系統。

通信作者：王峰（1980—），男，河北石家莊人，博士，講師，碩導，研究方向：新能源汽車電機驅動系統。

基金項目：天津市教委科研計劃項目“開關磁阻電機的耦合振動建模方法和超諧響應”（2021KJ020）