基于磁固耦合法对比经典与新型双励磁开关磁阻电机电磁振动特性分析

宋桂英，　邢正坤

(河北工业大学，天津　300132)



基于磁固耦合法对比经典与新型双励磁开关磁阻电机电磁振动特性分析

宋桂英，邢正坤

(河北工业大学，天津300132)

摘要：通过电磁和机械有限元方法对比研究一种新型多励磁电机的电磁振动特性。这种新型电机在定子侧放置一套直流励磁绕组，基于该模型计算并对比与传统开关磁阻电机(SRM)的电磁特性。利用MATLAB软件对气隙磁密和径向电磁力进行了谐波分析；其次对定子进行模态分析，得出其固有频率和模态振型；最后通过电磁-结构耦合法计算定子的电磁振动响应，对其振动特性进行分析。研究表明这种新型双励磁电机对减小电磁振动有明显作用。

关键词：开关磁阻电机； 径向电磁力； 双励磁； 傅里叶分析； 磁固耦合

0引言

开关磁阻电机(Switch Reluctance Motor， SRM)作为一种新型可变速驱动系统。其结构简单、坚固、成本低，具有良好的调速性能，在宽广的调速范围内都具有较高的效率；但其振动和噪声是突出问题。通过大量的研究分析和试验，学者一致认为SRM引起电磁振动的因素主要是作用于定子上的径向电磁力[1]。M. N. Anwar等人利用有限元法分析了某型SRM电磁力波的频域特性及时域特性[2]。文献[3-5]对SRM的定子模态进行了分析研究；文献[6]研究了新型可变磁通磁阻电机振动噪声与开关磁阻电机的比较；文献[7]使用磁固耦合法研究分析了永磁电机的电磁振动；文献[8]通过传统的和相互耦合的SRM有限元模型的比较研究，得出相互耦合的SRM电磁振动噪声性能有明显改善。近年来，国内外学者对如何降低SRM振动已做了大量研究，也取得了许多成果。

在此基础上，本文以三相6/4SRM为例，对传统与新型双励磁电机做了对比分析，基于有限元仿真模型主要对其内部磁场气隙磁密及径向电磁力进行计算，并进行傅里叶分解，然后通过电磁与瞬态结构的耦合进而对比两种电机的振动特性。

1电磁力分析

本文所分析的三相6/4极SRM，基本参数如表1所示。

表1　SRM的基本参数

新型双绕组电机一组线圈作为电枢绕组和线圈的另一组串联作为直流励磁绕组，如图1(a)所示；传统电机如图1(b)所示。

图1　电机结构图

基于麦克斯韦应力张量法，把体积力替换为等效磁张力(面积力)，可求出单位面积上的电磁力的径向力分量为[1]

(1)

式中：Fn——径向电磁力(Pa或N/m2)；

Br——径向磁通密度(T)；

Bt——周向磁通密度(T)；

u0——真空磁导率。

图2为双励磁SRM与传统SRM气隙径向磁密对比。相比传统电机，双励磁电机径向磁密有所减小。图3为径向电磁力空间分布图对比。由图2、图3可以发现在径向气隙磁密绝对值比较大的位置，径向电磁力也比较大，双励磁电机径向力相对较小，能够有效降低电机的振动。

图2　气隙径向磁密对比

图3　径向电磁力空间分布对比图

图4所示为气隙某点径向电磁力随时间变化对比图。对气隙一点处的径向电磁力作Fourier分解，得到电磁力的幅频特性对比如图5所示。由图5可知，电磁力在低频时的幅值比较大，且此时与电机的固有频率较为接近，容易产生共振。双励磁SRM的径向电磁力幅值较小，有利于降低噪声。

图4　径向电磁力密度随时间变化对比图

图5　径向电磁力幅频特性对比图

2SRM的振动特性分析

2.1　定子的模态分析

电机定子结构在径向电磁力的作用下产生振动，其强度与电磁力的频率和大小、定子结构的固有频率等因素有关。不对SRM定子加载任何零位移约束，即分析SRM定子在没有任何约束的情况下自由振动的动态性能。定子结构主要参数如表2所示。

表2　定子铁心参数表

图6为定子的主要振动模态和振型图，表3为定子的固有频率表。

图6　定子的振动模态图

振型阶次固有频率/Hz振型阶次固有频率/Hz21573.31573.847516.57524.533758.74761.351047210484

利用有限元分析，获得SRM的定子模态，可以为SRM的本体设计提供参考，避免SRM电磁径向力的谐波频率接近电机定子固有频率的情况出现。定子振型中都存在两个频率相等或者非常相近的模态频率。定子的振型由椭圆形向三角形及四边形、五边形演变。

2.2　定子的振动特性分析

定子的振动特性是指定子受到电磁力密度的载荷约束下的响应。本文通过电磁力密度与电机定子结构的耦合，基于磁固耦合得到在电磁力密度作用下的振动特性。图7为定子齿部某点的振动位移图对比；图8为振动加速度对比。

图7　振动位移对比图

图8　振动加速度对比图

从图7、图8中位移和加速度的对比可以得到，双励磁SRM的振动位移和振动加速度明显小于传统SRM，有利于减小振动。

3结语

本文以电磁力密度和定子结构的耦合作用，针对两种电机的对比分析，对仿真结果的分析得出如下结论：

(1) 与传统SRM相比，双励磁电机气隙磁密相对较小，谐波含量相对较小。

(2) 电磁力与气隙磁密的大小具有一致性，且在低频时的幅值较大。与传统SRM相比，双励磁电机径向电磁力相对较小，径向电磁力谐波相对较小。

(3) 通过电磁-结构的耦合作用，得到双励磁电机的振动位移和振动加速度明显小于传统电机，可见反映振动性能的位移和加速度明显减小。

【参 考 文 献】

[1]吴建华.开关磁阻电机的设计与应用[M].北京： 机械工业出版社，2000.

[2]ANWAE M N， HUSAIN I. Radial force calculation and acoustic noise prediction in switched reluctance machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2000(6)： 1589-1597.

[3]孙剑波，詹琼华，黄进.开关磁阻电机的定子振动模态分析[J].中国电机工程学报，2005，25(22)： 148-152.

[4]吴建华，陈永校，王宏华.开关磁阻电机定子固有频率的计算[J].中国电机工程学报，1997，17(5)： 326-329.

[5]吴建华.基于物理模型开关磁阻电机定子模态和固有频率的研究[J].中国电机工程学报，2004，24(8)： 109-114.

[6]诸自强，刘旭，潘再平.新型可变磁通磁阻电机振动和噪声研究与开关磁阻电机的比较(英文)[J].电工技术学报，2013(11)： 9-18.

[7]韩汇文.基于磁固耦合的永磁电机电磁振动分析[D].杭州： 浙江大学，2013.

[8]LIANG X B， LI G J， JAVIER O. Comparative study of classical and mutually coupled switched reluctance motors using multiphysics finite-element modeling[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014，61(9)： 5066-5074.

Based on Magnetic Solid Coupling Method Compared to Classical and

New Double Excitation Electromagnetic Vibration Characteristic

Analysis of Switched Reluctance Motor

SONGGuiying，XINGZhengkun

(Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China)

Abstract：Through the comparative study on the electromagnetic and mechanical finite element method (fem) of a new type of excitation motor electromagnetic vibration characteristics. In this new type of motor stator side， placed a dc excitation winding were calculated and compared based on this model and the traditional electromagnetic characteristics of switch reluctance motor. Using MATLAB software to the air gap flux density and radial electromagnetic force in the harmonic analysis. Second modal analysis was carried out on the stator， it was concluded that the natural frequency and modal vibration mode， finally through the electromagnetic -structure coupling method to calculate the electromagnetic vibration response of the stator， to analyze its vibration characteristics. Studies have shown that this new type of double excitation motor had obvious effect to reduce electromagnetic vibration.

Key words：switched reluctance motor(SRM)； radial electromagnetic force； double excitation； fourier analysis； magnetic solid coupling

收稿日期：2015-08-04

中图分类号：TM 352

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)02- 0022- 04

作者简介：宋桂英(1971—)，女，副教授，研究方向为电机及其控制。邢正坤(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为电机及其控制。