开关磁阻电机降噪方案研究

李駪，邱影杰，李红升，孙宁，宋云博，孙文钊，代良华

（1.天津渤海职业技术学院机械工程系，天津 300402；2.天津职业大学电子信息工程学院，天津 300410；3.天津天传电控设备检测有限公司，天津 300399；4.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司深海物探处，天津 300457）

开关磁阻电机降噪方案研究

李駪1，邱影杰2，李红升1，孙宁3，宋云博4，孙文钊3，代良华3

（1.天津渤海职业技术学院机械工程系，天津 300402；2.天津职业大学电子信息工程学院，天津 300410；3.天津天传电控设备检测有限公司，天津 300399；4.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司深海物探处，天津 300457）

针对开关磁阻电机运行时噪声较大这一亟待解决的问题，基于虚功原理采用虚位移法对磁场力进行分解分析。推导出气隙大小是影响电机电磁噪声的主要参数。借助Ansoft Maxwell仿真软件对参数进行仿真分析，能直观地看出转矩和径向力的值随气隙大小的变化。对仿真结果分析得出将气隙大小选在适合的范围内可从根源上降低开关磁阻电机的电磁噪声。

开关磁阻电机；电磁噪声；气隙；仿真

虽然开关磁阻电机有很多优点，而且系统效率高，但其运行噪声大却制约它的发展。本文从全新分解磁场力的角度，研究导致电磁噪声的根本原因。对仿真结果分析提出将气隙大小选在合适的范围内可从根源上降低开关磁阻电机的电磁噪声这一建设性方案。

1 开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机（以下称SR电机）的灵魂是磁阻最小原理。当定子凸极和转子凸极处于错位状态下，气隙以及磁阻都比较大。给定子磁极绕组通电之后就会产生拽着转子转动的拉力，使气隙趋于减小（磁阻减小）。定子磁极绕组的通电先后次序是通过电子开关有规律的通断控制，这样就能形成连续的、规律的、旋转的力矩了［2］。

SR电机不是恒转矩电机，它的转矩是转子位移角和绕组电流的函数。扭曲的磁场会产生阻性的电磁转矩［2-4］。其平均电磁转矩可以表示为

2 导致噪声的参数提取过程

2.1 分析方法的选取

磁场力计算一般都是采用有限元分析结合经典理论的计算方法。比较常用的方法有：虚位移法、麦克斯韦应力法、节点力法等［3-4］。

麦克斯韦应力法虽然推导容易，能节省计算时间，但积分路径的选取很关键，不同的方案得到结果的精确程度也不同，求解三维磁场时该方法的不确定性尤为明显。相比之下，节点力法精度高一些，但是计算量大这个缺点不能忽略。虚位移法相较前两种方法除了计算简单之外，精度也很高，关键的是移植性好，所以优选虚位移法［6］。

2.2 径向力和切向力计算

理想状态下SR电机铁芯的磁导率→∞，气隙磁导率为理想线性的空气磁导率。磁场域只受气隙磁阻的影响，产生虚位移的dt时间内，SR电机的微分能量平衡关系如下式：

式中：dWe为dt时间内电机耦合磁场获得的净电能；dWs为dt时间内的磁场储能；dWm为dt时间内的机械总能量（来自电能转换）。

当SR电机转子重叠角为θ时，设此时磁链为Ψg，气隙磁场强度为Hg,绕组电流为i,气隙的磁感应强度为B(g,i,θ)，g为气隙长度，Tph为每相转矩，μ0为空气磁场率，则如下表达式组成立：

由此得到：

气隙磁储能表达式如下式：

式中：Wρ为气隙磁场的能量密度；Vg为气隙磁场的体积；B为气隙的磁感应强度；Larc为当重叠角为θ时，以电机的轴心为圆心时重叠区弧长近似值。

由式（5）联立求得：

将磁场储能Ws用广义坐标y以及磁链Ψ表示有如下关系：

将广义坐标y表示成转子重叠角θ的函数，由此得到：

综合式（2）、式（4）、式（8），此时的机械能增量为

电机的切向磁力如下式：

同理，将广义坐标y表示成气隙长度g的函数，由此得到：

综合式（2）、式（4）、式（11），此时的机械能增量为

电机的径向磁力如下式：

SR电机径向力与切向力之间的比值为

由此可见，SR电机的径向力与切向力的比值与定转子重叠角θ以及电机转子外径Dr成正比，与气隙g的大小成反比。实验得出：δ越小，SR电机电磁噪声也越小［1-2］。电机初选型时，应尽量减小转子外径Dr，增大电机的气隙长度g来减小运行噪声。

3 参数仿真过程

本文选用Ansoft公司的Maxwell软件进行仿真分析。该软件在二维电磁场有限元分析领域运用广泛［5］。使用二维求解器，建立静磁场模型之后将其导入到2D中。然后设置材料属性，加上边界条件和激励流（这里使用电流源激励）。气隙在0.5 mm到0.25 mm之间递减，步长为-0.05 mm。对参数进行仿真，结果如图1、图2所示。

图1 径向力随气隙变化Fig.1 Variation of radial force follow the variation of air-gap

图2 转矩随气隙的变化Fig.2 Variation of torque follow the variation of air-gap

开关磁阻电机的阻性转矩在运行时会拽着转子转动，此力可分解成转子径向力和转子切向力，其中切向力是带动转子运转的转矩产生的力，径向力则是引起电机电磁噪声的根源，因此我们希望径向力尽可能小一些。由图1可以看出，在重叠角一定的情况下径向力会随着气隙的增大而减小，理想上让气隙大一些；但是图2显示，转矩会随着气隙的增大而减小。这是我们所不希望的，所以折中考虑气隙值选在0.35～0.4 mm之间效果会比较好。

4 结论

SR电机噪声主要分为空气动力噪声、机械噪声、电磁噪声3类［1，6］，其中电磁噪声是主要噪声来源。针对这一问题利用虚位移法对电磁力进行分解分析，得到径向力和切向力。其中，径向力产生噪声和振动，切向力就是转矩力。要减小噪声就要减小径向力的值，经过计算得到径向力与切向力的比值与电机气隙大小有关。气隙的大小可以影响径向力与切向力的比值，要减小噪声，就要使比值尽量小，理论上希望气隙尽量大一些。通过仿真不难发现虽然随着气隙的增大径向力在减小但转矩也在减小，所以折中考虑将气隙值选在0.35～0.4 mm之间较适合。

［1］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［J］.电工技术学报，2013，28（11）：9-18.

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［3］赵博，张洪量.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

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Research of Noise Reduction Methods for Switch Reluctance Motor

LI Shen1，QIU Yingjie2，LI Hongsheng1，SUN Ning3，SONG Yunbo4，SUN Wenzhao3，DAI Lianghua3
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Bohai Vocational Technical College，Tianjin300402，China；2.School of Control Science Engineering，Tianjin university of Technolog，Tianjin300410，China；3.Tianjin Tiachuan Electrical Equipment Inspection Co.，Ltd.，Tianjin300399，China；4.BGPMarin，China Nationalpetrolem Corporarion，Tianjin300457，China）

Obtained the key parameter-the size of air-gap-which leaded to the electromagnetic noise by using the method of virtual displacement based on principle of virtual work，aimed at reducing the noise radically，which is a serious problem to be solved.Conducted simulation analysis for the parameter with the help of Ansoft Maxwell software so as to obtain the variation trends of radial force and torque follow the variation of air-gap.The simulation results show choosing a suitable value of air-gap can reduce the noise of switch reluctance motor radically.

switch reluctance motor；electromagnetic noise；air-gap；simulation

TM302

A

10.19457/j.1001-2095.20161216

2016-02-19

修改稿日期：2016-08-02

李駪（1956-），男，硕士，副教授，Email：1713513959@qq.com