开关磁阻电机结构优化现状与发展趋势

张向龙，杨燕翔，王 军，范镇南，刘占千

(西华大学，成都 610039)

开关磁阻电机结构优化现状与发展趋势

张向龙，杨燕翔，王 军，范镇南，刘占千

(西华大学，成都 610039)

开关磁阻电机由于结构简单、价格便宜和在恶劣环境下可靠性高等优点，已成为工业应用中的一种新型电机。在分析国内外开关磁阻电机结构优化技术资料的基础上，较详细地阐述了该领域研究现状与发展动态，并对其未来发展方向进行了探讨与展望。

开关磁阻电机；结构优化；发展动态

0 引 言

作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、起动转矩大、稳定性高等优点在石油、航空、电动汽车等领域得到了发展和广泛应用。然而这种电机自身存在转矩脉动大、噪声明显等缺陷，对其在某些特殊场合的进一步应用造成了不利的影响。长期以来，为了进一步提高开关磁阻电机的各项性能，国内外研究者对开关磁阻电机的结构优化，开展了广泛、系统和深入地研究工作，取得了一些具有建设意义的成果。因此，对上述研究工作，进行合理有序的梳理和评述，不但有利于掌握该领域研究动态，更有助于优化该领域发展思路。

鉴于此，本文在收集国内外开关磁阻电机结构优化文献的基础上，对其研究现状和发展方向进行了较为全面系统的探讨、分析与展望，以求能够为开关磁阻电机设计制造和运行检修水平的进一步提升，提供有益参考。

1 开关磁阻电机本体结构优化

开关磁阻电机理论体系和计算电磁学的不断发展为电机结构的优化提供了基础，以国外的纽卡斯尔大学、利兹大学、东京理科大学，国内的南京航空航天大学、浙江大学、华中科技大学为代表的科研机构，提出了许多新型开关磁阻电机结构来改善其性能，基本可以概括为3个方面：定子绕线方式优化、定转子结构优化、励磁方式优化。

1.1 定子绕线方式优化

绕组的连接方式直接影响到开关磁阻电机内部磁场的分布，不同的绕线方式下电机的性能有很大的不同。绕组的连接方式分为整距绕组和短距绕组，根据相对极磁场的方向又可以分为正向串联和反向串联。单相通电时，相应磁场分布如图1、图2所示。文献[4]分析了绕组正向串联和反向串联时自感、互感、磁场分布等存在的差异，特别对于反向串联的三相开关磁阻电机，通过有限元分析得到了其自感和互感波形，为绕组的进一步优化提供了参考。传统开关磁阻电机多采用短距绕组，由式(2)中可知，转矩的产生主要依赖于绕组自感的变化。

图1 正向串联磁场分布图2 反向串联磁场分布

短距绕组时，电流只能在电感上升阶段导通，因此每相绕组最大导通时间为1/3通电周期。文献[5-8]将静态有限元分析引入了开关磁阻电机绕组分析，研究了整距绕组时相电流导通情况。采用整距绕组时，转矩的产生主要依赖于两相之间的互感，转矩可表示为：

(1)

式中：ia,ib为两相电流，Mab为两相互感。因此相电流的导通时间相比与短距绕组时增加了一倍，提高了绕组的利用率。

另一方面，当转子处于电感下降区时，对绕组通以负向电流，如此在电感下降区域也可以产生正向转矩，扩大了转矩产生的区间。文献[9]对比分析了短距绕组和整距绕组对转矩脉动的影响；文章中对电机施以转矩闭环控制进行了稳态分析，表明在低速时整距绕组对转矩脉动抑制有较大优势。

1.2 定转子结构优化

定转子结构的改进可以改善电机内部电磁场的分布，从而达到改善电机性能的目的，因此目前主要研究都集中在定转子结构的改进上。由麦克斯韦张量法可知，通过改变磁密的径向分量和切向分量可以改变径向力波和切向力波。文献[10-11]利用上述理论提出了两种不同的转子齿结构。前者在转子齿和轭中加入空气气隙，后者在转子齿两侧开槽，二者都达到了增大径向磁密、减小切向磁密的效果，有利于增大电机的平均输出转矩，减小转矩脉动，其结构如图3(a)和图3(b)所示。边缘磁通是导致转矩脉动的一个重要原因，它产生于定转子重叠前。文献[12]中通过在转子齿一侧增加一个V型槽口，减小了边缘磁通的影响，提高了电感曲线的线性程度，从而减小了转矩脉动，其结构如图3(c)所示，显然此结构只适合于电机单方向转动。文献[13]提出了一种气隙宽度不均匀的转子结构，使气隙沿着电机旋转(假定逆时针)方向越来越窄，如图3(d)所示，仿真结果表明该方法能够有效的减小转矩脉动。文献[14]将矩形转子齿和梯形转子齿结构进行了有限元对比分析，结果表明梯形转子齿可以产生更大的静态转矩。文献[15]采用了一种新型定转子极末端形状，如图3(e)所示，该结构可以增大静态转矩曲线在上升阶段的斜率，从而提高换相时两相转矩交叉点，降低了换相时的转矩跌落，成功地抑制了电机的转矩脉动，而且提高了平均转矩。文献[16-17]将永磁电机中成功应用的双定、转子结构引入到开关磁阻电机中。其中文献[16]提出将两个6/4结构的开关磁阻电机并行连接在一起，其中一个电机的转子相对于另一个有30°的位置偏移，从而使一个转子处于完全对齐状态时，另一个转子处于刚对齐的状态。同两个转子位置没有偏移时相比，该结构可减小20%左右的转矩脉动。文献[17]在传统双机械输出口电机的基础上，通过对定子轭部辅助绕组施加不同方向的电流，可以改变内、外转子上的转矩分配，实现内外转子输出功率的调节。

(a)带气隙的转子结构(b)转子两侧开槽结构

(c)V型槽口转子结构(d)倾斜的定子极面结构

(e) 新型定、转子极末端形状

1.3 励磁方式的优化

混合励磁开关磁阻电机不仅继承了开关磁阻电机的优点，而且可以更加有效的调节和控制气隙磁场，因此也成为开关磁阻电机结构优化发展的一个趋势。

混合励磁开关磁阻电机最早起源于美国电机专家T.A.LIPO等人提出的一种双凸极永磁电机[18]，其结构如图4所示。电机中永磁体采用铁氧体，通过调节相电流的方向，即可增加或减弱气隙磁场。但由于铁氧体剩磁较低，只能通过增加直流场控绕组的方式提高气隙磁通密度，从而使铜耗增加，效率降低。文献[19]提出了一种带有永磁体和辅助绕组的混合励磁开关磁阻电机，其结构如图5所示。定子轭设计成正方形，两个对角分别放置辅助绕组和永磁体，辅助绕组通以直流电时，输出转矩和效率都得到了明显提高。文献[20]仅在定子齿中嵌入了永磁体，相比与文献[19]，结构简单，电机体积得到了有效的减小。该结构相当于在定子励磁中并联了一个永磁体磁源，在输入励磁电流不变的情况下，可以提高气隙磁场的饱和程度，增大了平均输出转矩，提高了电机利用率，但由于永磁体位于定子齿中，使定子齿的磁阻增大，会对励磁电流产生一定的影响。文章还对永磁体安装方向和绕组电流通电方向之间的关系进行了分析，指出如果永磁体固定以后，则电流方向随之固定，这点有别于传统开关磁阻电机。

图4 首次提出的双凸极永磁电机结构图5 带辅助绕组和永磁体的新型结构

2 开关磁阻电机电磁场逆问题优化

随着计算机科学的发展，新型智能算法在电机结构优化中的应用越来越广泛。将智能优化算法和电磁场正问题相结合，构成电磁场逆问题应用在开关磁阻电机结构优化中成为一个重要的优化方向。电磁场逆问题是根据给定的电机性能要求，求解电机的结构参数。在文献[21]中将单位体积出力的比功作为优化目标函数：

(2)

式中：f(X)为优化目标函数，Da为转子外径，la为铁心长度，P为输出功率。取定转子内、外径和极弧宽度等8个变量参数，用遗传算法进行最优求解，并在求解过程中考虑了开通角系数和关断角系数对优化结果的影响。文献[22]采用了多目标函数，用遗传算法对结构参数进行优化，在保证输出转矩较大的同时减小了转矩脉动。文献[23]采用了遗传算法和模拟退火算法分别对开关磁阻电机结构进行优化求解，并对优化结果进行了对比。为了获得准确的数学模型，文献[24]首先通过有限元分析获取了平均转矩和转矩脉动的相关敏感参数，然后利用神经网络对其进行训练，得到了较为准确的数学模型，最后利用粒子群算法对平均转矩和转矩脉动进行共同优化，得到了理想的优化结果。文献[25]将粒子群算法与文化算法相结合，构建了文化粒子群优化算法，实现了不同空间群体的并行优化，提高了优化精度与效率，并将其用于多目标优化，在有效提高电机效率的同时，大幅减小了转矩脉动。

新型智能优化算法为开关磁阻电机的优化设计带来了很大帮助，但其还是存在一定的缺陷。例如在遗传算法中，匹配集N的取值对优化结果有很大的影响。如果N取得过小，则难以获取全局最优解；如果N取得过大，则会降低优化效率。因此对算法本身结构进行改进、将多种优化算法结合应用以及探索新的优化策略，从而进一步提高优化效率，将是该方向的工作重点。

3 发展动态展望

随着开关磁阻电机的不断发展，电机容量需求也逐渐变大，因此损耗发热成为电机结构优化必须要考虑的问题。采取必要的措施来降低损耗，抑制发热，从而提高电机寿命也逐渐成为研究的热点。目前，关于损耗的研究，大多集中于损耗的计算分析，如何通过优化电机结构来降低损耗，提高电机的散热效率将具有很高的研究价值。

针对开关磁阻电机单一性能的结构优化方法已经很多，但是随着优化技术和计算机技术的发展，多目标协同优化正逐渐成为优化发展的主要方向，例如将转矩脉动的抑制和损耗的抑制作为一个整体来进行优化。当前人们已经具备从综合物理场(电磁场、温度场、流速场、应力场的等)的角度研究电机内物理现象的能力[34]，同时也具有了更加强大的计算机工具，针对开关磁阻电机的多目标协同优化将是未来研究的一个热点。

开关磁阻电机的电磁场逆问题实际上是将电机的电磁场分析与优化算法相结合，以求更加精确地求解电机参数，进一步提高优化结果。但目前仍然存在算法的收敛速度不高等问题，难以满足三维、耦合问题等较复杂系统的计算要求[39]。随着优化算法效率的提高和电磁场计算方法的发展，电磁场逆问题在开关磁阻电机优化中将越来越深入。

4 结 语

本文较详尽地总结评述了当前开关磁阻电机结构优化发展的情况，基本涵盖了开关磁阻电机结构优化发展的主要方向，并对该电机未来优化发展动向进行了总结分析，为该电机的进一步发展提供了一定的参考意义。

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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

四川省教育厅重点科研项目(16ZA0155)

TM

A

1004-7018(2017)01-0077-04