基于新型定子极面结构的开关磁阻电机转矩脉动抑制研究

张向龙, 王 军, 杨燕翔, 范镇南, 刘占千

(西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

基于新型定子极面结构的开关磁阻电机转矩脉动抑制研究

张向龙, 王 军, 杨燕翔, 范镇南, 刘占千

(西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

为抑制开关磁阻电机(SRM)转矩脉动，提出了一种新型定子极面结构，将传统均匀气隙结构改成两段式的非均匀气隙结构。以一台11 kW、1 000 r/min、12/8极SRM为例，通过建立二维场路耦合时步有限元模型，对此类结构进行了验证与优化。结果表明：此类结构能够在保证电机效率基本不变的情况下，有效抑制转矩脉动,为进一步提升SRM的设计与运行水平，提供了有益的参考。

开关磁阻电机；非均匀气隙；转矩脉动；定子极面

0 引 言

作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)以其结构简单、起动转矩大、可靠性高等优点[1-2]，在煤炭、航空、石油等领域，具有广阔应用前景。但与此同时，由于其电磁结构尚不够成熟，致使其内部磁场分布不尽合理，进而对其运行控制品质产生了负面影响，以致其在实际运行中，常常面临转矩脉动过大的问题，对其进一步推广应用造成了极为不利的影响。因此，很有必要从其电磁结构优化设计入手，开展转矩脉动抑制的研究工作。

近年来，基于电机电磁结构优化来抑制SRM转矩脉动的研究越来越广泛。文献[3]通过在转子极身添加小孔来优化电机内部电磁场的分布，并且在定子磁极上添加楔形角，减小定转子接触时的转矩突变，从而减小转矩脉动。文献[4]通过在转子齿和轭中加入空气气隙，增大径向磁密，减小切向磁密，达到了减小转矩脉动的目的。文献[5]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，有效抑制了转矩脉动。文献[6]采用整距绕组，通过改变定转子极端的形状，提高转矩曲线在上升阶段的斜率，取得了较为理想的转矩脉动抑制效果。但截至目前，通过优化定子极面结构，改变气隙形状，进而优化磁场分布，抑制转矩脉动的研究工作，尚有待进一步开展。

为此，本文提出了一种SRM新型定子极面结构，通过构造不均匀气隙，在保证电机效率基本不变的前提下，实现对转矩脉动的有效抑制。

1 SRM定子极面结构设计方案

根据电机电磁场与电机设计理论可知：单纯放大SRM气隙，虽然可以有效抑制其转矩脉动，但却会导致电机效率下降[7-9]。为同时满足SRM转矩抑制与运行效率两方面的要求，本文通过改变其定子极面形状，将其气隙设计为两段式非均匀结构：前一部分沿着电机旋转方向气隙逐渐减小，后一部分气隙保持不变，即前一部分为非均匀气隙，后一部分为均匀气隙,如图1所示。图1中,d表示非均匀气隙的偏心距离，W表示定子极弧弧长，H表示非均匀气隙极弧弧长。

图1 新型的定子极面结构

2 SRM样机设计方案与场路耦合分析模型

2.1 样机设计方案

为验证上述结构对转矩脉动的抑制效果。以1台11 kW、1 000 r/min、12/8极SRM为例，建立其二维场路耦合时步有限元分析模型，分析其转矩状况。与此同时，为得出较优的两段气隙长度比例，对不同的两段气隙长度比对应的设计方案，进行了转矩状况对比分析。相关电机设计参数与结构方案如表1、表2所示。

2.2 SRM磁场数学模型

本文选取整个SRM的二维截面作为磁场求解区域，如图2所示。

表1 样机的基本参数

表2 结构设计方案

图2 求解域与网格剖分

在求解区域内，忽略电机的涡流及端部效应，加入边界条件，则该电机在直角坐标系下的二维磁场边值问题可表述如下：

(1)

式中：Az——矢量磁位的z轴分量;Jz——绕组区域电流源密度;S_OUTER——定子外径边界，满足第一类齐次边界条件。

为了研究此类结构SRM的稳态转矩特性，本文建立了三相绕组的控制电路，将外电路方程和磁场方程结合起来进行求解。控制电路采用三相不对称半桥拓扑结构，如图3所示。

图3 控制电路

根据图3可得，第k相绕组的电压平衡方程为

(2)

式中:U——绕组端电压;Rk、ik——绕组电阻和绕组电流;Ψk——相绕组磁链。

3 计算结果分析

图4 不同d时的仿真结果

图4为H/W=0，d=0～3.0 mm时单相电感、电流、转矩的波形曲线。由图4(b)可见，随着d的增加，转矩波形逐渐接近平顶波。当d=3.0 mm时，可以得到最优的转矩波形。转矩脉动系数曲线如图5所示。但另一方面，由图4(c)可见，随着d的增加，相应的相电流也会逐渐增大，将会导致电机效率下降。不同d时，电机的效率曲线如图6所示。

图5 不同d时转矩脉动系数

图6 不同d时的效率曲线

上述结果表明，仅通过偏移定子极弧的圆心，使气隙沿着电机旋转方向逐渐减小，虽然可以获得较为理想的脉动抑制效果，但与此同时仍会导致电机效率的下降。因此，在方案1的基础上，将其改进为两段式的气隙结构，前半部分为非均匀气隙结构，后半部分为均匀气隙结构，即方案2。

图7 不同H/W时的仿真结果

由于气隙的增大会导致电机效率的下降，因此非均匀气隙部分应选取较小的偏心距离d。本文在方案2中选取d=1.0 mm，对不同的H/W取值进行了二维有限元分析,如图7所示。由图7(a)可见，随着H/W的增大，转矩脉动先减小，然后逐渐变大，在H/W=15%时，可以获得最小的转矩脉动。由图7(b)可见，当H/W较小时，对效率影响很小，当H/W大于15%以后，随着H的增大，电机效率将会逐渐减小。因此当H/W=15%时，既可以保证电机效率基本不变，又能有效地抑制转矩脉动。

图8 原始结构与新型结构的转矩对比

图8为当H/W=15%时，原始结构和新型结构合成转矩的对比。一方面，在区域Ⅰ中，新型结构提高了相邻两相转矩交叉点，起到了“填谷”的效应。另一方面，在区域Ⅱ中，转矩波形得到了有效改善，接近于平顶波，起到了“削峰”的效应。相比于原始结构，该结构的转矩脉动下降了30%，对于转矩脉动的抑制起到了较好的作用。

4 结 语

本文提出了一种新型的定子极面结构，使气隙分为非均匀和均匀两个部分，通过有限元仿真分析，得到了最优的结构参数。该结构在保证电机效率基本不变的情况下，可以有效地抑制转矩脉动，对于SRM结构的优化具有较高的借鉴价值。

[1] 郑泽东,李永东.永磁同步电机控制系统综述[J].伺服控制，2011,12(4)： 21-23.

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[3] 王勉华,张朴.基于有限元法的开关磁阻电机结构优化[J].电机控制与应用,2015,42(4): 27-29.

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[7] 张京军,张海军,王利利.开关磁阻电机非线性特性的有限元计算[J].电机与控制应用,2007,34(9): 31-34.

[8] 张鑫,王秀和,杨玉波,等.基于转子齿两侧开槽的开关磁阻电机振动抑制方法研究[J].中国电机工程学报,2015,35(6): 1508-1515.

[9] 宋受俊,葛乐飞,张蔓.开关磁阻电机多目标协同优化设计[J].电机与控制学报,2015,19(1): 68-75.

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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

四川省教育厅重点科研项目(16ZA0155)

张向龙(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为开关磁阻电机结构优化。

TM 352

A

1673-6540(2017)05- 0080- 04

2016 -08 -15