一种改进的新能源汽车用SRM的定子铁心结构

赖仲蓉 曾游飞



一种改进的新能源汽车用SRM的定子铁心结构

赖仲蓉1曾游飞2

（1. 江西环境工程职业学院，江西 赣州 341000； 2. 江西理工大学电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000）

本文针对开关磁阻电动机（switched reluctance motor, SRM）转矩脉动大及振动噪声明显的特性，提出一种改进定子外接正12边行的定子新结构。通过有限元方法对一台三相12/8极SRM进行固有频率评估，分别得到了两种定子铁心结构前六阶固有模态振型。结果表明，两种定子结构均存在两个频率接近的固有频率，其振型的振动方向是反向的，此两种振型可转化成一个模态；通过外接正12边行结构，改变了定子铁轭的形状，提高了定子铁心的固有频率，前六阶固有频率分别提高47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%，改进后的定子铁心结构能有效降低因共振而引起的电磁振动与噪声。

新能源汽车；开关磁阻电动机；模态分析；振型；固有频率

通常将铅酸或锂电池作为新能源汽车驱动电源，受到电池容量的影响，若要增加新能源汽车的续航能力，则需配备节能、高效的电动机调速系 统[1-3]。开关磁阻电动机（switched reluctance motor, SRM）为目前发展较为迅速且高效的一类新型调速电动机。SRM驱动系统具有功率密度高的特点： ①减小了电动机的重量及体积，进而节省新能源汽车的有效空间；②SRM可控参数多，具有优异的调速特性，尤其适用于频繁起停场合；③SRM能在较宽功率区间及转速范围内持续高效运行，能有效提高新能源汽车的续航行驶里程[4-7]。但SRM电磁转矩脉动大，在特定频率下会产生谐振现象，使得SRM振动及噪声问题较为突出，因此如何降低及控制SRM的振动和噪声是目前SRM设计过程当中的重要环节[8-9]。

电动机的电磁振动噪声一方面与气隙磁场中电磁力波频率及幅值有关，另一方面还与电动机自身固有频率有关。电动机电磁振动噪声是因为径向电磁力波频率与电动机固有频率相接近，从而引发共振现象[10]。为了降低电动机振动及噪声应使这两者频率错开以防发生共振，因此研究电动机的固有频率特性对减弱电磁振动与噪声具有十分重要的意义。文献[11]提出在转子齿部位置开孔以改变磁力线的走向，从而有效控制了电动机的振动问题。文献[12]采用电流整流器（CSR）作为输入级的两极功率变换器，降低了SRM的振动。文献[13]通过对不同定子结构优化设计得到了电动机其固有频率，同时将这一结果和瞬态场下的计算结果进行了对比。文献[14]采取对转子齿部位置开槽的方法控制了电动机的径向力波。

本文以一台三相12/8极SRM为对象，首先利用有限元方法对其进行了固有频率计算；为提高电动机的固有频率，降低SRM因振动产生的噪声。考虑在原有定子铁心的基础上对其结构进行改进，定子外圆环外接正12边行，对比分析了两种定子铁心结构其固有频率分布。

1 有限元模态分析

1.1 振型求解理论

求解固有频率振型通常有解析解法及能量法。解析解法将求解模型等效为电路形式进行计算，但其计算精度较低；能量法克服了精度低的问题，包含有限元分析方法及傅里叶级数求解法。前者不但能对不规则结构进行求解，将各阶振型结果提供给用户参考，而且精度较后者也更高。因此，工程实际中通常采取有限元方法进行模态振型求解。

在有限元计算中，系统的动能及势能分别为

1.2 有限元模态计算分析理论

借助有限元分析方法做模态分析本质上是对相关矩阵求解特征值及特征向量，借助数值求解方法求解出相关部件的振动特征，最终获得部件其振型及固有频率，具体步骤如下。

首先在网格生成后任意取一单元，根据拉格朗日函数可以得到

根据线性方程组具有无穷多解的充分必要条件，即

对于电动机电磁振动与噪声，通常只分析定子铁心的径向振动状态，轴向振动情况不予考虑[15]。并且只考虑低阶径向振动的固有模态。定子铁心低阶径向模态振型如图1所示。

图1 定子低阶径向模态振型

1.3 有限元模态分析模型

实验采用的三相SRM样机相关参数见表1，额定转速为3450r/min。

表1 SRM样机参数

定子铁心是牌号为DW360_50硅钢材料叠压而成，物理特性见表2。

表2 DW360_50硅钢材料物理特性

2 定子铁心模态计算

2.1 传统定子铁心模型

根据SRM样机的相关参数，在Workbench中建立定子铁心及有限元模型如图2所示。

图2 传统定子铁心及有限元模型

因为低阶次的模态其固有频率偏低，但幅值较大，容易引发电动机共振现象，高阶次的模态固有频率偏高，很难对电动机产生激振现象，所以通常对电动机进行模态分析主要是考虑前六阶振型。传统定子结构的SRM样机前六阶振型位移结果见图3所示，其中位移量均以毫米为单位。

图3 传统定子铁心前六阶振型位移云图

2.2 改进后定子铁心模型

增加电动机定子铁心的固有频率可以有效减弱SRM的振动与噪声，一方面可以考虑改变定子轭部的形状，另一方面可以考虑对电动机壳体进行优化，通过这些方法来防止SRM径向力波的频率靠近定子铁心其固有频率，从而导致共振现象的出现。

本文提出一种改进的SRM定子新结构，在原有SRM圆形定子结构的基础上，采取外接正12边行的结构，将所有的定子齿均布在12条边中部，这部分铁心轭厚度保持不变，增加了12边形角落部位的铁轭厚度，改进后的铁心结构如图4所示。在Workbench中建立定子铁心及有限元模型如图5 所示。

图4 改进后的铁心结构

图5 改进后定子铁心及有限元模型

改进后定子结构的SRM样机前六阶振型位移结果如图6所示，其中位移量均以毫米为单位。

3 结果分析

将两种定子铁心结构前六阶振型所得固有频率进行比较，得到表3所示结果。

表3 两种定子铁心固有频率

从表3可知，无论是传统定子结构或是改进后的定子新结构，总是存在两个较为接近的固有频率，但结合图3及图6可知，虽然这两个固有频率近似相等，但是振型的振动方向却是反向的。改进后的定子铁心结构从1阶到6阶模态其固有频率分别被提高了47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%。

4 结论

本文以三相12/8极SRM为研究对象，采用有限元分析方法对SRM定子铁心分别采用传统结构及改进后结构的固有频率进行了分析，得到以下 结论：

1）无论是传统定子结构还是改进后的定子铁心结构，总是存在两个接近的固有频率，此两个固有频率所对应振型的振动方向为反向状态，但定子铁心呈对称结构，因此可将这两种模态转变成一个 模态。

2）相比传统定子结构而言，改进后的定子铁心结构定子外圆环外接正12边行，改变了定子铁轭部位的形状，使得12边形角落位置的轭厚得到增加，提高了定子铁心的固有频率，其1阶到6阶固有频率分别提高47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%，改进后的定子铁心结构能有效降低因共振而引起的电磁振动与噪声，为开关磁阻电机振动噪声优化设计提供了一定的参考依据。

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The revised stator core structure of switched reluctance motor on new energy vehicles

Lai Zhongrong1Zeng Youfei2

(1. Jiangxi Environmental Engineering Vocational College, Ganzhou, Jiangxi 341000;2. School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000)

Aiming at the characteristics of large torque ripple and obvious vibration and noise of switched reluctance motor (SRM), a new stator structure with an improved regular 12-edge row is proposed. The finite element method was used to evaluate the natural frequency of a three-phase 12/8-pole SRM, and the first six intrinsic mode shapes of two kinds of stator core structures were obtained respectively. The results show that there are two natural frequency frequencies close to each other in the two stator structures. The vibration modes of the two modes are opposite. These two modes can be transformed into one mode; the stator is changed by externally circumscribing the regular 12-edge structure. The shape of the iron yoke improves the natural frequency of the stator core. The first six natural frequencies increase by 47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、and 28.03% respectively. The improved stator core structure can effectively reduce electromagnetic vibration and noise cause by the resonance.

new energy vehicles; switched reluctance motor; modal analysis; mode of vibration; natural frequency

2018-06-12

赖仲蓉（1965-），女，江西赣州人，本科，讲师，研究方向为电机优化设计。

国家自然科学基金项目（51767008）

江西省自然科学基金项目（20171BAB206043）