電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法*

陳 飛, 瞿遂春, 邱愛兵, 沈 杰

(南通大學(xué)，江蘇 南通 226019)

電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法*

陳 飛, 瞿遂春, 邱愛兵, 沈 杰

(南通大學(xué)，江蘇 南通 226019)

根據(jù)電動(dòng)車的性能要求，提出了一種電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)設(shè)計(jì)、優(yōu)化方法。首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行了預(yù)設(shè)計(jì)，隨后用Ansoft軟件校驗(yàn)了電機(jī)性能。對(duì)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)果。

開關(guān)磁阻電機(jī)；預(yù)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)參數(shù)；優(yōu)化

0 引 言

目前國(guó)家正大力發(fā)展新能源技術(shù)，電動(dòng)車因勢(shì)而起，得到了快速的發(fā)展，如景區(qū)內(nèi)的觀光車、小區(qū)里的治安巡邏車等。電動(dòng)車作為一種新興的代步用車，不僅綠色環(huán)保而且在未來有極大的發(fā)展?jié)摿?。目前電?dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有永磁電機(jī)、異步電機(jī)、直流電機(jī)等。

作為一種新型電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[1]、制造成本低、調(diào)速范圍寬[2]、控制靈活且效率高等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比有較大的競(jìng)爭(zhēng)力，而且能滿足電動(dòng)車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小的需求[3]，所以在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

因?yàn)镾RM的定、轉(zhuǎn)子呈雙凸極結(jié)構(gòu)[4]，且繞組為脈沖電流、磁路非線性、局部磁路高度飽和，所以傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法不適用SRM。本文在對(duì)電機(jī)性能特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，利用Ansoft軟件校對(duì)與優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行性能仿真[5]，得到最優(yōu)結(jié)果。

1 SRM預(yù)設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)車的性能要求以及經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)三相6/4結(jié)構(gòu)的SRM進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。其額定電壓UN=60 V，額定功率PN=4.5 kW，額定電流86.2 A，額定轉(zhuǎn)矩17.19 N·m，額定轉(zhuǎn)速nN=2 500 r/min，電機(jī)效率83%，冷卻方式為風(fēng)冷。

電機(jī)電磁功率

電機(jī)細(xì)長(zhǎng)比

式中：λ——1.2；

Da——轉(zhuǎn)子外徑；

la——鐵心長(zhǎng)度。

轉(zhuǎn)子外徑

式中：ki——峰值電流系數(shù)，取0.5；

Bδ——磁負(fù)荷，預(yù)取0.445 T；

A——電負(fù)荷，預(yù)取25 000 A/m；

km——方波電流系數(shù)，取0.8；

n——額定轉(zhuǎn)速。

鐵心長(zhǎng)度la=λDa，定子外徑Ds：Da/Ds取0.5。

定子極弧βs=(0.34～0.45)τr，轉(zhuǎn)子極弧βr=(0.34～0.5)τr，其中τr為轉(zhuǎn)子極距。

每相繞組串聯(lián)匝數(shù)可由式(4)確定：

式中：Nr——轉(zhuǎn)子極數(shù)；

U——繞組端電壓；

θc——導(dǎo)通角；

lδ——有效鐵心長(zhǎng)度。

由上述預(yù)設(shè)計(jì)得到電機(jī)主要尺寸如表1所示。

表1 SRM尺寸參數(shù)

2 基于Ansoft的SRM數(shù)值仿真

2.1在RMxprt中的仿真

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，在Ansoft中RMxprt分析模式[6]下設(shè)置電機(jī)的各個(gè)參數(shù)，得到電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。對(duì)電機(jī)模型仿真求解后得到主要性能參數(shù)曲線，如圖2～4所示。圖2為轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖，表明SRM在起動(dòng)時(shí)有著較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，符合車輛大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。

圖1 SRM模型圖

圖2 轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖3 轉(zhuǎn)速-效率曲線

圖4 轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線

從圖3、圖4可以看出，當(dāng)SRM運(yùn)行在額定條件下時(shí)電機(jī)的效率、輸出功率都符合電動(dòng)車的設(shè)計(jì)要求，表明了電機(jī)前期參數(shù)設(shè)計(jì)正確。

2.2在靜磁場(chǎng)中的仿真

圖5(a)～(d)給出了SRM在額定電流下，轉(zhuǎn)子位置角分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的磁力線分布圖。

圖5 單相勵(lì)磁SRM磁力線分布圖

圖6所示為SRM在一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距內(nèi)，電流為0～90 A時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線。圖7為SRM電感特性曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角在0°～45°時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正，轉(zhuǎn)矩隨電流的增加而增大，對(duì)應(yīng)圖7中的電感上升區(qū)；當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角在45°～90°時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)矩亦隨電流的增加而增大，對(duì)應(yīng)圖7中的電感下降區(qū)。

圖6 矩角特性曲線

圖7 電感特性曲線

圖8為SRM的磁化曲線簇。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角較小時(shí)，磁路不飽和，隨著轉(zhuǎn)子位置角增大，磁路的飽和程度逐漸增加。

圖8 磁化特性曲線

2.3在瞬態(tài)場(chǎng)中的仿真

圖9為電機(jī)網(wǎng)格剖分圖，為了提高氣隙磁密的計(jì)算準(zhǔn)確度，氣隙部分網(wǎng)格剖分較密。圖10為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形圖，表明SRM具有較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖9 SRM網(wǎng)格剖分圖

圖11為SRM在導(dǎo)通區(qū)為-2°～28°時(shí)三相電流波形，繞組通電后，電流迅速上升，在電感的下降區(qū)續(xù)流電流較小。

圖10 SRM轉(zhuǎn)矩波形圖

圖11 SRM三相電流波形圖

3 SRM主要結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

為了滿足SRM能自起動(dòng)的要求[7]，應(yīng)滿足如下條件：

對(duì)于三相6/4結(jié)構(gòu)的電機(jī)，定子極弧最小為30°，轉(zhuǎn)子極弧大于定子極弧。

圖12、圖13為不同定、轉(zhuǎn)子極弧時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

圖12 定子極弧-輸出轉(zhuǎn)矩

圖13 轉(zhuǎn)子極弧-輸出轉(zhuǎn)矩

由圖12可知，定子極弧在22°左右時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩最大，定子極弧大于22°之后輸出轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢(shì)。圖13表明轉(zhuǎn)子極弧在26°左右，輸出轉(zhuǎn)矩為最大，轉(zhuǎn)子極弧大于26°之后輸出轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢(shì)。

考慮到電機(jī)的自起動(dòng)要求，SRM中確定定、轉(zhuǎn)子極弧分別為30°、32°。此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，滿足電動(dòng)車自起動(dòng)及額定轉(zhuǎn)矩的要求。

圖14、圖15為不同定、轉(zhuǎn)子軛高時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

圖14 定子軛高-輸出轉(zhuǎn)矩

圖15 轉(zhuǎn)子軛高-輸出轉(zhuǎn)矩

定子軛高增大，則電機(jī)外徑增大，由圖14可知，輸出轉(zhuǎn)矩隨定子軛高的增加而增加，定子軛高小于14.5 mm時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩增幅較大，定子軛高大于14.5 mm時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩增幅較小。為了得到較大的轉(zhuǎn)矩密度，定子軛高的優(yōu)化值取14.5 mm。

由圖15可知，在轉(zhuǎn)子外徑一定的情況下，轉(zhuǎn)子軛高在11 mm左右，輸出轉(zhuǎn)矩最大。表2為優(yōu)化后SRM結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 優(yōu)化后SRM結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)電動(dòng)車的性能要求，提出了SRM電機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法：

(1) 對(duì)SRM進(jìn)行了預(yù)設(shè)計(jì)；

(2) 利用Ansoft軟件對(duì)SRM進(jìn)行了靜態(tài)及瞬態(tài)仿真，得到了SRM的性能曲線，驗(yàn)證了預(yù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；

(3) 對(duì)SRM的主要尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化值。

[1] 王宏華.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

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ADesignandOptimizationMethodofSwitchedReluctanceMotorforElectricVehicle

CHENFei,QUSuichun,QIUAibing,SHENJie

(Nantong University, Nantong 226019, China)

By the performance requirements of the electric vehicle, a design and optimization method of switched reluctance motor (SRM) for electric vehicle was presented. First, the motor was pre-designed, then used the Ansoft to check motor performance. The main structural parameters of the motor were analyzed and optimized to got the optimal result.

switchedreluctancemotor;pre-design;structureparameter;optimization

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61473159)

陳 飛(1993—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)及其控制。

TM 352

A

1673-6540(2017)10- 0114- 05

2016 -12 -12