新型8/9結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張宏濤，李文靜，邱愛嬌

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新型8/9結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張宏濤1，李文靜2，邱愛嬌1

（1.華晨汽車集團(tuán)控股有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 121400；2.沈陽(yáng)日豐成控電氣制造有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 121400）

新型8/9結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)，與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)不同，這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子是由一系列離散的分塊結(jié)構(gòu)所組成。定子是4相8極定子結(jié)構(gòu)，4個(gè)勵(lì)磁極和4個(gè)輔助極。而轉(zhuǎn)子是9極結(jié)構(gòu)，9個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)子極和1個(gè)非導(dǎo)磁體。所述的定子上交替的設(shè)置有勵(lì)磁極和輔助極，勵(lì)磁極的寬度是輔助極軛寬的2倍，輔助極為T型結(jié)構(gòu)，T型結(jié)構(gòu)的齒寬和軛寬相等。這種結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)的電磁利用率，降低了鐵心損耗并提高了電機(jī)的效率。為了驗(yàn)證這種電機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性，通過與現(xiàn)有的傳統(tǒng)12/8結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，使用有限元分析(FEM)對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性的仿真。結(jié)果表明，新型電機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩大和效率高等優(yōu)點(diǎn)。

8/9結(jié)構(gòu)；短磁路徑；有限元分析；高效

前言

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種雙凸極、單勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)，勵(lì)磁繞組只纏繞在電機(jī)的定子上，沒有勵(lì)磁繞組或者永磁體纏繞或者鑲嵌在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使開關(guān)磁阻電機(jī)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、加工方便、制造成本低廉、控制簡(jiǎn)單靈活、容錯(cuò)性較強(qiáng)和可靠性高等。而且還特別適用于高溫、高速的條件下運(yùn)行[1]-[6]。在新型電動(dòng)機(jī)車以及新能源系統(tǒng)等需要可靠性和容錯(cuò)性都很高的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展與應(yīng)用前景。

但開關(guān)磁阻電機(jī)也有許多缺點(diǎn)和不足之處，例如雙凸極結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行的條件下，其風(fēng)磨損耗大，鐵心損耗大，而且開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，噪聲大等。通過改進(jìn)電機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)和應(yīng)用合適的控制方法可以有效的降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這種合適的控制方法在本文中沒有討論。

本文主要介紹新型8/9開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。定子上交替的設(shè)置有勵(lì)磁極和輔助極，勵(lì)磁極的寬度是輔助極軛寬的2倍，輔助極為T型結(jié)構(gòu)，T型結(jié)構(gòu)的齒寬和軛寬相等。通過電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，效率更高。并對(duì)新型8/9結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真，保證電機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性。

1 樣機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

該T型四相開關(guān)磁阻電機(jī)，定子是4相8極的定子結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)子是9極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁繞組分別纏繞在4個(gè)獨(dú)立的勵(lì)磁極上，其顯著特點(diǎn)是其電機(jī)結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)，發(fā)明樣機(jī)的一個(gè)定子極相對(duì)的勵(lì)磁極不是同一相勵(lì)磁極，而是分別獨(dú)立地構(gòu)成一相勵(lì)磁極，形成A、B、C、D 4相勵(lì)磁極樣。端部繞組較少，可忽略不計(jì)。轉(zhuǎn)子包括9個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)子極和非導(dǎo)磁體，轉(zhuǎn)子極固定在非導(dǎo)磁體上表面，且各獨(dú)立的轉(zhuǎn)子極和與它相鄰的勵(lì)磁極、輔助極形成獨(dú)立的磁通回路，使轉(zhuǎn)子在任何位置下，電機(jī)的磁通路徑都是最短的。該定子為內(nèi)定子，考慮磁通路徑及其飽和程度，其輔助極是T型結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁極的寬度是輔助極軛寬的2倍，T型結(jié)構(gòu)的齒寬和軛寬相等。機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。此結(jié)構(gòu)使電機(jī)的磁通能通過T型定子的輔助極與轉(zhuǎn)子極形成閉合回路，磁通路徑更短，磁阻更小。相比于長(zhǎng)磁通路徑，短磁通路徑的電機(jī)更易于降低磁動(dòng)勢(shì)。電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是凸極結(jié)構(gòu)，而是圓形結(jié)構(gòu)，散熱好，有利于降低風(fēng)摩損耗。由于采用短磁通路徑，在定子和轉(zhuǎn)子中，磁通無逆轉(zhuǎn)，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換相過程中，具有不會(huì)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)采用集中繞組，電機(jī)匝數(shù)減少，同一輸入條件下，電機(jī)銅耗小、鐵心損耗小、輸出轉(zhuǎn)矩大，所以電機(jī)的輸出效率高。

圖1 樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2a介紹了當(dāng)轉(zhuǎn)子在對(duì)齊位置下，A相勵(lì)磁時(shí)樣機(jī)的磁力線分布圖。圖2b、圖2c和圖2c分別介紹了當(dāng)轉(zhuǎn)子在對(duì)齊位置下，B相、C相和D相勵(lì)磁時(shí)樣機(jī)的磁力線分布圖。如圖2所示，磁通從勵(lì)磁極開始，流入分塊轉(zhuǎn)子中，然后再?gòu)姆謮K轉(zhuǎn)子流進(jìn)與勵(lì)磁極相鄰的輔助極中，最后又返回到勵(lì)磁極，形成一個(gè)閉合的磁通回路。每個(gè)定子齒槽中的導(dǎo)體只產(chǎn)生自身的磁動(dòng)勢(shì)，槽與槽之間的繞組產(chǎn)生的互感很小，可以忽略不計(jì)。在這種電機(jī)結(jié)構(gòu)下，電機(jī)的磁通路徑很短，并且在定子軛中沒有發(fā)生磁通逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，降低了電機(jī)的鐵心損耗。

圖2 樣機(jī)的磁通路徑

2 樣機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)比

為了驗(yàn)證樣機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性，本文設(shè)計(jì)出樣機(jī)的拓?fù)鋱D來對(duì)比傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)，這兩種電機(jī)都應(yīng)用于汽車?yán)鋮s風(fēng)扇裝置（500W，12V和2800r/min）。為了確保對(duì)比的公正性，以下幾點(diǎn)要保持一致。

表1 傳統(tǒng)12/8 SRM和樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）因?yàn)槎际菓?yīng)用于同一裝置，所以電機(jī)的外徑和軸徑要一致，電機(jī)的鐵心長(zhǎng)要相等，電機(jī)的體積要相同。

（2）繞組的線規(guī)要一樣，使用相同的導(dǎo)電繞組。

（3）滿足實(shí)際材料的使用要求，磁通密度要低于1.8T。

（4）樣機(jī)的槽滿率要等于或小于傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的槽滿率。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在合理的條件下，樣機(jī)與傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

3 樣機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)的仿真分析

3.1 穩(wěn)態(tài)特性

3.1.1磁感應(yīng)強(qiáng)度

開關(guān)磁阻電機(jī)通常設(shè)計(jì)在感應(yīng)強(qiáng)度飽和區(qū)域。當(dāng)傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)和樣機(jī)運(yùn)行在磁場(chǎng)飽和區(qū)域（峰值電流為110安培）時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度均小于1.8T，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 傳統(tǒng)12/8電機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖4 樣機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

3.1.2轉(zhuǎn)矩特性

圖5展示了樣機(jī)與傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖，兩種電機(jī)的尺寸和輸入?yún)?shù)相同。如圖9所示，傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩是1.778N?m，而樣機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩是2.011N?m，輸出轉(zhuǎn)矩提高了13.1%左右。

圖5 轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

3.2 瞬態(tài)特性

為了驗(yàn)證樣機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性，對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)特性分析，通過瞬態(tài)對(duì)比，進(jìn)一步介紹了樣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1不對(duì)稱轉(zhuǎn)換器

圖6 不對(duì)稱轉(zhuǎn)換器

由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有能獨(dú)立控制每一相開通關(guān)斷的能力，所以四種開關(guān)模式，不對(duì)稱轉(zhuǎn)換器被采用。圖6展示了這種不對(duì)稱轉(zhuǎn)換器的拓?fù)鋱D。

3.2.2銅耗

電機(jī)的銅耗與相電流平均值的平方和相電阻成正比。因此，根據(jù)電流波形，電機(jī)的銅耗可表達(dá)為如公式(1)所示：

其中，是電機(jī)的相數(shù)，I是電機(jī)相電流的平均值，R是電機(jī)的相電阻，是周期，是電機(jī)勵(lì)磁繞組的長(zhǎng)度，是繞組電感系數(shù)，A是繞組的橫截面積。

3.2.3鐵耗

電機(jī)的鐵耗由磁滯損耗、附加損耗和渦流損耗組成，其公式為(4)所示：

其中，P、P和P分別為磁滯損耗、附加損耗和渦流損耗。k、k和k分別代表磁滯損耗系數(shù)、附加損耗系數(shù)和渦流損耗系數(shù)。在本文分析中，M19_29G被用在電機(jī)定轉(zhuǎn)子材料中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，k、k和k的數(shù)值分別為0.01642、0和0.0000409。

3.2.4風(fēng)摩損耗

在瞬態(tài)仿真分析中，可以根據(jù)輸出功率的2%到3%來估算風(fēng)摩損耗。本文中，風(fēng)摩損耗取2.5%，其數(shù)值為12.5W。

圖7 電流曲線圖

根據(jù)3.2.1到3.2.4的分析，在額定條件下，設(shè)置相同的外電路對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)仿真。對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)來說，其開通角為2.4°，關(guān)斷角為18.4°然而對(duì)于本文來說，樣機(jī)的開通角是0°，關(guān)斷角是10.5°，兩種電機(jī)的瞬態(tài)電流如圖7所示。從圖可以看出，傳統(tǒng)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的峰值電流大概為119A，而樣機(jī)的峰值電流為115A。更重要的是，在通電周期的末尾，傳統(tǒng)電機(jī)的電流會(huì)有一個(gè)上翹，這是由鐵心磁通的飽和引起的。兩種電機(jī)的鐵耗曲線如圖8所示，鐵耗主要產(chǎn)生在電機(jī)換向過程中。傳統(tǒng)電機(jī)的鐵耗不均勻，且鐵耗較大，而樣機(jī)的鐵耗較小且恒定，無磁通逆轉(zhuǎn)。

圖8 鐵耗曲線圖

表2 兩種電機(jī)的瞬態(tài)特性對(duì)比結(jié)果

表2展示了傳統(tǒng)電機(jī)和樣機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)瞬態(tài)特性的詳細(xì)數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在額定運(yùn)行條件下，傳統(tǒng)電機(jī)的總效率為81.91%，而樣機(jī)的總效率為83.35%，其中包含了機(jī)械損耗、銅耗和鐵耗。穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的的仿真分析對(duì)比結(jié)果顯示樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。新型8/9結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)提高了電機(jī)的電磁利用率，降低了銅耗和鐵耗，提高了電機(jī)的效率。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了傳統(tǒng)電機(jī)與樣機(jī)的性能對(duì)比，兩種電機(jī)具有相同外形尺寸。從對(duì)比結(jié)果可知，樣機(jī)具有更大的峰值轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)矩，但是樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，導(dǎo)致電機(jī)噪聲提高。更重要的是，對(duì)新型8/9結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真，保證電機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性。由于采用短磁路徑及整距繞組，樣機(jī)的銅耗及鐵耗降低，提高了樣機(jī)的效率。未來會(huì)制造一臺(tái)樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。

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A Design of The Novel 8/9 Type Switched Reluctance Motor

Zhang Hongtao1, Li Wenjing2, Qiu Aijiao1

（1.Huachen Automotive Group Holdings Co., Ltd, Liaoning Shenyang 121400; 2.Shenyang rifeng complete control electric equipment manufacture Co., Ltd, Liaoning Shenyang 121400）

The novel 8/9 type switched reluctance motor (SRM) is proposed in this report. Different from conventional structures, the rotor of proposed structure is constructed from a series of discrete segments. The stator is 4 Phases and 8 poles, 4 exciting and 4 auxiliary poles. The rotor is 9 poles, 9 discrete rotor poles and each of which is embedded in aluminum rotor block and magnetically isolated from its neighbor. The stator is constructed from two types of stator poles: exciting and auxiliary poles. The width of exciting pole is double than auxiliary pole. The auxiliary pole is T type and the width of the tooth and yoke are same. Compared with conventional SRM, the proposed structure increases the electrical utilization of the machine and reduces the core losses, which may leads to higher efficiency. To verify the proposed structure, finite element method (FEM) is employed to get static and dynamic characteristics of conventional 12/8 and proposed SRM. The results show that the torque and efficiency of proposed SRM are higher.

8/9 type; short flux; FEM; high efficiency

U462

A

1671-7988(2019)07-161-04

張宏濤，碩士、中級(jí)工程師，就職于華晨汽車集團(tuán)控股有限公司，主要研究?jī)?nèi)容為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配。

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.054