鄭康凱,張存山
(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255000)
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可在高溫高速條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,工業(yè)化程度逐步加強(qiáng),高速電機(jī)的需求日益旺盛,由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)獨(dú)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和可控參數(shù)多的優(yōu)點(diǎn),使得高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)研究設(shè)計(jì)成為各大高校和科研機(jī)構(gòu)不斷探索的方向。但較普通轉(zhuǎn)速的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比,高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波動(dòng)范圍更寬,尤其是電流換相時(shí)造成的轉(zhuǎn)矩輸出極小,這導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩質(zhì)量下降,給高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的推廣應(yīng)用帶來(lái)了極大的不便。
降低開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法主要有兩種。第一種是從控制方面進(jìn)行優(yōu)化,從而得到較為滿意的輸出轉(zhuǎn)矩曲線,但這種方法增加了成本,并
且使電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜化。第二種方法是從本體結(jié)構(gòu)方面通過(guò)改變定轉(zhuǎn)子極面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,這種方法能從根本上解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題,已有很多人進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]通過(guò)在轉(zhuǎn)子齒一側(cè)開(kāi)鋸齒狀槽來(lái)改善磁力線的分布,導(dǎo)致有一個(gè)更線性的電感曲線,從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[4]首先優(yōu)化定子極面充分減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),然后在轉(zhuǎn)子上設(shè)置極靴改善未對(duì)齊位置時(shí)的電感曲線,取得了更為顯著的效果。文獻(xiàn)[5]研究了T形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響,T形轉(zhuǎn)子齒能夠增強(qiáng)切向力波,減小徑向力波,從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽的方法減小電機(jī)振動(dòng),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電機(jī)振動(dòng)的主要原因之一,轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽不僅能減小電機(jī)振動(dòng),同樣可以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?,F(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)于抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究還是以常規(guī)轉(zhuǎn)速的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例,對(duì)高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究并不常見(jiàn)。
本文分析了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因,考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,提出了一種改善轉(zhuǎn)子極面結(jié)構(gòu)的方法,在轉(zhuǎn)子上同時(shí)設(shè)置極靴和開(kāi)槽,可以改善磁力線的分布,減小齒間的磁路飽和影響,在保證效率的條件下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小,具有廣闊的發(fā)展前景。
邊緣磁通和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)獨(dú)有的雙凸極結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)重要原因[7]。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)理想輸出特性曲線如圖1所示。
圖1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)理想輸出特性曲線
在線性假設(shè)條件下,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為
(1)
式中,i為繞組電流,θ為轉(zhuǎn)子位置角,L(θ)為自感,忽略互感。
如圖1所示,理想電感條件下,在轉(zhuǎn)子齒與定子齒重合之前,即臨界重合角之前,電感是常數(shù),所以繞組電流線性增長(zhǎng),電感的斜率為零沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出。臨界重合角之后,電感線性增長(zhǎng),如果繞組電流能被控制為恒定值,由式(1)可知輸出轉(zhuǎn)矩是恒定的,理想電感條件下沒(méi)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3]。
但實(shí)際的電感并非如此,實(shí)際電感如圖2所示。由于邊緣磁通的影響,電感在臨界重合角之前不是恒定值,電感的存在產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩且使電流非線性增長(zhǎng),臨界重合角以后電感增長(zhǎng)的速度減慢,繞組電流為常值,從而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小,使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)。
圖2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)際輸出特性曲線
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)磁力線分布圖和磁通密度云圖如圖3所示,在轉(zhuǎn)子由不對(duì)齊位置向?qū)R位置旋轉(zhuǎn)時(shí),重合的定轉(zhuǎn)子齒間會(huì)有磁力線穿過(guò)。由于此時(shí)定轉(zhuǎn)子之間接觸面積有限,導(dǎo)致邊緣磁通效應(yīng)十分顯著。
圖3 磁力線分布圖和磁通密度云圖
除邊緣磁通外,雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的磁路飽和也是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因。由磁通密度云圖可知定轉(zhuǎn)子齒飽和位置一般都在定轉(zhuǎn)子齒尖兩側(cè)位置,因此,合理改進(jìn)定轉(zhuǎn)子極面結(jié)構(gòu)尤其是齒尖結(jié)構(gòu)將會(huì)有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[2],設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定電壓220V、額定轉(zhuǎn)速20000r/min、額定功率3kW的高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī),繞組連接方式為串聯(lián)。樣機(jī)幾何尺寸和基本參數(shù)如表1所示。
表1 樣機(jī)幾何尺寸和基本參數(shù)
利用有限元軟件Ansoft建立高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的模型。建立的二維有限元模型如圖4所示。
圖4 高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)二維有限元模型
一般地,繞組磁鏈ψk是繞組電流ik和轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)[2],即:
ψk=ψk(ik,θ)
(2)
輸出轉(zhuǎn)矩既可用磁能表示,也可用磁共能表示,這里用磁共能來(lái)表示輸出轉(zhuǎn)矩。磁共能為
(3)
根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩Te為[2]
(4)
式中,q為電機(jī)相數(shù)。
為衡量輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小,定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為
(5)
式中,Tmax為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩值,Tmin為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩值,Tav為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩值。
以保證電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩基本不變,且減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目的,設(shè)計(jì)了一種新型轉(zhuǎn)子齒形。
原始轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下平均轉(zhuǎn)矩為1.48Nm,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為2.47。
極靴形狀示意圖如圖5所示,設(shè)置極靴跨度為s,單位為度,設(shè)置極靴厚度為t,單位為mm。
圖5 極靴形狀示意圖
極靴的存在會(huì)影響定子齒與轉(zhuǎn)子齒重合時(shí)的磁力線分布,對(duì)邊緣磁通的改善有一定積極影響,從而使電感曲線更接近理想電感曲線。同時(shí),極靴能夠減少?gòu)较蛄Σ?,增大切向力波,減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[4-5]。
以極靴跨度s和極靴厚度t為自變量,以平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為因變量,進(jìn)行參數(shù)化分析。設(shè)極靴跨度s起始值為1°,步長(zhǎng)為1°,終止s=6°;極靴厚度t起始值為0.5mm,步長(zhǎng)為0.5mm,終止t=2.5mm[8]。將得到的結(jié)果繪制成曲線圖,圖6為不同極靴厚度下極靴跨度與平均轉(zhuǎn)矩的曲線。
圖6 不同極靴厚度下極靴跨度與平均轉(zhuǎn)矩的曲線
圖7為不同極靴厚度下極靴跨度與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線。
圖7 不同極靴厚度下極靴跨度與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線
由圖6可知,極靴厚度對(duì)平均轉(zhuǎn)矩的影響較大,當(dāng)極靴厚度變大時(shí),平均轉(zhuǎn)矩減小。同一極靴厚度下,極靴跨度增大,平均轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小。極靴跨度增大時(shí),極靴厚度越大,平均轉(zhuǎn)矩下降的趨勢(shì)越明顯。
從圖7中可以看到,不同極靴厚度下隨著極靴跨度變大,總體上轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)是減小的,但也有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)變大的情況。某些情況下極靴的設(shè)置會(huì)使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)大于原始轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)。
通過(guò)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子上設(shè)置合理的極靴會(huì)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但平均輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小。當(dāng)極靴厚度為1.5mm,極靴跨度為6°時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)最小,為1.29,此時(shí)平均轉(zhuǎn)矩為0.86Nm。
開(kāi)槽轉(zhuǎn)子示意圖如圖8所示,設(shè)槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離為h,單位為mm,槽長(zhǎng)為l,單位為mm,槽寬為w,單位為mm。
圖8 開(kāi)槽轉(zhuǎn)子示意圖
在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽能夠減小氣隙中的徑向磁密,增大切向磁密,達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的[6]。
開(kāi)槽轉(zhuǎn)子有3個(gè)變量,即槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離、槽長(zhǎng)、槽寬。使兩個(gè)變量保持不變而改變另一個(gè)變量,從而觀察此變量對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的影響。設(shè)槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離h和槽長(zhǎng)l不變,均設(shè)置為1mm,使槽寬w起始值為0.5mm,步長(zhǎng)為0.5mm,終止w=5mm。得到槽寬與平均轉(zhuǎn)矩的曲線,如圖9所示。
圖9 槽寬與平均轉(zhuǎn)矩的曲線
槽寬與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線如圖10所示。
圖10 槽寬與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線
由上述兩圖可知,改變槽寬對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)影響較大。當(dāng)槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離h和槽長(zhǎng)l不變時(shí),槽寬變長(zhǎng),平均轉(zhuǎn)矩變大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)減小。槽寬并不是越大越好,也要考慮到實(shí)際轉(zhuǎn)子齒寬的大小和轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的要求。當(dāng)槽寬為5mm時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)最小,為1.62,此時(shí)平均轉(zhuǎn)矩為2.14Nm。
設(shè)槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離h和槽寬w不變,均設(shè)置為1mm,使槽長(zhǎng)l起始值為0.5mm,步長(zhǎng)為0.5mm,終止l=5mm。得到槽長(zhǎng)與平均轉(zhuǎn)矩的曲線,如圖11所示。
圖11 槽長(zhǎng)與平均轉(zhuǎn)矩的曲線
槽長(zhǎng)與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線如圖12所示。
圖12 槽長(zhǎng)與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線
由圖11、圖12可知,單獨(dú)改變槽長(zhǎng)l對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的影響不是很大。隨著槽長(zhǎng)變大,平均轉(zhuǎn)矩變大,槽長(zhǎng)從0.5mm增長(zhǎng)到5mm,平均轉(zhuǎn)矩僅增加了0.08Nm。槽長(zhǎng)變化時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)在小范圍內(nèi)變化,最大值是2.28,最小值是2.23。
設(shè)槽長(zhǎng)l和槽寬w不變,均設(shè)置為1mm,使槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離h起始值為0,步長(zhǎng)為0.5mm,終止h=5mm。得到槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離與平均轉(zhuǎn)矩的曲線,如圖13所示。
圖13 槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離與平均轉(zhuǎn)矩的曲線
槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線如圖14所示。
圖14 槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的曲線
由上述兩圖可以獲知,槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離的變大會(huì)使平均轉(zhuǎn)矩減小,然后平均轉(zhuǎn)矩維持在一個(gè)較平穩(wěn)的范圍。隨著槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離的變大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)先減小后變大,最小值為1.87,此時(shí)槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離為0.5mm。開(kāi)槽位置如果距轉(zhuǎn)子齒頂較遠(yuǎn),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)會(huì)變大,甚至大于原始轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)。所以,槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離h不宜取得較大。
綜上,在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽能減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù),同時(shí)使平均轉(zhuǎn)矩變大。開(kāi)槽位置大小參數(shù)變量中對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)影響較大的是槽寬。所以,在具體確定開(kāi)槽位置大小參數(shù)時(shí)要權(quán)衡各個(gè)參數(shù)對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)的影響,找到最優(yōu)選擇。
轉(zhuǎn)子上設(shè)置極靴和轉(zhuǎn)子齒側(cè)開(kāi)槽結(jié)合示意圖如圖15所示。
圖15 極靴與轉(zhuǎn)子開(kāi)槽結(jié)合示意圖
轉(zhuǎn)子上設(shè)置合理的極靴會(huì)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但平均轉(zhuǎn)矩會(huì)減?。晦D(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽也會(huì)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但會(huì)使平均轉(zhuǎn)矩變大。根據(jù)上述有限元仿真分析,設(shè)置合理的極靴和轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽進(jìn)行結(jié)合,確定了最佳方案。在保持電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的要求下,同時(shí)維持電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩基本不變,使極靴厚度t=2mm,極靴跨度s=5°,槽距轉(zhuǎn)子齒頂距離h=2mm,槽長(zhǎng)l=2mm,槽寬w=4mm,得到高速SR電機(jī)改良結(jié)構(gòu)模型如圖16所示。
圖16 高速SR電機(jī)改良結(jié)構(gòu)模型
改良后的高速SR電機(jī)磁力線分布圖和磁通密度云圖如圖17所示。由此可見(jiàn),無(wú)論是磁力線分布還是定轉(zhuǎn)子齒間的磁路飽和程度,都得到了很大程度的改善。
圖17 改良后的磁力線分布圖和磁通密度云圖
將高速SR電機(jī)原始結(jié)構(gòu)與改良結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析,得到的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲線圖如圖18所示。實(shí)線部分為高速SR電機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型,虛線部分為高速SR電機(jī)改良后的模型。由兩種結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖可以看到,在平均輸出轉(zhuǎn)矩基本相同的條件下,轉(zhuǎn)矩最大值由4.11Nm減小到2.4Nm,減小程度明顯,轉(zhuǎn)矩最小值由0.46Nm增加到0.57Nm,轉(zhuǎn)矩最小值有所增大,但增大的幅度不大。
圖18 瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)比
對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析,采用單相繞組勵(lì)磁,繞組電流取10A,得到靜態(tài)場(chǎng)下轉(zhuǎn)矩-角度曲線如圖19所示[9]。實(shí)線部分為高速SR電機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型,虛線部分為高速SR電機(jī)改良后的模型。
圖19 轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比
由圖19可以看出,改良后的高速SR電機(jī)模型在電機(jī)定轉(zhuǎn)子未對(duì)齊位置獲得了更大的轉(zhuǎn)矩值,后續(xù)的轉(zhuǎn)矩突變也有所減小。
繞組電流以30A為例,角度取0~90°,只考慮自感,忽略互感的影響,得到電感與角度的曲線如圖20所示。
圖20 電感特性對(duì)比
實(shí)線部分為高速SR電機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型,虛線部分為高速SR電機(jī)改良后的模型。從中可以看到,改良后的高速SR電機(jī)電感曲線斜率變小,電感曲線更接近理想電感曲線,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小。
分別取0°位置和45°位置,得到這兩個(gè)位置的磁鏈與電流曲線,如圖21所示。實(shí)線部分為高速SR電機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型,虛線部分為高速SR電機(jī)改良后的模型。
圖21 磁鏈與電流曲線對(duì)比
在0°位置,磁鏈與電流為線性關(guān)系,改良后的高速SR電機(jī)模型與原始轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高速SR電機(jī)相比,在相同電流下可獲得更大的磁鏈值。在45°位置,改良后的電機(jī)特性與原始結(jié)構(gòu)相比,磁鏈與電流曲線的非線性程度減弱,電感線性程度增強(qiáng),并且在飽和區(qū)磁鏈變小。
本文使用Ansoft對(duì)高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行建模,通過(guò)在轉(zhuǎn)子上設(shè)置極靴和在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽結(jié)合,以達(dá)到削弱邊緣磁通的影響和改善雙凸極結(jié)構(gòu)減小飽和程度。原始結(jié)構(gòu)的高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模型平均輸出轉(zhuǎn)矩為1.48Nm,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為2.47;改良后的高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模型平均輸出轉(zhuǎn)矩為1.46Nm,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為1.25。通過(guò)前后性能曲線圖的比較,新結(jié)構(gòu)確實(shí)在減小高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面有一定成效。這種新型的轉(zhuǎn)子齒形不僅能有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),而且能保證平均輸出轉(zhuǎn)矩基本不變。此次的仿真實(shí)驗(yàn)也為高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)。