研究与设计ｌ ＥＭＣＡ 、毫｝札再控制应１日２０１７，４４（５） 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水 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，四川成都摘６１００３９） 要：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。 关键词：开关磁阻电机；非均匀气隙；转矩脉动；定子极面 中图分类号：ＴＭ ３５２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—６５４０（２０１７）０５．Ｏ０８０．０４ Ｎｅｗ Ｓｔａｔｏｒ Ｐｏｌｅ Ｓｈａｐｅ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｒｉｐｐｌｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎｇｌｏｎｇ， ＷＡＮＧ Ｊｕｎ，ＹＡＮＧ Ｙａｎｘｉａｎｇ，ＦＡＮ Ｚｈｅｎｎａｎ，ＬＩＵ Ｚｈａｎｑｉａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｘｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 １ １ 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 ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｉｔｈ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｆｈｅ ｍｏｔｏｒ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ．Ａ ｕｓｅｆｕｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ（ＳＲＭ）；ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ ａｉｒ ｇａｐ；ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ；ｓ￣ｔｏｒ ｐｏｌｅ ｓｈａｐｅ ０ 引 言 作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机 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 （Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ，ＳＲＭ）以其结构简单、 起动转矩大、可靠性高等优点 Ｊ，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 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 影响。因此，很有必要从其电磁结构优化设计人 手，开展转矩脉动抑制的研究工作。 基金项目：四川省教育厅重点科研项目（１６ＺＡ０１５５） 作者简介：张向龙（１９８９一），男，硕士研究生，研究方向为开关磁阻电机结构优化。 一８０— 研究与设计ｉ Ｅ呻队 图３控制电路 ＝Ｒ ＋ （２） 式中： ——绕组端电压； Ｒ 、 ——绕组电阻和绕组电流； ——相绕组磁链。 ３计算结果分析 定义转矩脉动系数｜ｉ｝：—Ｔｍ ａｘ－Ｔｍｉｎ一，Ｔｍ 为最大 』ａ 转矩， ｉ 为最小转矩， 为平均转矩。相关结果 如图４一图８所示。 转子位蜃 ） （ａ）电感波形 转子位景／（。） （ｂ）转矩波形 ０ ５ ｌ０ ｌ５ ２０ ２５ ３０ ３５ 转子位薰／（。） （ｃ）电流波形 图４不同ｄ时的仿真结果 一８２一 迫札曲控刊应用２０１７，４４（５） 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*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。 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 迫扎与洲应用２，０１７，４４（５） 研究与设计Ｉ Ｅ胁ｃＡ １２０ ｌ００ ４ 结 语 ８０ 蕾６Ｏ 本文提出了一种新型的定子极面结构，使气 ４ｏ 隙分为非均匀和均匀两个部分，通过有限元仿真 ２０ 分析，得到了最优的结构参数。该结构在保证电 ０ 机效率基本不变的情况下，可以有效地抑制转矩 … （ａ）不同 时转矩脉动系数 脉动，对于ＳＲＭ结构的优化具有较高的借鉴 １０２ 价值。 １０Ｏ ９８ 【参考文献】 ９６ 较９４ 郑泽东，李永东．永磁同步电机控制系统综述［Ｊ］． ９２ ９０ 伺服控制，２０１１，１２（４）：２１．２３． 侈 吴建华．开关磁阻电机设计与应用［Ｍ］．北京：机 （ｂ）不ＭＨＩ 寸的效率曲线 械工业出版社，２０００． 图７不同Ｈ／Ｗ时的仿真结果 ｒ；ｒＬ王勉华， 张朴．ｒＬ基于有限元法的开关磁阻电机结构 ｒＬ ｒＬ ｒＬ １ ２ ３ ４优化［Ｊ］． 电机控制与应用，５ ６ ２０１５，４２（４）：２７．７ ２９． ８ １ｊ］ １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ ＨＵＲ Ｊ．ＫＡＮＧ Ｇ Ｈ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｓｈ 的增大，电机效率将会逐渐减小。因此当Ｈ／Ｗ＝ ｔｏｒｑｕｅ，ｌｏｗ ｒｉｐｐｌｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｌｕｘ １５％时，既可以保证电机效率基本不变，又能有效 ｂａｒｒｉｅｒ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ： 地抑制转矩脉动。 Ｉｎｄｕｓｔｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００４：４０７． ＪＩＮ Ｗ Ｌ，ＨＯＮＧ Ｓ Ｋ．Ｎｅｗ ｒｏｔｏｒ ｓｈａｐｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆ ＳＲＭ ｕｓｉｎｇ ＦＥＭ［Ｊ］．ＩＥＥＥ 莒 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２００４，４０（２）：７５４—７５７． ＧＡＲＩＰ Ｍ，ＯＺＯＧＬＵ Ｙ．Ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ 癣 ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｆｕｌｌｙ ｐｉｔｃｈｅｄ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒｓ ｂｙ ｐｏｌｅ ｔｉｐ ｓｈａｐｉｎｇ［ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ： Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２：１５７—１６１． 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）： 图８原始结构与新型结构的转矩对比 ３１．３４． 张鑫，王秀和，杨玉波，等．基于转子齿两侧开槽的 图８为当Ｈ／Ｗ＝１５％时，原始结构和新型结 开关磁阻电机振动抑制方法研究［Ｊ］．中国电机工 构合成转矩的对比。一方面，在区域Ｉ中，新型结 程学报，２０１５，３５（６）：１５０８．１５１５． 构提高了相邻两相转矩交叉点，起到了“填谷”的 宋受俊，葛乐飞，张蔓．开关磁阻电机多目标协同优 效应。另一方面，在区域Ⅱ中，转矩波形得到了有 化设计［Ｊ］．电机与控制学报，２０１５，１９（１）：６８－７５． 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 收稿日期：２０１６－０８—１５ ３０％，对于转矩脉动的抑制起到了较好的作用。 引领技术发展趋势 报道经典实用案例 反映行业最新动态 一８３—
