張向龍, 王 軍, 楊燕翔, 范鎮(zhèn)南, 劉占千

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039)

基于新型定子極面結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究

張向龍, 王 軍, 楊燕翔, 范鎮(zhèn)南, 劉占千

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039)

為抑制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提出了一種新型定子極面結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)均勻氣隙結(jié)構(gòu)改成兩段式的非均勻氣隙結(jié)構(gòu)。以一臺(tái)11 kW、1 000 r/min、12/8極SRM為例，通過(guò)建立二維場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元模型，對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證與優(yōu)化。結(jié)果表明：此類(lèi)結(jié)構(gòu)能夠在保證電機(jī)效率基本不變的情況下，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),為進(jìn)一步提升SRM的設(shè)計(jì)與運(yùn)行水平，提供了有益的參考。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；非均勻氣隙；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；定子極面

0 引 言

作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在煤炭、航空、石油等領(lǐng)域，具有廣闊應(yīng)用前景。但與此同時(shí)，由于其電磁結(jié)構(gòu)尚不夠成熟，致使其內(nèi)部磁場(chǎng)分布不盡合理，進(jìn)而對(duì)其運(yùn)行控制品質(zhì)產(chǎn)生了負(fù)面影響，以致其在實(shí)際運(yùn)行中，常常面臨轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)一步推廣應(yīng)用造成了極為不利的影響。因此，很有必要從其電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，開(kāi)展轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究工作。

近年來(lái)，基于電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究越來(lái)越廣泛。文獻(xiàn)[3]通過(guò)在轉(zhuǎn)子極身添加小孔來(lái)優(yōu)化電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布，并且在定子磁極上添加楔形角，減小定轉(zhuǎn)子接觸時(shí)的轉(zhuǎn)矩突變，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[4]通過(guò)在轉(zhuǎn)子齒和軛中加入空氣氣隙，增大徑向磁密，減小切向磁密，達(dá)到了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。文獻(xiàn)[5]通過(guò)在轉(zhuǎn)子齒一側(cè)增加一個(gè)V型槽口，減小了邊緣磁通的影響，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[6]采用整距繞組，通過(guò)改變定轉(zhuǎn)子極端的形狀，提高轉(zhuǎn)矩曲線在上升階段的斜率，取得了較為理想的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果。但截至目前，通過(guò)優(yōu)化定子極面結(jié)構(gòu)，改變氣隙形狀，進(jìn)而優(yōu)化磁場(chǎng)分布，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究工作，尚有待進(jìn)一步開(kāi)展。

為此，本文提出了一種SRM新型定子極面結(jié)構(gòu)，通過(guò)構(gòu)造不均勻氣隙，在保證電機(jī)效率基本不變的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效抑制。

1 SRM定子極面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)電機(jī)電磁場(chǎng)與電機(jī)設(shè)計(jì)理論可知：?jiǎn)渭兎糯骃RM氣隙，雖然可以有效抑制其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但卻會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率下降[7-9]。為同時(shí)滿足SRM轉(zhuǎn)矩抑制與運(yùn)行效率兩方面的要求，本文通過(guò)改變其定子極面形狀，將其氣隙設(shè)計(jì)為兩段式非均勻結(jié)構(gòu)：前一部分沿著電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向氣隙逐漸減小，后一部分氣隙保持不變，即前一部分為非均勻氣隙，后一部分為均勻氣隙,如圖1所示。圖1中,d表示非均勻氣隙的偏心距離，W表示定子極弧弧長(zhǎng)，H表示非均勻氣隙極弧弧長(zhǎng)。

圖1 新型的定子極面結(jié)構(gòu)

2 SRM樣機(jī)設(shè)計(jì)方案與場(chǎng)路耦合分析模型

2.1 樣機(jī)設(shè)計(jì)方案

為驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果。以1臺(tái)11 kW、1 000 r/min、12/8極SRM為例，建立其二維場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元分析模型，分析其轉(zhuǎn)矩狀況。與此同時(shí)，為得出較優(yōu)的兩段氣隙長(zhǎng)度比例，對(duì)不同的兩段氣隙長(zhǎng)度比對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩狀況對(duì)比分析。相關(guān)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)方案如表1、表2所示。

2.2 SRM磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

本文選取整個(gè)SRM的二維截面作為磁場(chǎng)求解區(qū)域，如圖2所示。

表1 樣機(jī)的基本參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖2 求解域與網(wǎng)格剖分

在求解區(qū)域內(nèi)，忽略電機(jī)的渦流及端部效應(yīng)，加入邊界條件，則該電機(jī)在直角坐標(biāo)系下的二維磁場(chǎng)邊值問(wèn)題可表述如下：

(1)

式中：Az——矢量磁位的z軸分量;Jz——繞組區(qū)域電流源密度;S_OUTER——定子外徑邊界，滿足第一類(lèi)齊次邊界條件。

為了研究此類(lèi)結(jié)構(gòu)SRM的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性，本文建立了三相繞組的控制電路，將外電路方程和磁場(chǎng)方程結(jié)合起來(lái)進(jìn)行求解。控制電路采用三相不對(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 控制電路

根據(jù)圖3可得，第k相繞組的電壓平衡方程為

(2)

式中:U——繞組端電壓;Rk、ik——繞組電阻和繞組電流;Ψk——相繞組磁鏈。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖4 不同d時(shí)的仿真結(jié)果

圖4為H/W=0，d=0～3.0 mm時(shí)單相電感、電流、轉(zhuǎn)矩的波形曲線。由圖4(b)可見(jiàn)，隨著d的增加，轉(zhuǎn)矩波形逐漸接近平頂波。當(dāng)d=3.0 mm時(shí)，可以得到最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩波形。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)曲線如圖5所示。但另一方面，由圖4(c)可見(jiàn)，隨著d的增加，相應(yīng)的相電流也會(huì)逐漸增大，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率下降。不同d時(shí)，電機(jī)的效率曲線如圖6所示。

圖5 不同d時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)

圖6 不同d時(shí)的效率曲線

上述結(jié)果表明，僅通過(guò)偏移定子極弧的圓心，使氣隙沿著電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向逐漸減小，雖然可以獲得較為理想的脈動(dòng)抑制效果，但與此同時(shí)仍會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率的下降。因此，在方案1的基礎(chǔ)上，將其改進(jìn)為兩段式的氣隙結(jié)構(gòu)，前半部分為非均勻氣隙結(jié)構(gòu)，后半部分為均勻氣隙結(jié)構(gòu)，即方案2。

圖7 不同H/W時(shí)的仿真結(jié)果

由于氣隙的增大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率的下降，因此非均勻氣隙部分應(yīng)選取較小的偏心距離d。本文在方案2中選取d=1.0 mm，對(duì)不同的H/W取值進(jìn)行了二維有限元分析,如圖7所示。由圖7(a)可見(jiàn)，隨著H/W的增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)先減小，然后逐漸變大，在H/W=15%時(shí)，可以獲得最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由圖7(b)可見(jiàn)，當(dāng)H/W較小時(shí)，對(duì)效率影響很小，當(dāng)H/W大于15%以后，隨著H的增大，電機(jī)效率將會(huì)逐漸減小。因此當(dāng)H/W=15%時(shí)，既可以保證電機(jī)效率基本不變，又能有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖8 原始結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖8為當(dāng)H/W=15%時(shí)，原始結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)合成轉(zhuǎn)矩的對(duì)比。一方面，在區(qū)域Ⅰ中，新型結(jié)構(gòu)提高了相鄰兩相轉(zhuǎn)矩交叉點(diǎn)，起到了“填谷”的效應(yīng)。另一方面，在區(qū)域Ⅱ中，轉(zhuǎn)矩波形得到了有效改善，接近于平頂波，起到了“削峰”的效應(yīng)。相比于原始結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降了30%，對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制起到了較好的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新型的定子極面結(jié)構(gòu)，使氣隙分為非均勻和均勻兩個(gè)部分，通過(guò)有限元仿真分析，得到了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該結(jié)構(gòu)在保證電機(jī)效率基本不變的情況下，可以有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)于SRM結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有較高的借鑒價(jià)值。

[1] 鄭澤東,李永東.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)綜述[J].伺服控制，2011,12(4)： 21-23.

[2] 吳建華.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] 王勉華,張樸.基于有限元法的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電機(jī)控制與應(yīng)用,2015,42(4): 27-29.

[4] HUR J, KANG G H. Design and optimization of high torque, low ripple switched reluctance motor with flux barrier for direct drive[C]∥ IEEE Proceedings: Industy Application Conference, 2004: 407.

[5] JIN W L, HONG S K. New rotor shape design for minimum torque ripple of SRM using FEM[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40(2): 754-757.

[6] GARIP M, OZOGLU Y. An approach torque ripple reduction in fully pitched switched reluctance motors by pole tip shaping[C]∥ IEEE Proceedings: Electrotechnical Conference, 2002: 157-161.

[7] 張京軍,張海軍,王利利.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)非線性特性的有限元計(jì)算[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2007,34(9): 31-34.

[8] 張?chǎng)?王秀和,楊玉波,等.基于轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開(kāi)槽的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)抑制方法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(6): 1508-1515.

[9] 宋受俊,葛樂(lè)飛,張蔓.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2015,19(1): 68-75.

引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 報(bào)道經(jīng)典實(shí)用案例 反映行業(yè)最新動(dòng)態(tài)

New Stator Pole Shape of Switched Reluctance Motor for Torque Ripple Reduction

ZHANGXianglong,WANGJun,YANGYanxiang,FANZhennan,LIUZhanqian

(School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

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 11 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 model. The results showed that the structure could reduce the torque ripple effectively with ensuring the efficiency of the motor unchanged. A useful reference to promote the level of design and operation of switched reluctance motor was provided.

switched reluctance motor (SRM); non-uniform air gap; torque ripple; stator pole shape

四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16ZA0155)

張向龍(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

TM 352

A

1673-6540(2017)05- 0080- 04

2016 -08 -15