開關(guān)磁阻電機(jī)定子凸極對(duì)振動(dòng)特性的影響研究

馬彬彬,吳志學(xué)

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州225300）

開關(guān)磁阻電機(jī)定子凸極對(duì)振動(dòng)特性的影響研究

馬彬彬1，2,吳志學(xué)1

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州225300）

振動(dòng)、噪聲是開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較突出的問(wèn)題和研究難點(diǎn)，為了深入了解SR電機(jī)定子凸極對(duì)其振動(dòng)特性的影響，以有限元分析軟件ANSYS為工具，建立研究SR電機(jī)定子凸極振動(dòng)特性的2D、3D有限元分析模型，研究SR電機(jī)定子凸極對(duì)其固有頻率和振動(dòng)模態(tài)的影響。

開關(guān)磁阻電機(jī)；定子凸極；振動(dòng)；固有頻率

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switehed Reluetanee Motor，簡(jiǎn)稱SRM)是20世紀(jì)80年代才正式進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的一種交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)新品種。其調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Drives，簡(jiǎn)稱SRD） 是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型交流調(diào)速系統(tǒng)。

1 SR電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)﹑原理與特點(diǎn)

SR電機(jī)是雙凸極可變磁阻電機(jī)，其定﹑轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)兩極，成為“一相”。SR電機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定﹑轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配，圖1所示為三相(6/4極)SR電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖[1]。SR電機(jī)的運(yùn)行原理亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。圖1中，當(dāng)定子A-A’極受到勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子受到磁力，就會(huì)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，并使A相勵(lì)磁繞組的電感變?yōu)樽畲?，如果以圖中的相對(duì)位置為起始位置，依次給A,B,C相繞組通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。反之，如果依次給B,A,C相繞組通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)按逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)?？梢?，SR電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖1中可以看出，當(dāng)主開關(guān)器件S1、S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí)，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管VD1、VD2繼續(xù)流通，并回饋給電源U。因此，SR電機(jī)傳動(dòng)的共性特點(diǎn)是具有再生作用，系統(tǒng)效率高[2，3]。

圖1 三相6/4極SRM基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 SR電機(jī)定子凸極有限元分析模型分析

本文所研究的SR電機(jī)樣機(jī)為定子鐵心外徑為130mm的8/6極SRM，其機(jī)殼軛厚為7mm；機(jī)殼長(zhǎng)度為140mm；冷卻筋尺寸（梯形）：2.5×4×15mm，定子磁極數(shù)8，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)6。電機(jī)材料如表1所示。

表1 SRM的材料參數(shù)

圖2中模型2D-0為不考慮定子凸極影響所建的模型；模型2D-1、2D-2、2D-3分別為在定子鐵心分布1個(gè)、4個(gè)、8個(gè)凸極的二維有限元分析模型。模型選用的單元類型為PLANE82，使用ANSYS提供的智能網(wǎng)格劃分，分析類型選用分塊的蘭索斯（Block Lanczos） 法，求解的模態(tài)數(shù)選擇為30[4]，擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)選擇為30，因此，可以求解得到比較高的模態(tài)階數(shù)。本次分析沒(méi)有添加任何約束和載荷。由二維模型進(jìn)行有限元分析后得出分析結(jié)果見表2。

圖2 2D有限單元模型

表2 2D有限元分析結(jié)果

對(duì)比表2，可以得出如下結(jié)論：凸極結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)特性的影響較大。2D-0、2D-2、2D-3雖然都是圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但對(duì)于無(wú)限圓2D-0對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每階振型都只有一個(gè)模態(tài)，而對(duì)于有限元對(duì)稱結(jié)構(gòu)2D-3，2階和3階振型中都只出現(xiàn)一個(gè)固有頻率，4階、5階振型中都會(huì)出現(xiàn)多個(gè)模態(tài)。定子凸極的存在使得其在圓周出現(xiàn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在某階振型中對(duì)稱模態(tài)和不對(duì)稱模態(tài)顯著不同。這種同階振型中對(duì)稱模態(tài)和不對(duì)稱模態(tài)的差異性與定子凸極的數(shù)目有關(guān)，因?yàn)槎ㄗ油箻O數(shù)目影響著定子圓周的不對(duì)稱性，模型2D-1在圓周上只分布一個(gè)凸極，其不對(duì)稱性在圖3的所有模型中最強(qiáng)，而模型2D-3在圓周上分布8個(gè)凸極，其不對(duì)稱性在圖3的所有模型中最弱。在增加凸極的情況下，電機(jī)固有頻率下降，比較2D-1、2D-2、2D-3的頻率，發(fā)現(xiàn)在都有凸極存在的前提下，凸極個(gè)數(shù)的適當(dāng)增減對(duì)同階次固有頻率大小影響不是很大。

為了分析定子凸極2D模型和3D模型有限元分析結(jié)果對(duì)電機(jī)振動(dòng)特性的影響是否有差異，建立3D有限元模型（如圖3），三維模型選用的單元類型為SOLID92，分析類型仍選用分塊的蘭索斯（Block Lanczos）法，考慮到三維模態(tài)的復(fù)雜性，求解的模態(tài)數(shù)選擇為50，擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)選擇為50。其中3D-1、3D-2、3D-3分別為在定子鐵心分布1個(gè)、4個(gè)、8個(gè)凸極的三維有限元分析模型。

圖3 3D有限單元模型

經(jīng)過(guò)3D有限元分析，可以得出結(jié)論，3D凸極結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)特性的影響也較大。盡管3D凸極結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)特性的影響不像2D凸極結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)特性的影響那樣有明顯的規(guī)律，但是其特性基本相似，例如在圓周上只有一個(gè)凸極時(shí)，其不對(duì)稱性是所有模型中最強(qiáng)的。比較2D、3D有限元模型凸極結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)特性的影響，列出其二階固有頻率對(duì)比（如表3），不難發(fā)現(xiàn)相同凸極結(jié)構(gòu)時(shí)，3D二階振型的固有頻率比2D二階振型的固有頻率大，但是比較固有頻率數(shù)值，相差并不是很大。因此，對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)定子振動(dòng)特性進(jìn)行有限元分析時(shí)，用2D代替3D進(jìn)行簡(jiǎn)化是合理可行的，可以只建立2D模型。

表3 2D、3D凸極結(jié)構(gòu)對(duì)定子振動(dòng)特性影響的二階固有頻率對(duì)比

[1]王宏華.開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[2]王宏華,陳永校,許大中,等.開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)定子振動(dòng)抑制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1998,(3):9-12.

[3]詹瓊?cè)A.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1992.

[4]王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

（責(zé)任編輯 李冠楠）

Electro-motor Stator's Structure on the SRM Vibration Characteristics

MA Bin-bin1,2，WU Zhi-xue1
(1.College of Mechanical Engineering Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225009,China;2.Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China)

Vibration and noise is the prominent question and research difficulties in SRD，in order to deeply understand the the affect of the stator saliency on the SRM vibration characteristics，this paper constructs 2D,3Dmodels of SRM and analyzes the vibration model with the finite element analysis software ANSYS,and studies the affect of the stator's structure on the SRM vibration characteristics.

switch reluctance motor；stator saliency；vibration；inherent frequency

TM352

A

1671-0142（2011）01-0032-02

馬彬彬（1979-），女，江蘇泰州人，講師.