新型磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)矩優(yōu)化

馮 號，黎 英，蔡星全

(昆明理工大學(xué)，昆明 650500)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)[1]是無稀土電機(jī)的典型代表。由于具有結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、成本低廉、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)磁阻電機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用于牽引運(yùn)輸、家用電器、航空工業(yè)等各個(gè)行業(yè)且具有較好的前景[2]。傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)具有雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中式勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子僅是由硅鋼片疊壓成形。由于結(jié)構(gòu)的特殊性以及各相控制的獨(dú)立性，開關(guān)磁阻電機(jī)的基本特點(diǎn)就是容錯(cuò)性強(qiáng)、可靠性高，即使在缺相的情況下也能穩(wěn)定運(yùn)行[3]，能夠在環(huán)境惡劣的情況下正常工作。但開關(guān)磁阻電機(jī)也存在不足之處，其中最主要的缺陷是電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲較大[4]，這在一定程度上影響了開關(guān)磁阻電機(jī)在家電方面的應(yīng)用。

開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和集中式勵(lì)磁繞組造成了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大這一弊病。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型磁阻電機(jī)，采用隱極式定子，雙層分布式繞組，而轉(zhuǎn)子依舊采用傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)的凸極結(jié)構(gòu)。應(yīng)用有限元仿真分析，對電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[5-6]，驗(yàn)證了樣機(jī)對于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲抑制的可行性。為磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制、噪聲弱化提供一種新的研究方向。

1 磁阻電機(jī)基本工作原理

開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和磁阻式無刷直流電動(dòng)機(jī)均遵守定、轉(zhuǎn)子“磁阻最小原理”運(yùn)行旋轉(zhuǎn)[8]。定子繞組的任意一相處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，如果此時(shí)的定子相凸極齒和轉(zhuǎn)子凸極齒處在一條直線上，作用于定子和轉(zhuǎn)子的磁力線處于直線狀態(tài)，由此，轉(zhuǎn)子齒僅僅受到徑向磁拉力從而使開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生噪聲，而此時(shí)的轉(zhuǎn)子齒不存在切向磁拉力，迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩就不存在。如果定子凸極軸線和轉(zhuǎn)子凸極軸線不在重合位置，磁力線處于扭曲狀態(tài)，此時(shí)磁路就更傾向于最小磁阻回路，就會依據(jù)磁阻最小原理產(chǎn)生磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上，這樣電機(jī)就會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩迫使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，之后轉(zhuǎn)子在慣性作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定的角度，然后依次換到相鄰的定子勵(lì)磁繞組上施加激勵(lì)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向只與電機(jī)各項(xiàng)繞組的邏輯通電順序有關(guān)，與電機(jī)定子繞組的電流方向無關(guān)。

從開關(guān)磁阻電機(jī)的基本控制方式可知，在相鄰兩相繞組通斷電的過程中，繞組電流會出現(xiàn)勵(lì)磁模式，零電壓續(xù)流模式以及退磁模式，而由相鄰兩相繞組產(chǎn)生的切向磁拉力會呈現(xiàn)急劇增大和急劇下降的現(xiàn)象，這就迫使轉(zhuǎn)子受到的磁拉力在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)階跳式，這是開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的主要原因之一。如果能讓轉(zhuǎn)子每個(gè)齒在運(yùn)行過程中受到的切向磁拉力是均勻的，且不存在通斷電造成的階跳，就可以對抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提供一種有效的解決途徑。為此，本文設(shè)計(jì)的新型磁阻電機(jī)定子采用隱極式，節(jié)距、極距均是3，即整距繞組，轉(zhuǎn)子依然采用凸極結(jié)構(gòu)。這種新型磁阻電機(jī)和傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理基本相同，也是磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，且均遵守磁阻最小原理。當(dāng)給其中一相繞組施加激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子的16個(gè)齒均受到因磁力線扭曲而產(chǎn)生的切向磁拉力，且每個(gè)極受力均勻，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會更加小。電磁噪聲主要是磁力線產(chǎn)生的徑向磁拉力作用在定子上，致使定子形變和振動(dòng)而產(chǎn)生的，噪聲沿著定子軛部向外傳遞，由于新型磁阻電機(jī)每極受力均勻，各方向的徑向磁拉力相互平衡，故電機(jī)的電磁噪聲降低，新型磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相6/4極磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 新型磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)沒有統(tǒng)一的理論計(jì)算規(guī)則，無依據(jù)地設(shè)定電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其結(jié)果就是樣機(jī)效率低，且容易出現(xiàn)不符合常規(guī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。新型磁阻電機(jī)大部分參數(shù)由設(shè)計(jì)者依照交流異步電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過仿真軟件(Maxwell)參數(shù)化取最優(yōu)值，本小節(jié)具體介紹新型磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算及相關(guān)數(shù)據(jù)的確定。

2.1 極數(shù)、相數(shù)以及轉(zhuǎn)子極弧寬度的選取

新型磁阻電機(jī)定子采用隱極式，轉(zhuǎn)子采用凸極式，其定、轉(zhuǎn)子極數(shù)分別是48和16，節(jié)距、極距均為3，即整距繞組。

據(jù)一般情況得出，電機(jī)相數(shù)取決于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極對數(shù)的配合比，在滿足樣機(jī)基本性能的前提下，應(yīng)盡量減少相數(shù)，以增加可靠性。兩相開關(guān)磁阻電機(jī)不具備自起動(dòng)能力[8]，四相控制復(fù)雜，三相開關(guān)磁阻電機(jī)具備自起動(dòng)能力且結(jié)構(gòu)和控制相對來說比較簡單，由此新型磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)為三相。

轉(zhuǎn)子極弧寬度[9-10]對新型磁阻電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有較大影響，利用Maxwell軟件，通過大量仿真結(jié)果，得到新型磁阻電機(jī)取不同轉(zhuǎn)子極弧寬度時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況，如表1所示。

表1 不同極弧值的轉(zhuǎn)矩值

從表1可見，轉(zhuǎn)子極弧寬度對電磁轉(zhuǎn)矩的影響較大，經(jīng)樣機(jī)仿真分析后轉(zhuǎn)子極弧寬度取值為0.30 mm。

2.2 新型磁阻電機(jī)主要尺寸確定

定子外徑Ds、轉(zhuǎn)子外徑Dr以及鐵心有效長度L均為新型磁阻電機(jī)的主要電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。新型磁阻電機(jī)的徑長比λ定義：

(1)

式中：λ較大，則新型磁阻電機(jī)的扭力越大，在采用氣體作為冷卻介質(zhì)時(shí)，風(fēng)路變長，冷卻條件變差，從而導(dǎo)致軸向溫度分布不均勻增大，同時(shí)由于鐵心直徑小，下線難度稍大；λ較小，則繞組端部較小，端部的用銅(鋁)量相應(yīng)變小，同時(shí)減小總漏抗。選擇λ值時(shí)通常主要考慮：溫升、節(jié)約用銅(鋁)量、轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小。綜上所述，λ取值為0.5～3.0范圍之間。根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)，Dr/Ds的范圍一般是0.5～0.6。

由此，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)定子外徑Ds取值215 mm，轉(zhuǎn)子外徑Dr取值123.4 mm，鐵心有效長度L取值110 mm。

2.3 新型磁阻電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)分析

新型磁阻電機(jī)定子采用隱極式且定子槽里繞組分為上下兩層，線材直徑為0.75 mm，每個(gè)定子槽型里分布共30股線材且上下均勻排列。繞組的纏繞方式：圓形的定子上均勻設(shè)有48個(gè)相同結(jié)構(gòu)的梨形槽，每個(gè)梨形槽中設(shè)有2個(gè)上下分布的繞組，將48個(gè)梨形槽分為16組，每組中包括3個(gè)梨形槽。

隨意選取一組梨形槽作為第一組梨形槽，第一組梨形槽中的第一個(gè)槽型為A相且電壓激勵(lì)向外，第二個(gè)槽型為B相且電壓激勵(lì)向里，第三個(gè)槽型為C相且電壓激勵(lì)向外。第二組梨形槽的第一個(gè)槽型為A相且電壓激勵(lì)向里，第二個(gè)槽型為B相且電壓激勵(lì)向外，第三個(gè)槽型為C相且電壓激勵(lì)向里。相鄰兩組梨形槽中對應(yīng)相的電壓激勵(lì)方向相反。按照這種繞組激勵(lì)分布方式，48個(gè)梨形槽分布完畢。新型磁阻電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型磁阻電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 新型磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子軛高和定子槽深的確定

新型磁阻電機(jī)中定子梨形槽應(yīng)盡量狹長，目的是使磁力線的閉合路徑更加順暢，同時(shí)方便繞組下線，定子槽深取值29.55 mm。定子選取梨形槽，其中Hs0，Hs1,Hs2,Bs0,Bs1,Bs2的參數(shù)分別是0.5 mm,1 mm,23.05 mm,2 mm,4 mm,5 mm。

定、轉(zhuǎn)子槽深和軛高的選取參照統(tǒng)一系列設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行微調(diào)確定，同時(shí)要避免定、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。因此定、轉(zhuǎn)子軛高取值60.45 mm和33 mm。圖3是新型磁阻電機(jī)的二維幾何模型。

圖3 新型磁阻電機(jī)的二維幾何模型

3 新型磁阻電機(jī)與SRM設(shè)計(jì)對比

新型磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)是在大量有限元仿真分析和參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上綜合尋優(yōu)得到的，且均符合取值范圍如表2所示。同時(shí)，為了驗(yàn)證樣機(jī)對于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制、噪聲弱化的有效性，該文通過Maxwell 2D建立新型磁阻電機(jī)與SRM的模型，并在保持表2數(shù)據(jù)相同的情況下進(jìn)行仿真分析對比。

表2 新型磁阻電機(jī)與SRM參數(shù)對比

3.1 建立新型磁阻電機(jī)和SRM的Maxwell 2D模型

以一臺48/16的新型磁阻電機(jī)和12/8的SRM作為對象，利用Maxwell 2D和RMxprt模塊構(gòu)建電機(jī)基本模型。圖4是有限元模型的建模流程[11]。

圖4 Maxwell 2D建模流程

圖5是利用Maxwell和RMxprt模塊創(chuàng)建的新型磁阻電機(jī)(48/16)和SRM(12/8)的Maxwell 2D模型。

圖5 48/16新型磁阻電機(jī)和12/8 SRM

3.2 建立新型磁阻電機(jī)和SRM外控電路

Ansoft可以自定義外加電路，通過建立外加電路與Maxwell中的模型耦合成一個(gè)整體。

SRM外控電路主要由功率變換器模型和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。功率變換電路采用三相不對稱橋式電路，該電路中每相有兩個(gè)功率開關(guān)器件和兩個(gè)續(xù)流二極管，其作用分別是控制繞組的通斷和續(xù)流。驅(qū)動(dòng)電路主要由脈沖控制信號組成，用于控制功率變換電路的通斷。

新型磁阻電機(jī)外控電路如圖6所示。在圖6中LPhase1、LPhase2、LPhase3表示樣機(jī)的三相繞組，R1、R2、R3表示樣機(jī)繞組等效電阻，L1、L2、L3表示樣機(jī)繞組等效電感，激勵(lì)源分別是3個(gè)正弦交流電壓源，從左到右相位依次相差120°。

圖6 新型磁阻電機(jī)外控電路

4 電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果及分析

基于新型磁阻電機(jī)(48/16)，定子采用隱極式結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后進(jìn)行有限元仿真分析。在瞬態(tài)場中通過不斷優(yōu)化樣機(jī)轉(zhuǎn)子的參數(shù)(極弧系數(shù)和軛高)，定子梨形槽的Hs0，Hs1,Hs2,Bs0,Bs1,Bs2,Rs等電機(jī)參數(shù)來驗(yàn)證新型磁阻電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制和噪聲弱化方面的優(yōu)越性。

圖7仿真結(jié)果為新型磁阻電機(jī)和SRM在其中一相施加激勵(lì)的磁力線分布。從圖7可以明顯地看出，新型磁阻電機(jī)的磁力線均勻作用在每個(gè)轉(zhuǎn)子齒上，轉(zhuǎn)子的每一個(gè)齒都受到定子所產(chǎn)生的切向磁拉力。當(dāng)下一相施加激勵(lì)時(shí)，樣機(jī)轉(zhuǎn)子的每個(gè)齒依舊會受到定子所產(chǎn)生的切向磁拉力。這樣，切向磁拉力分布均勻，過渡平滑。同理知，當(dāng)一相通電時(shí)，SRM的磁力線作用在相間隔的轉(zhuǎn)子齒上。因此，并不是每個(gè)定子槽和轉(zhuǎn)子齒都會產(chǎn)生切向磁拉力，出現(xiàn)這種情況是由SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)以及定子繞組分布方式?jīng)Q定的。由于工藝條件的限制，SRM很難做到48個(gè)定子凸極，造成SRM切向磁拉力分布較散，過渡不平滑，產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

(a) 新型磁阻電機(jī)

(b) SRM

圖8和圖9為電機(jī)的磁通密度分布。通過磁通密度分布仍然可以說明樣機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)子齒都均勻受到切向磁拉力，而SRM在一相通電的情況下轉(zhuǎn)子齒只有二分之一受到切向磁拉力。

圖8 新型磁阻電機(jī)磁通密度

圖9 開關(guān)磁阻電機(jī)磁通密度

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)K是衡量電機(jī)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)之一，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不僅可以引起電機(jī)本體的振動(dòng)，連帶電機(jī)直接或間接接觸的部件都會振動(dòng)，同時(shí)這也是電機(jī)噪聲的源頭所在。K越大，電機(jī)運(yùn)行越不穩(wěn)定，反之，則電機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定。

電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)：

(2)

式中：K表示轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)；Tsmax表示最大輸出轉(zhuǎn)矩；Tsmin表示最小輸出轉(zhuǎn)矩，Tsavg表示平均轉(zhuǎn)矩。

圖10和圖11為兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形。新型磁阻電機(jī)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)時(shí)平均電磁轉(zhuǎn)矩50.243 0 N·m，SRM運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)時(shí)平均電磁轉(zhuǎn)矩50.002 3 N·m，兩者相差不大，但依據(jù)式(2)計(jì)算得出，新型磁阻電機(jī)(48/16)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)為0.535，SRM(12/8)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)為1.655。新型磁阻電機(jī)與SRM仿真分析時(shí)默認(rèn)的是恒轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)。因此，樣機(jī)和SRM的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)所需的計(jì)算數(shù)據(jù)分別從150～200 ms和1～16 ms獲得。

圖10 新型磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖11 SRM轉(zhuǎn)矩

5 噪聲仿真分析及結(jié)果

電磁噪聲是SRM噪聲產(chǎn)生的主要根源?；谛滦痛抛桦姍C(jī)的全新結(jié)構(gòu)，在ANSYS Workbench平臺建立Maxwell 2D、Harmonics response、Harmonics acoustics數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)，具體分析樣機(jī)的噪聲優(yōu)勢。

電磁噪聲仿真分析的激勵(lì)源源自于電磁振動(dòng)諧響應(yīng)的仿真結(jié)果，因此，首先仿真分析樣機(jī)電磁振動(dòng)諧響應(yīng)。根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)可得，三維模態(tài)的噪聲分析更加接近實(shí)際情況，因此，本文利用SolidWorks軟件建立定子的三維結(jié)構(gòu)圖，并導(dǎo)出為x_t格式文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺中。由于受文章篇幅的限制，本文只給出樣機(jī)振動(dòng)諧響應(yīng)分析過程中所建立的三維定子剖分圖和電磁力加載圖，如圖12所示。三維定子4個(gè)角上分別設(shè)置有4個(gè)螺絲孔位，這主要是為了模擬實(shí)際情況，使仿真結(jié)果更加精準(zhǔn)。

圖12 定子鐵心三維網(wǎng)格剖分圖和電磁力加載圖

本文重點(diǎn)關(guān)注新型磁阻電機(jī)和SRM側(cè)面電磁噪聲，這同時(shí)也是徑向電磁力產(chǎn)生噪聲的主要傳播途徑。首先在Harmonics acoustics中建立用于噪聲計(jì)算的環(huán)形狀空氣域；然后，將振動(dòng)諧響應(yīng)定子內(nèi)表面電磁力作為激勵(lì)源加載到定子外齒面中進(jìn)行頻域的諧響應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)電磁力的自動(dòng)耦合。

從圖13可見，隨著頻率的增加，新型磁阻電機(jī)的噪聲呈現(xiàn)上升趨勢，在0～1 200 Hz之間噪聲迅速上升，之后隨著頻率的增加，噪聲開始減緩并且逐漸穩(wěn)定下來，噪聲最大值為53.215 dB(A)。從圖14可以看出，SRM在頻率為300 Hz時(shí)噪聲就達(dá)到80.081 dB(A)，2 100 Hz左右達(dá)到94.983 dB(A)，這是新型磁阻電機(jī)最大噪聲的1.78倍左右，該結(jié)果說明新型磁阻電機(jī)對于電機(jī)噪聲的弱化有非常明顯的效果。

圖13 新型磁阻電機(jī)頻響曲線

圖14 SRM頻響曲線

6 結(jié) 語

本文利用Ansoft Maxwell建立了新型磁阻電機(jī)和SRM的二維瞬態(tài)有限元模型，基于建立的有限元模型,詳細(xì)討論了SRM和新型磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況。設(shè)計(jì)的新型磁阻電機(jī)定子采用隱極式,且樣機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)均是通過理論計(jì)算得出，之后經(jīng)過Maxwell參數(shù)優(yōu)化仿真獲得。在保證新型磁阻電機(jī)和SRM基本參數(shù)一致的情況下，通過與傳統(tǒng)SRM對比，可以清楚地看到，新型磁阻電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制和噪聲弱化方面有較好的實(shí)驗(yàn)效果。對進(jìn)一步完善磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、噪聲弱化提供了一種新的研究方向。