电动车用开关磁阻电机设计与优化方法

电动车用开关磁阻电机设计与优化方法

程征员

南京埃斯顿自动化股份有限公司 江苏省南京市 211100

摘要：随着人们生活水平日益提高，人均汽车占有量大幅度提升，传统汽车产生的尾气对环境造成了严重威胁，因此发展绿色交通工具成为当今社会的一个热点话题。电动汽车具有噪音低、无污染和能源利用率高等特点，是比较理想的交通工具。近年来电力电子技术不断发展，微电子、电机学、现代计算机技术和控制理论也开始完善，这都促使开关磁阻电机系统得到了飞速的发展。目前已成功应用于电动车用驱动系统、家用电器、高速驱动、泵及风机等众多领域中，创造了巨大的经济效益，是直流电机调速系统、交流电机调速系统、无刷直流电机调速系统强有力的竞争者。

关键词：开关磁阻电机；设计；优化

目前国家正大力发展新能源技术，电动车因势而起，得到了快速的发展，电动车作为一种新兴的代步用车，不仅绿色环保而且在未来有极大的发展潜力。目前电动车驱动电机主要有永磁电机、异步电机、直流电机等。作为一种新型电机，开关磁阻电机SRM由于其结构简单、制造成本低、调速范围宽、控制灵活且效率高等优点，与传统的电动车驱动电机相比有较大的竞争力，而且能满足电动车起动转矩大、起动电流小的需求，所以在电动车驱动领域中有较大的发展潜力。

一、开关磁阻电机基本原理

开关磁阻电机依靠定、转子之间磁阻变化运行，当给定子其中一相绕组通电时，若定子极轴线和转子极轴线不重合，就会有磁阻力作用在转子上，使转子运动，直到两者轴线重合，磁阻力消失，在惯性作用下继续旋转一定角度，然后换相邻绕组通电，使转子继续转动[1]。如图。

图中定子极上为定子线圈，标有箭头的绕组表示该相绕组通电，虚线表示磁力线，转子起动前的转角为 0°。在初始位置，A 相绕组通电，在磁力的作用下，距 A 相最近的转子极受力开始逆时针转动，使磁阻变小，转子旋转到 5°，又旋转了 10°，直到 15°为止，转子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续转动，必须在转子不受力时切断 A 相电源，同时接通 B 相，于是 B 相产生磁通，磁力线沿磁路最小的磁极通过转子，在磁力的作用下继续转动，直到转到 30°之前，关断 B 相绕组电源并开通 C 相绕组，使转子继续转动，在转到 45°之前接通 A 相绕组电源，以此类推，电机就会运行下去。三相绕组轮流通电一次，转子逆时针转动 π/4（即一个极距角），定子磁场顺时针转动 π/2。只要各相按照一定的顺序导通，电机就能正常工作，与磁力线方向无关，即与电流方向无关，通电顺序与旋转方向相反。

二、SRM 的定转子齿极结构优化

1、 定子结构优化设计。利用上节优化电机尺寸参数后的 SRM 进行定转子结构优化设计。在 SRM 线性模型中，电机转矩的表达式为：

由式SRM 的转矩是电机转子旋转过程中气隙磁导发生变化而产生的。转矩的大小主要取决于相电感相对于转子位置角的变化率，相电感相对转子位置角的变化率越大则电机转矩值将越大。此变化率可通过改变定子磁极和转子磁极之间的气隙形状来控制。本设计提出了一种具有非圆形的定子磁极极面，这种定子磁极表面将会使电机转子在转动过程与定子磁极之间产生非均匀的气隙，以此来改变相电感对转子位置角的变化率。

如图所示，半径 R 的长度等于定子内径的二分之一，即以转子内径的圆心为圆心，二分之一定子内径为圆的半径。通过改变原始圆心的横坐标的数值，得到新的圆心。以新圆心作为圆心，新圆心到定子磁极的距离作为半径画圆弧，利用此圆弧切割 SRM 定子磁极，得到新的定子磁极。在定转子磁极刚进入重叠区域时，原始 SRM 定转子磁极间的气隙突然减小，气隙磁场能量发生突变，磁力线集中且径向磁力线分量较大。而改进定子磁极后的 SRM 在定转子磁极刚进入重叠区域时，由于具有非圆形的定子磁极极面，气隙的变化相对缓和，磁力线较原始 SRM 稀疏且径向磁力线分量较小。保持新的圆心纵坐标恒定不变，增加圆心横坐标，增加量由 0.8mm 到 4.8mm。得到 SRM 在瞬态场下，圆心横坐标取不同值时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动分别与不同值的圆心横坐标之间关系。

当圆心横坐标增量的取值从 0.8mm 增加到 4.8mm 时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动均呈增大趋势。曲线各点的斜率基本不变，说明平均转矩、最大转矩和转矩脉动值均呈线性增大。这是由于 SRM 的定转子磁极在刚开始重叠时，气隙的大小发生突变而致使气隙的磁场能量产生突变，进而导致 SRM 的矩角特性在对应的位置产生突然变化和转矩数值的减小。通过对定子磁极极面的改进，使得定转子磁极开始重叠时的气隙突变变得较为缓和，达到了提高电机转矩的目的。

但是随平均转矩和最大转矩的增加，相应的电机转矩脉动也增大。为得到较大的平均转矩与最大转矩和相对较低的转矩脉动，最终选取的圆心横坐标增量为 0.8mm。对比优化前后电机瞬态转矩曲线图，如图所示。

2、转子结构优化设计

本设计提出了一种在转子磁极两侧开矩形槽的方法。通过转子磁极的矩形槽来改变电机的磁链波形和绕组电感相对转子位置角的变化率，进而改变 SRM 的转矩大小[1]。开槽M 为转子齿顶高度，L 为矩形槽深度。在定转子磁极对齐位置，原始 SRM 和具有矩形槽转子磁极的 SRM 的磁力线分布变化不明显，仅在开槽位置有些许变化。但在定转子磁极刚进入重叠区域时，原始 SRM 定转子磁极间的气隙突然减小，气隙磁场能量发生突变，磁力线集中且径向磁力线分量较大。而具有矩形槽转子磁极的 SRM 在定转子磁极刚进入重叠区域时，由于 SRM 的磁通总是经磁阻最小的路径闭合，而空气的磁阻远大于转子磁极的磁阻，所以切向磁力线分量增大，径向磁力线分量减小，从而可以增大电机的转矩[2]。

转子齿顶高度的影响。保持矩形槽深度 2.5mm 和宽度 5mm 不变，转子齿顶高度取值从 1mm 增加到14mm。得到 SRM 在瞬态场下，转子齿顶高度取不同值时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动分别与不同值的转子齿顶高度之间关系。当转子齿顶高度取值从 1mm 增加到 14mm 时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动均呈减小趋势。但当转子齿顶高度超过 8mm 时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动的变化均趋于稳定。可知矩形槽的开槽位置如果远离转子齿顶，则开槽对气隙磁密的影响减小，平均转矩、最大转矩和转矩脉动数值均接近原始的开关磁阻电机。在电机运行中转子磁极受到较大的电磁力，如果齿顶高度太小则会降低转子磁极的机械强度。由齿顶高度大于等于 8mm 时，SRM 的瞬态转矩曲线基本相同。为得到较大的平均转矩与最大转矩和相对较低的转矩脉动，并综合考虑到电机加工与装配技术的局限，最终选取的转子齿顶高度为 3mm。

矩形槽深度的影响。保持矩形槽宽度 5mm 和转子齿顶高度 3mm 不变，矩形槽深度取值从 1mm 增加到 4.5mm。得到 SRM 在瞬态场下，矩形槽深度取不同值时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动分别与不同值的矩形槽深度之间关系。当矩形槽深度取值从 1mm 增加到 4.5mm 时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动均呈增大趋势。曲线各点的斜率基本不变，说明平均转矩、最大转矩和转矩脉动值均呈线性增大。为得到较大的平均转矩与最大转矩和相对较低的转矩脉动，并综合考虑到电机加工与装配技术的局限和足够的转子磁极机械强度，最终选取的矩形槽深度为 2.5mm。

基于一种具有非圆形定子磁极极面的新型定子结构和一种在转子磁极两侧开矩形槽的新型转子结构。通过对这两种结构分别采用有限元仿真分析，得出其对开关磁阻电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动的影响规律，为之后电机转矩的优化提供了基础。

参考文献：

［1］ 陈坤华，孙玉坤，孙智权．混合动力汽车用开关磁阻电机设计［J］．电源技术，2019，39( 5): 06．

［2］ 韩帅，王艳，殷天明．电动汽车用外转子开关磁阻电机设计与控制系统仿真［J］． 电机与控制应用，2018，40(10): 45-49．

［3］ 宋受俊，葛乐飞，刘虎成．开关磁阻电机设计及多目标优化方法［J］．电工技术学报，2019(5):14．

［4］王绪伟，费树岷，胡继峰．基于MC33035的永磁无刷直流电机控制器的设计．电子工程师，2019，27(5)：06