开关磁阻电机的电磁设计
开关磁阻电机原理和应用
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。
它的构造简单稳固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。
主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。
控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器那么安装在电机的一端。
其电机部分由于是运用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直承受开关控制，故称为开关磁阻电动机。
特征开关磁阻电机构造简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种上下速驱动调速系统。
使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用〔电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域〕。
优点◆其构造简单，价格廉价，电机的转子没有绕组和磁铁。
◆电机转子无永磁体，允许较高的温升。
由于绕组均在定子上，电机容易冷却。
效率高，损耗小。
◆转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。
◆转子上没有电刷构造稳固，适用于高速驱动。
◆转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。
◆调速范围宽，控制灵敏，易于实现各种再生制动才能。
◆并具频繁启动〔1000次/小时〕，正向反向运转的特殊场合使用。
◆且启动电流小，启动转矩大，低速时更为突出。
◆电机的绕组电流方向为单方向，电力控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性。
◆可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。
缺点其工作原理决定了，假设需要开关磁阻电机运行稳定可靠，必须使电机与控制配合的很好。
因其要使用位置传感器，增加了构造复杂性，降低了可靠性。
对于电机本身而言，转矩脉动大是其固有的缺点；在电机远离设计点的时候，转矩脉动大会表达的更加明显。
假设单纯使用电流斩波或最优导通角控制方法，对其转矩脉动的改善不是很大，需要参加更加复杂的算法。
开关磁阻电机结构与原理_学习手册
开关磁阻电机的结构与原理您的学习任务学习开关磁阻电机结构与原理，学习开关磁阻电机的拆装。
为开关磁阻电机的维护与保养打下良好基础。
相关知识一、开关磁阻电机的结构开关磁阻电机（Switch Reluctance Machine）具有高起动转矩、高效率、高过载能力、可正反频繁无冲击电流起动，可快速制动、可宽范围调速，低运行电流、低维护费用，结构简单、坚固，易于制造等特点。
使得其在新能源货运车上得到了大量使用，但开关磁阻电机所具有的震动较大，噪声大等使得其在新能源轿车中还没使用。
从图 4-20 开关磁阻电机外形图中可见与与三相交流鼠笼式异步电机最大的不同是电源进线多了，外部联线方式发生了改变。
本图中采用的是水冷方式，增加了冷却管路。
图4-20 开关磁阻电机外形图从图4-21 的开关磁阻拆装简图中，可以更清楚的看到开关磁阻的结构，定子绕组中有多个绕组，采取一定的接线方式，与定子铁芯一起形成多个磁极。
定子的每个绕组与其所围绕的铁芯形成一个磁极。
磁极是偶数的，两个互差 180°角的绕组组成一个磁极对。
分别代表磁场的N、S 极。
图4-21 开关磁阻拆装简图转子是由转子轴和转子铁芯所组成。
转子上无绕组也无导条，转子铁芯上有多个突出级，可为定子磁场提供顺畅的磁路。
转子突出极也是偶数的。
a)定子铁芯图b)定子铁芯与转子组装图c)定子与转子组装图图4-22 开关磁阻电机组装简图从图4-22 中可知，定子的磁极数为6，而转子的突出极为4。
可见定子磁极与转子突出极是不相等的。
但定子磁极数与转子突出极数应尽量靠近，不应相差太大。
定子和转子也还有其它的形式。
a) 12/8 极磁阻电机b) 4/2 极磁阻电机图4-23 开关磁阻电机不同磁极图在图4-23 中，a)图中定子磁极为12 极，但转子突出极只有8 极。
在b)图中，定子磁极有4 极，但转子突出极只有2 极。
在a)图中定子可以有6 相定子绕组接线，b) 图中定子绕组可以有A、B 两相绕组接线。
基于温度场计算的开关磁阻电机冷却系统设计
算 方 法 主 要 分 为 有 限 元 法 （Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ，Ｆ Ｅ Ｍ）和 集 总 参 数 热 网 络 法 （ Ｌ ｕ ｍ ｐ ｅ ｄ
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冷 系 统 的有 效 性 。 关键词 ： 开关磁阻电机 ； 冷 却系统 ； 损耗 ； 温 升 ；热 网 络 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ ３ ０ ２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３ — ６ ５ ４ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ － ０ ０ ０ ６ ０６ －
开关磁阻电机的三维有限元分析及性能研究
■一
图 ４ 磁感 应强度 分布
■
图 ２ 三 维 网 格 剖分
３ ３ 边界 条件 。 ． 施加载 荷及 求解
磁感应强度矢 量分 布如 图 ５所示 。可见 ， 磁场 能够沿着主磁路闭合 ， 在定 转子极 重合 时呈现局 并 部饱和状态 ， 磁场较强 ， 漏磁较少 。当 ＝０ 时 ， 。 磁 场分布较散 ， 大多数磁通 沿主路径 闭合 ， 有一定 的漏 磁存在 。 三维有 限元方法所得 的磁 感应强度 在定子 轭部 的情况可以清楚地 看 出 ， 电机 内部 的磁 感应强 度分布也更加直观。根 据磁感应强度 的分布规律也 可以看 出 ， 在磁路 的方 向上 ， 磁通总是沿着磁 阻最小
付光杰等． 开关 磁阻电机的三维有限元分析及性能研究
・ ９・ ６
（ ） 心冲 片材 料各 向同性 ， ３铁 具有 单值 的 ＢＨ —
曲线 ；
（） ４ 导线上 电流密度均匀分布 。
３ ２ 前 处 理 ．
三维有限元分析 的前处理 过程包括 电机模 型的 建立 、 定义单元类型、 设定实 常数 、 模型赋 材质和 网格 划分。采用四面体剖分单元 ， 所得结果如图 ２所示 。
的路径闭合。
边界条件考虑第一 类边 界条件 ， 在磁力 线垂 直
面上 Ｍ Ｇ＝０ 电流源建立引入“ Ａ 。 跑道线圈” 这一概
念， 跑道线 圈三维结 构如 图 ３所示 。考虑 电机定 子 绕组的端 部效应 的 同时 ， 充分反 映 了电机绕 组 的实
样机结 构尺 寸采用表 １的参数 ， 根据这 些数据 建立 的开关磁 阻电机三维有 限元模 型如 图 １ 所示 。
２ 开关磁 阻电机的结构参数 开关磁 阻电机结 构简单 ， 定转子 极都是 由普通 硅钢片叠压而成 。定子 上有集 中绕 组 ， 转子 既无绕
两相开关磁阻电机结构参数优化设计
一
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引言
开 关 磁 阻 电机 (S w i t c h e d R e l u
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表
1
两 相 开 关磁 阻 电机 结构参 数优 化结 果
，
残 留 的 渗 碳 体 呈 粒 状 均 匀分 布
，
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在 马 氏体 组 织 中
能带来
一
可 以达到强 韧化 目的
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，
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对 于 有些 结 构 钢 来 说
(完整版)三相6_4极开关磁阻电机转矩特性分_析与优化设计毕业设计
密级：内部三相6/4极开关磁阻电机转矩特性分析与优化设计Analysis and Optimal Design of Torque Characteristics of Three-phase 6/4 Pole SwitchReluctance Motor学院：电气工程学院专业班级：电气工程及其自动化1003班姓名：陈运楷指导教师：张殿海（讲师）2014年6月摘要近年来随着电力电子技术和控制技术的发展，诞生了一种新的特种电机—开关磁阻电机。
该电机具有结构简单、调速性能优良、成本低廉、可靠性高、起动转矩大、效率高等优点。
因此，被广泛应用于牵引传动、通用工业、家用电器等众多领域。
然而，由于开关磁阻电机的双凸极结构所引起的磁路非线性和饱和效应以及特殊的供电方式，与传统的电机相比存在着振动和噪声大的缺点，这就大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域的拓展。
因此为了得到更好的开关磁阻电机的动静态性能，如何降低转矩脉动和抑制噪声已经成为今后开关磁阻电机控制系统的研究重点。
首先根据开关磁阻电机的运行机理，以三相6/4极开关磁阻电机作为分析模型，利用ANSOFT软件中的Maxwell模块完成电机的建模和分析。
其次通过修改开关磁阻电机转子极弧系数以及在转子表面开口的方法，改善电机的输出转矩特性。
结合MATLAB软件分析修改转子对平均转矩和转矩脉动的影响。
最后利用实验室自行开发的多目标优化软件对平均转矩和转矩脉动进行多次优化，经过比较后找到最佳解，得到平均转矩提高、转矩脉动下降的结果，达到优化设计的最终目的。
关键词：开关磁阻电机；转矩脉动；平均转矩；优化设计AbstractIn recent years, with the development of power electronic technology and control technology, a new motor called switch reluctance motor, which has so many advantages such as simple structure, excellent performance of speed adjustment, low cost, high reliability, and large starting torque, high efficiency was developed. Therefore, it was applied in many fields such as traction drive, general industrial, and household appliances etc.However, due to the double salient structure of switch reluctance motor which caused nonlinearity of the magnetic circuit and saturation effect as well as the special power supply pattern, compared with the traditional motor the vibration and noise is significant. This feature greatly limited the application of switch reluctance motor to more fields. Therefore, in order to achieve the better dynamic and static performance for the switch reluctance motor, how to reduce the torque ripple and noise has become the hot spot of the future research of switch reluctance motor and its control system.Firstly, according to the operating mechanism of the switch reluctance motor, a three-phase 6/4 pole switch reluctance motor is taken as the analysis model, the torque characteristics is analyzed by utilizing the ANSOFT Maxwell module.Secondly, in the optimization model, the rotor pole arc coefficient and sub-slot on the surface of rotor are taken as the design variables, the torqueripple and average torque are taken as two objective functions. The MATLAB software is applied to calculate the average torque and torque ripple from the Maxwell results.Finally, a multi-objective optimization algorithm which was developed by the laboratory is applied to find out the optimal solution. In order to determine the global optimal solution, the optimization procedure was carried out twice. From the results, the average torque and torque ripple characteristic were improved.Keywords：Switch reluctance motor; torque ripple; average torque; optimal design目录摘要 (I)A bstract........................................................................................................................ I I 第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2课题国内外研究现状及趋势 (3)1.2.1国内发展趋势 (3)1.2.2国外发展趋势 (4)1.3课题主要研究内容 (5)1.4本章小结 (6)第2章开关磁阻电机特点与设计方法 (7)2.1三相6/4极开关磁阻电机的结构与原理分析 (8)2.1.1三相6/4极开关磁阻电机的结构 (8)2.1.2三相6/4极开关磁阻电机的运行原理 (9)2.2开关磁阻电机分析与设计方法 (11)2.2.1 基于Ansoft 的开关磁阻电机有限元分析介绍 (11)2.2.2 转矩脉动、噪声和振动产生的根源 (13)2.2.3 采用的设计方法 (13)2.3本章小结 (14)第3章开关磁阻电机建模 (15)3.1创建电机几何模型 (15)3.1.1创建项目 (15)3.1.2建模过程 (16)3.2材料定义及分配 (21)3.3激励源与边界条件定义及加载 (23)3.4运动选项设置 (27)3.5求解选项参数设定 (28)3.6磁力线与磁密云图 (31)3.7外电路与有限元连接 (33)3.8本章小结 (34)第4章开关磁阻电机优化设计 (35)4.1优化与设计 (35)4.1.1多目标优化简介 (35)4.1.2响应表面的应用 (36)4.2修改转子极弧系数及结构 (37)4.3求解转矩 (38)4.4利用MATLAB求解平均转矩和转矩脉动 (41)4.5优化过程 (44)4.5.1一次优化 (45)4.5.2 二次优化 (46)4.6本章小结 (50)第5章结论 (51)参考文献 (53)致谢 (56)第1章绪论1.1课题背景及意义开关磁阻电机（Switch Reluctance Motor简称SR电机）具有结构简单、转子无绕组、无永磁体、可靠性高等特点，且有控制方式灵活、调速性能好等许多优点。
采煤机牵引用开关磁阻电动机设计心得
，
定义模型 ： 分为定子 、 子、 转 气隙和轴； 每个
线 圈Ｙ Ａ相 、 相 和 Ｃ ， ｒ Ｂ 相 并进 行三 相 分 组 。
０ 二 ＿ 一 一ｌ１ 一一 一 一 苎 一 ～
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一 ，
材 质 ： 圈设 置 为 铜 ； 、 气 隙 置 为 空 气 线 轴 空 （ ｉ） 边 界设 置 为空 气 ； 景 设 置 为 真空 ； ａｒ ； 背 定 子 、 子冲片采用 Ｄ ４ ； 转 Ｗ５ ０ 加载 ： 设置 励 磁 源 ， 后 选取 任 一相线 先 然 圈 ， 算 激磁 电流 。 计 求 解 得 出电感 值 与磁 场 分布 云 图 ， 方便 的 可
２ ℃ 时 ， 组 Ａ相 电 阻 为 ００ ５ Ｑ、 ５ 绕 ．９ ８ Ｂ相 为
００ ６ ５ Ｃ 为００ ６ ￣。 ．９ ５ Ｑ、 相 ．９ ０
却水道为折流式 ， 利于定子绕组散热 ； 轴承 采用
ＮＵ３４ ６ １ ； 防止 电机 低 速 时 轴 承 两 侧 漏 １和 ＡＮ Ｚｕ — ｈ １ ＨＥ Ｈｕｉｍｉ ｇｌ Ｙ ｏ ｚ ｉ — ｎ ＡＮ Ｇ Ｘｉ — ｈｏｕ ＢＵ Ｙ ｎ ｂｉ ＸＩ ａｏ ｚ １ ｏ ｇ— ｎ２ ＡＯ Ｈｏ ｇ１ ｎ １ Ｆ ｈ ｎ ｕｓ ｕ Ｃｏａ ｉ ｎ ｏｔ ｒＭ ａ ｌＭ ｎｉ ｇ Ｍ ｏ ｎｕｆ ｃ ｕ ｉ ａ ｔ ｒｎｇ Ｃｏ． ｄ ，Ｌｔ
日益 成 熟 ， 没计了 开关 磁 阻 电机 及 其调 速 控 制装
线 规 ｍｍ
１５ ． ２
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３ １
置， 并将其应用于采煤机组的行走部。 由于开 关 磁阻电机具有结构简单 、 成本低和起动电流小等 优 点， 在煤矿井下取得较好的效果 。 下面以３ｋ ７ Ｗ
开关磁阻电机的基本了解
开关磁阻电机的基本学习内容1 开关磁阻电机的基本原理以及结构开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor ，简称SRM) 定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组[1,3]。
SRM 的定转子极数必须满足如下约束关系：s r s N =2kmN = N + 2k (1-1) 其中，Ns ，Nr 分别为电机定、转子数；m 为电机相数值减1；k 为一常数。
以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM 为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。
m 及k 值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，结构越复杂。
目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM [2]。
图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。
为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。
完整的开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。
SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似[2,30]。
其具体运行原理如下：首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。
通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。
在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。
在该过程中电机吸收电能。
关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。
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湖南工业大学本科毕业设计（论文） 1 2010 年5 月 摘 要 开关型磁阻电动机驱动系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD电动机)。是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它是由功率变换电路、双凸极磁阻电机、控制器及位置检测器构成。它的结构极其简单，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。 本文介绍了开关磁阻电机的发展历史,应用领域以及它的优点；对三相6/4结构的开关磁阻电机与四相8/6结构的开关磁阻电机进行了比较；对开关磁阻电机的电磁设计与参数优化进行了分析与研究，简单介绍了ANSYS软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用；提出8/6结构开关磁阻电机的一种设计方案；并对开关磁阻电机的磁通波形和电机损耗进行了分析。
关键词: 开关磁阻电机，磁场，电磁设计，参数优化 湖南工业大学本科毕业设计（论文）
2 ABSTRACT
The switched reluctance drive (SRD) is a new-type drived-electromotor system which develops rapidly since 1980, and consists of power converter circuits、the doubly-salient reluctance motor、the controller and the examination of position. The structure of the SRD is simple. It has a wide range and excellent performance in speed. It also has a high efficiency and high reliability. So the SRD is one of the hot spots which is studied and designed all over the world. This thesie introduced the SRD development history, the application domain as well as its merit; comparison to the three-phase 6/4 structure SRD with four-phase 8/6 structure SRD overall performance. also analysis and research SRD electromagnetism design and parameter optimization, and introduced ANSYS software in SRD electromagnetism analysis application; Proposes 8/6 structure SRD one kind of design proposal; And analysis to the switched reluctance drive magnetic flux profile and the loss of machine.
Keywords: switched reluctance motor, magnetic field, electromagn- etism design, parameter optimization 湖南工业大学本科毕业设计（论文）
3 目 录
第1章 绪论 ························································································ 1 1.1 开关磁阻电机发展历史 ···································································· 1 1.2 开关磁阻电机工作原理及优越性简介 ················································· 1 1.3 开关磁阻电机的应用 ······································································· 2 1.3.1 电动车中的应用 ······································································· 2 1.3.2 纺织工业中的应用 ···································································· 3 1.3.3 焦炭工业中的应用 ···································································· 3 1.4开关磁阻电机的发展趋势 ································································· 4 第2章 分马力开关磁阻电机的机理分析 ·············································· 6 2.1 分马力开关磁阻电机的平衡基本方程 ··············································· 6 2.1.1 转矩平衡方程 ·········································································· 7 2.2 分马力开关磁阻电机线性模式分析 ·················································· 8 2.3 SR电机的运行特性分析 ···························································· 11
第3章 分马力开关磁阻电机的电磁设计及参数优化 ·························· 17 3.1 ANSYS软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用 ································ 17 3.1.1 ANSYS软件简介 ·································································· 17 3.1.2 ANSYS电磁场分析 ······························································· 17 3.1.3 ANSYS具体分析方法 ···························································· 17 3.1.4 应用实例 ············································································· 18 3.1.5 ANSYS软件在电磁分析中应用前景 ·········································· 19 3.2 定、转子极弧的确定 ···································································· 20 3.3 主要尺寸与电磁负荷的关系 ··························································· 21 3.4 主要尺寸的确定 ·········································································· 22 3.5 其他参数的确定 ·········································································· 24 3.5.1 绕组端电压 ·········································································· 24 3.5.2 转子轭高 ············································································· 26 3.5.3 转子轴径 ············································································· 26 3.5.4 定子轭高 ············································································· 26 3.5.5 定子槽深 ············································································· 27 3.5.6 气隙 ··················································································· 27 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 4 3.6 分马力开关磁阻电机电磁设计实例 ·················································· 27 3.7 电磁设计例小结 ·········································································· 33 3.8 优化设计 ··················································································· 33 3.8.1 目标函数 ············································································· 33 3.8.2 优化变量 ············································································· 34 3.8.3 约束条件 ············································································· 34 3.9 SR与其他电机的有关比较 ····························································· 35 3.9.1 SR与步进电机驱动系统的比较 ················································· 35 3.9.2 SR与异步电机变频调速的比较 ················································· 36