开关磁阻电机磁路优化设计及性能分析_高金行
磁路的拓扑优化
磁路的拓扑优化磁路是电机、变压器等磁动力设备中储存和传递磁能的重要组成部分。
磁路的优化设计可以提高设备的性能和效率。
本文将重点介绍磁路拓扑优化的原理和方法，并讨论其在不同领域的应用。
磁路的拓扑优化旨在改善磁场的分布和传递，以提高设备的效率和性能。
它涉及多个方面的设计，如磁路的形状、材料选择、线圈设计等。
通过优化磁路的拓扑结构，可以减小磁阻、提高能量传输效率，从而提高设备的工作效率和性能。
在磁路的拓扑优化中，一个重要的考虑因素是磁场分布。
磁场分布的好坏直接影响设备的性能。
磁场分布的均匀性和强度是磁路拓扑优化的主要目标之一。
通过采用合适的磁路结构和材料，可以改善磁场的均匀性和强度，从而提高设备的性能。
另一个重要的考虑因素是磁路的磁阻。
磁阻是磁路中阻碍磁场传递的因素。
减小磁阻可以提高能量传输的效率。
在磁路拓扑优化中，可以通过改变磁路的形状、材料和线圈设计等方式来减小磁阻。
例如，增加磁路的截面积可以减小磁阻，提高设备的效率和性能。
磁路的材料选择也是磁路拓扑优化的重要内容之一。
不同材料的磁导率和磁饱和特性会直接影响磁路的性能。
通过选择合适的材料，可以改善磁路的磁导率和磁饱和特性，从而提高设备的效率和性能。
例如，使用高磁导率和低磁饱和特性的材料可以提高设备的工作效率和性能。
在磁路拓扑优化中，线圈设计也是一个关键的方面。
线圈是控制磁场分布和传递的主要部件。
通过优化线圈的设计，可以改善磁场的均匀性和强度，从而提高设备的性能。
线圈的设计包括线圈的形状、匝数、截面积等多个参数的选择。
通过合理地选择这些参数，可以实现更好的磁场分布和传递效果。
磁路拓扑优化已经在多个领域得到了广泛的应用。
在电机设计中，优化磁路的拓扑结构可以提高电机的转矩和效率。
在变压器设计中，优化磁路的拓扑结构可以提高变压器的传输效率和功率密度。
在电磁兼容性设计中，优化磁路的拓扑结构可以减小设备的电磁辐射和互感干扰。
总之，磁路的拓扑优化是提高磁动力设备性能和效率的重要手段。
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
开关磁阻电机转矩脉动及结构优化设计研究
电机与控制学报 E lectric Machines and Control
Vol.22 No.6 Jun. 2018
开关磁阻电机转矩脉动及结构优化设计研究
李 哲 1 !2 ， 郑 玲 U ， 杨 威 U ， 李 以 农 %， 任 玥 U ( 1 . 重 庆 大 学 机 械 传 动 国 家 重 点 实 验 室 ，重 庆 4 0 0 0 4 4 ;2 .重 庆 大 学 汽 车 工 程 学 院 ，重 庆 400044)
术 （cstc2015zdcy - ztzx30001) 作 者 简 介 ：李 哲 （1988— ），男 ，博 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 车 辆 系 统 动 力 学 与 控 制 、电 动 车 用 驱 动 电 机 技 术 ；
郑 玲 （1963— ），女 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，研 究 方 向 为 车 辆 系 统 动 力 学 与 控 制 、人 机 共 驾 / 智 能 汽 车 技 术 ； 杨 威 （1992— ），男 ，博 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 人 机 共 驾 / 智 能 汽 车 技 术 ； 李 以 农 （1961— ），男 ，教 授 / ，博 士 生 导 师 ，研 究 方 向 为 机 械 系 统 非 线 性 振 动 控 制 与 应 用 、智 能 材 料 结 构 及 应 用 ； 任 玥 （1990— ），男 ，博 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 车 辆 系 统 动 力 学 与 控 制 。
摘 要 ：以 轮 毂 电 机 为 动 力 的 四 轮 独 立 驱 动 电 动 车 是 电 动 车 未 来 的 发 展 方 向 之 一 。开 关 磁 阻
( switched reluctance) 电 机 因 为 输 出 扭 矩 大 ，性 能 可 靠 等 特 点 而 成 为 较 理 想 的 驱 动 电 机 。针 对 SR
开关磁阻电机及其调速系统
第二章开关磁阻电机及其调速系统2.1 开关磁阻电机的发展概况磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。
然而通过近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。
70年代初，美国福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。
其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。
70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。
样机容量从10W至50KW，转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。
该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。
在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛使用的一些变速传动系统。
近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。
至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。
目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。
SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。
由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。
SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。
然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。
2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。
开关磁阻电机双闭环控制系统设计与调速性能优化
Ｖｏｌ������ ９ꎬ Ｎｏ������ ３ Ｓｅｐ. ꎬ ２０１８
开关磁阻电机双闭环控制系统设计与调速性能优化
王紫旖ꎬ 李春艳∗
( 黑龙江大学 机电工程学院ꎬ 哈尔滨 １５００８０)
摘 要: 开关磁阻电机调速系统( ＳＲＤ) 凭借其造价便宜、 运行可靠、 操作灵活等诸多优点ꎬ 逐 渐在精准调速及环境恶劣的调速场合崭露头角ꎮ 在分析单环 ＳＲＤ 的基础上ꎬ 完成一种新型转速 外环、 电流内环所构成的双闭环的 ＳＲＤ 设计并进行调速性能优化ꎮ 通过理论分析和仿真验证了 优化后的 ＳＲＤ 在宽调速范围、 大负载变动的情况下仍能迅速且稳定地运行ꎬ 并且稳态波动小且 全程无静差ꎬ 因此该双闭环控制系统有较高的理论研究意义和实际应用价值ꎮ 关键词: 开关磁阻电机调速系统ꎻ 双闭环控制ꎻ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真ꎻ 性能优化 中图分类号: ＴＭ３５２ 文献标志码: Ａ 文章编号: ２０９５￣００８Ｘ(２０１８)０３￣００５６￣１１
第 ９ 卷第 ３ 期 ２０１８ 年 ９ 月
黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ＤＯＩ: １０������ １３５２４ / ｊ������ ２０９５￣００８ｘ������ ２０１８������ ０３������ ０４４
第 ３ 期 王紫旖ꎬ 等. 开关磁阻电机双闭环控制系统设计与调速性能优化
������５７������
备、 电动车驱动等多个领域[１￣２] ꎮ 由于开关磁阻电机( ＳＲＭ) 本身是一具有多个可控量、 强耦合的非线性系统ꎬ 为了得到较好的调速
性能ꎬ 必须使用先进的控制方法[３] ꎮ 由于常规的线性控制器的参数固定ꎬ 很难在整个调速范围内满足其 动、 静态性能要求[４] ꎬ 要想提高调速性能ꎬ 通常采用变化参数的控制器ꎮ 文献[５] 提出了一种在 ＭＡＴ￣ ＬＡＢ / Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 环境下建立开关磁阻电机模型的方法ꎬ 与样机对比具有较好的模拟精度ꎬ 为 ＳＲＤ 的研究提 出了一种有效的辅助手段ꎻ 文献[６]通过与电流单环控制的对比ꎬ 提出并设计了电流、 转速双闭环调速控 制系统ꎬ 该系统可加快电机响应ꎬ 但未考虑电机稳速性能且无法消除静差ꎻ 文献[７] 对速度环采用传统的 ＰＩ 控制ꎬ 使电机在空载时有较好的静、 动态特性ꎻ 文献[８] 利用模糊的 ＰＩ 控制技术改善速度外环控制ꎬ 与传统 ＰＩ 控制相比ꎬ 这种控制方法提高了 ４０％ 的速度响应ꎬ 降低了 １������ ２％ 的超调量ꎬ 调节精度大幅提高ꎬ 系统震荡明显减小ꎻ 文献[９]以模糊控制为主要控制算法ꎬ 并在此基础上引入了变论域方法ꎬ 克服了普通 模糊控制下电机动态性能好而稳态性能较差的缺点ꎬ 使电机稳态性能得到进一步优化ꎬ 但在一定程度上 也削弱了系统的动态性能ꎻ 文献[１０] 在模糊 ＰＩＤ 调速控制器[１１] 的基础上提出了融合遗传算法的改进萤火 虫算法ꎬ 并把改进萤火虫算法应用到模糊调速控制器中对最优的量化因子和比例因子进行选取ꎬ 并通过 仿真验证此优化调速控制器在起动过程、 负载干扰和转速跟踪性能上均表现出较好的鲁棒性、 抗扰性和 跟随性ꎬ 能够节省大量人力并降低工作者的经验要求ꎮ 但上述研究均是在假定电机运行环境理想且无扰 动ꎬ 或仅有小的扰动下进行的ꎬ 而没有考虑电机在宽负载范围及大负载变动下的响应特点及稳速性能ꎮ 在实际应用中ꎬ 电机须能对轻、 重负载均实现迅速响应ꎬ 且力求在性能允许的范围内做到全程稳态无静 差ꎮ 此外ꎬ 电机还需要有稳定灵活的起制动性能ꎬ 以满足各种恶劣调速环境对调速系统的要求ꎮ 文献 [１２] 对三相 ＳＲＭ 采用开通角 ４０°、 关断角 ７５°的单相起动策略ꎬ 电机起动过程中转速脉动较大ꎻ 文献[１３] 对四相 ＳＲＭ 采用各相导通 ３０°的双向起动策略ꎬ 使起动脉动明显减少、 起动速度明显加快ꎬ 但性能仍有 待提高ꎮ 因此ꎬ 虽然目前 ＳＲＤ 能较好的实现控制ꎬ 但还需进一步改进和完善ꎮ
分析极弧系数对开关磁阻电机性能的影响
分析极弧系数对开关磁阻电机性能的影响目前环境污染严重，能源储量减少，发展新型清洁的电动汽车的前景和市场是越来越受到关注了。
与直流电机、永磁同步电机、交流异步机等相比，开关磁阻电机具有结构简单、运行可靠、调速性能优良、成本低等优点，非常适合于电动汽车驱动。
开关磁阻电机是一种新型的特种电机，具有双凸极结构、体积较小、运行效率高、低速启动力矩大、可实现四象限运行等特点。
由于开关磁阻电机的工作原理与结构不同于传统电机并且关于开关磁阻电机的设计和计算方面的文献较少，所以在设计中有许多可以影响到电机的运行性能。
其中以极弧系数影响较为显著，运用Ansoft仿真软件详细分析了开关磁阻电机极弧系数对电机性能的影响，电机关键的性能参数包括槽满率、相有效电流、相电流密度、额定转速、效率和额定转矩，运用控制变量法逐个分析极弧系数对电机性能的影响。
1 电机模型参数的计算通过开关磁阻电机的基本原理和设计要求的需要，运用MathCAD软件对四相8/6极5KW电机进行定转子以及电机轴的结构尺寸进行计算。
计算得到电机各个参数为电机相数为4、转1/ 3子极数6、轴径32mm、定子外径155mm、定子軛高10mm、定子内径85.8mm、转子轭高12mm，同时根据仿真研究，在ansof 中RMxprt模块下，构建模型。
2 弧系数的理论分析为保证自起动能力，极弧设计时，相邻相电感在上升区要有重叠。
极弧满足的必要条件为式中βs代表定子极弧，βr代表转子极弧。
只有在满足上式情况下，电机才具备转子处于任何位置都有正反方向自起动能力，否则只有单方向自起动能力，可用如下图表示。
A点时，定、转子极弧最小，铁芯质量最小，节省材料；B点时，定子极弧最小，定子槽大；C点时，定子极弧等于定子极距，无意义；CB边上，定、转子极弧满足βs+βr=τs，由于NrNs时会增加开关频率，因此在选取定转子极弧时应在三角形ADB区域内，使βsβr。
3 仿真分析在其他条件不发生变化的情况下对不同的定子极弧系数仿真数据对比分析4从表中可以看出，定子极弧系数增大，相电流增大，电流密2/ 3度增加，增加量较大；槽满率增大是由于定子极弧系数变大，定子极变宽，定子槽变小；定子极弧系数增大，定、转子极重叠面积增大，磁通量增加，由于绕组匝数不变，磁链也会增加，额定转矩随磁链增大而增大；转矩增加，转速明显降低，效率降低约0.5%。
开关磁阻电机磁极结构优化与工程设计软件研发.pdf
表２．１常见电机主要参数的典型取值Ｔａｂｌｅ２－ｌＴｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｖａｌｕｅｓｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｔｏｒ相数ⅣｓＭ见／Ｄ，８ｓ８ｔ三相６４Ｏ．５３００３２。
三相１２８０．５７１６。
１５。
四相８６０．５３２３０２１。
２．铁心长度与转子外径的比值兄，定义五讹，其中厶是铁心长度，名的取值严重影响着电机的性能指标和经济指标，当取值较大时，电机较细长，电机绕组端部的长度占整个绕组的比例相对很小，因此电机的整体铜量较少，这种细长的铁心也使端部磁场的影响减弱，这样一来，在二维模型下计算得到的磁化曲线的误差减小。
同时电机的转动惯量较小，对电机的起动和调速性能有很好的帮助，但也使得电机的通风条件变差；反之，当比值较小时，电机相对较粗短，此时的情况正好相反幢引。
参考中小型交流电机的经验数据，兄一般取值为Ｏ．５～３．０。
本文取值为１．２，即铁心长度ｌａ＝；ｔ．Ｄａ＝１３５．５ｍｍ３．开关磁阻电机实际上存在着两个气隙，通常提到的气隙ｇ是指定子极表面与转子磁极表面之间空气的距离，也称为第一气隙，另一个气隙∥指的是定子磁极表面到转子槽底之间的气隙，通常被称为第二气隙，他们分别影响着电机电感的最大值和最小值。
小型电机的气隙通常不小于０．２５ｍｍ，为了减小电机的振动和噪声，应该适当的增大气隙的取值，一般情况下，开关磁阻电机的气隙等于或者稍微小于同容量的异步电机的气隙船¨。
综合实际，取气隙ｇ＝０．４ｍｍ。
４．选取转子轭高ｋ时，应保证轭部铁心出现最大磁通密度时不会达到过饱和，考虑到存在两相以上绕组同时导通的情况，轭高较好的取值是：ｈＣｉ＂＝（１．２－１．４）等（２－２４）式中，ｋ是转子的极宽，在不影响转轴强度情况下，ｋ可以取的相对较大的值，本文取ｈ。
：１５．７７ｍｍ，定子轭高ｈ。
的选取同转子轭高相同。
５．每相绕组串联匝数的确定。
由开关磁阻电机的方程可知，每相绕组的·串联匝数如公式（２－２５）所示通过上面公式计算得Ｎｐｈ＝７６。
磁悬浮开关磁阻电机多目标优化设计
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ａ ｐ ｐ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｗａ ｓ ｓ ｔ ｕｄ ｉ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｅｘ ｔ ｒ ｅ ｍｅ Ｌｅ ａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ａ ｎｄ Ｎｏ ｎ— ｄ ｏ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｄ Ｓ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｇｅ —
ＤＯ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ３ ８ ／ ｊ ． ｅ ｍ ｃ ． ２ ０ １ ６ ． １ １ ． ０ ０ ５
中 图分 类号 ： Ｔ Ｍ ３ １ ５ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７ － ４ ４ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ６ ） １ １ — ０ ｉ ｃ Ａ ｌ ｇ ｏ ｉ ｒ ｔ ｈ ｍ ｗ ａ ｓ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ｕ ｈ ｉ — ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｗ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ
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Ｍｕ ｌ ｔ ｉ － ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｗｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｓ
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