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开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)以其结构简单坚固、起动转矩大电流小、调速范围宽、可靠性好、适合频繁起停和正反转等优势，在煤矿设备、电动汽车、纺织、家用电器等领域应用前景广。但由于开关磁阻电机的双凸极结构以及磁阻性质的电磁转矩，使得其功率密度较交流电机低。

为了提高开关磁阻电机的功率密度、提高材料利用率，近年来国内外许多专家和学者通过改进电机结构或引入稀土永磁材料，提出了具有模块化结构的或基于混合励磁的开关磁阻电机。模块化开关磁阻电机分为模块化定子SRM和模块化转子SRM两类，主要特点是定子或转子铁心不再是一个整体，而是由若干个独立的模块组成。模块化定子SRM是通过结构、电路和磁路的独立，进一步增强SRM在电路、磁路和散热等方面的隔离能力；而模块化转子SRM主要是通过将转子铁心分块，缩短电机磁通路径，以达到减小铁心损耗的目的。

混合励磁电机通常是在定子铁心中引入永磁体，根据永磁体放置位置的不同，其运行原理和控制策略也不相同。永磁体放置在定子轭部时，称为双凸极永磁电机(Doubly SalientPermanent Magnet Motor，DSPM)，其工作原理类似于无刷直流电机；永磁体放置在定子齿部时，称为开关磁链永磁电机(Switching Flux Permanent Magnet Motor，SFPM)，其工作原理类似于永磁同步电机；永磁体放置在两齿之间时，其工作原理与传统开关磁阻电机类似，因此称为混合励磁开关磁阻电机(Hybrid Excitation Switched Reluctance Motor．HESRM)。

本文将模块化结构与混合励磁原理相结合，通过静磁场和瞬态磁场的仿真对电机在不同状态下的静态转矩、磁链以及和稳态运行性能进行分析。

1.模块化混合励磁开关磁阻电机的主要结构及运行特点

图l(a)所示为一台三相12/10极U形定子模块化开关磁阻电机。其中，定子铁心由6块独立的U形定子模块构成，各模块空间间隔600机械角；定子线圈缠绕在各U形定子模块的齿部，采用串联或并联的方式连接，且径向相对的两个U形定子模块上的线圈组成一相绕组；转子铁心采用整体结构，与普通SRM的转子结构类似，既无永磁体也无绕组。模块化混合励磁开关磁阻电机是在上述模块化开关磁阻电机各U形定子模块的槽口加入永磁体，结构如图l(b)所示。U形定子模块及永磁体的截面图如图l(c)所示，根据电机的结构特点，存在如下关系：

其中，γ-定子极距；αs-U形定子模块各极面的角度；β一U形定子模块槽口的角度；Ns -定子极数；m-电机相数。

模块化混合励磁开关磁阻电机依然遵循磁阻最小原理，其电磁转矩是磁阻性质的，因此该电机隶属于开关磁阻电机。但由于加入了永磁体，电机一相的磁通路径与无永磁体时有所不同。无永磁体时，电机磁链依次经过定子齿部一定子轭部一定子齿部一气隙一转子齿部一转子轭部一转子齿部一气隙一定子齿部形成闭合回路，磁通路径如图2(a)所示；加入永磁体后，当绕组不通电或电流较小时，如图2(b)所示，磁通在包含永磁体的定子模块中形成闭合通路；当绕组电流足够大时，电机的磁通路径如图2(c)所示，气隙磁通既有电励磁分量又有永磁体分量。

图2 电机磁通路径

2.模块化混合励磁开关磁阻电机的主要结构及运行特点

2.1 静态磁场分析

静态磁场是指所有磁场量不随时间变化的物理场，它描述的是电磁器件在稳定工作状态下的场分布和电感、转矩、力等物理量的信息。SRM静态磁场分析的主要任务是获得恒定电流下电机电感、转矩分别与转子位置和电流的函数关系。根据有限元分析方法的基本流程，首先在Ansoft/Maxwell 2D中建立电机的静磁场分析模型，其主要尺寸和材料如表1所示。

表1 主要参数表

图3所示为采用不同剖分方法的网格剖分结果，经统计，classic mesh的总单元数为1548，而TAU mesh的总单元数为14628;且从图中可以看出，与classic mesh相比，TAUmesh各单元更加均匀。

图3 不同网格初始化方法效果比较

由于在电机定子侧加入了具有固定充磁方向的永磁体，因此，各绕组中的电流方向不再是任意的。为了探究绕组电励磁磁势方向与电机性能的关系，本文固定永磁体充磁方向，通过改变绕组电流的方向进行分析，其中，将满足图2(c)中所示关系的联接方式成为正向联接，反之为反向联接。图4-图6所示为两种联接方式下电机的静态转矩、静态电感和磁链一电流波形的对比仿真结果。从图中可以看出，相同电流下正向联接时的最大静态转矩约是反向联接时的1.7倍，且正向联接时能够在较大范围内保持较高转矩，这是因为正向联接时，相同电流下从磁阻最大位置到磁阻最小位置的磁链一电流波形所包含面积明显大于反向联接时；同时，由于两种联接方式下的磁路饱和程度不同导致绕组电感值也有明显差别。

图4 两种联接方法下的静态转矩比较

图5 两种联接方法下的静态电感比较

图6 两种联接方法下的磁链-电流比较

2.2 瞬态磁场分析

SRM在实际运行中，绕组电压、电流、转矩、磁链等物理量是随时间变化的，因此需要对模型进行瞬态磁场分析。与静磁场分析类似，首先对两种联接方式下的合成转矩和各相电流波形进行比较。设定电源电压U=300V，转速n=2000r/min，各相导通角度θ=0°～12°图7所示为反向联接时合成转矩和三相电流的仿真波形，图8(a)、(b)所示为正向联接时合成转矩和三相电流的仿真波形。

图7 反向联接时的转矩和电流波形

通过比较可以看出，反向联接时电机合成转矩的平均值、最大值和最小值分别为2.9276N·m，3.9276N·m，1.8423N·m，三相电流有效值分别为13.8118A，11.6114A，13.6608A;正向联接时电机合成转矩的平均值、最大值和最小值分别为3.0556N·m，4.5586N·m，2.0688N·m，三相电流有效值分别为5.2694A，4.3348A，4.5663A。

定义：转矩脉动率：最大瞬时转矩—最小瞬时转矩×100%/平均转矩

根据上述仿真数据，计算得到反向联接和正向联接时电机的转矩脉动率分别为71.32%和81.48%;平均转矩电流比分别为0.2247和0.6469。通过对比，可见采用正向联接，即电励磁所产生的磁动势方向和永磁体磁动势方向应满足图2(c)中所示的关系时，电机的平均转矩和转矩电流比明显高于反向联接时，但转矩脉动较反向联接时略大。综合考虑，正向联接时电机性能好于反向联接时。

图8 正向联接时的仿真波形

图8(c)～(g)进一步示出了正向联接时的电感、磁链、相电压、磁链一电流和损耗的波形。通过相磁链和相电压的波形可以看出，当绕组电流降为零后，由于永磁体的影响，感应电压并不为零。由于正向联接时，电机的转矩脉动较大，为了降低电机的转矩脉动，本文采用电流斩波控制(Current Chopping Control，CCC)进行仿真对比，图9所示为电流限幅为8A时CCC下的电机平均转矩、三相电流、电感、磁链、相电压、磁链一电流和损耗的波形。经计算，在CCC下的电机转矩脉动率和转矩电流比分别为51.52%和0.9723。转矩脉动较不加控制时下降了约30%，而转矩电流比提高了约50%，但平均转矩仅下降了约22.8%。同时，电机的铁心损耗和铜耗也较图8中不加控制时分别减少了约20.11%和25.58%。

图9 采用CCC时的仿真波形

图10 不同时刻下的电机磁力线和磁密分布

图10所示为电机分别在A相磁阻最大位置（θ=0°）、1／4转子极距（θ=9°）和磁阻最小位置(θ=18°)时的磁力线和磁密分布情况。从图中可以看出，定子模块、永磁体和转子铁心中的磁链和磁通密度都是随时间变化的。当θ=0°时，电励磁磁势为零，磁链完全由永磁体产生，且由于气隙磁阻远大于定子铁心模块的磁阻，因此磁力线从永磁体N极出发经定子铁心模块回到S极，各模块中均有磁链分布而转子铁心中几乎无磁链分布；当θ=9°时，电励磁磁势和永磁体磁势同时存在，电机各相的磁链分布和磁通密度不再相同，且转子铁心中亦有磁链分布并产生转矩；当θ=18°时，A相已经关断，电路处于续流状态，B相也己开通，因此A相和B相的磁力线主要分布在永磁体和转子铁心中，而C相尚未开通，故磁力线和磁密分布于θ=0°时差别不大。

2.3 样机与实验测量

为了研究电机结构参数对性能的影响，对转子极弧系数进行参数化扫描，分析其对相电流和转矩的影响。根据电机的结构特点，将转子极弧系数的扫描范围设置为0.3～0.5，扫描步长为0.02，不同的转子极弧系数对相电流和输出转矩波形的影响如图11所示。根据仿真结果，计算出平均输出转矩、转矩脉动率、相电流有效值和转矩电流比随转子极弧系数的变化关系，其结果如图12所示。

图11 不同转子极弧系数对电流和转矩的影响

图12 电机性能参数随转子极弧系数的变化

从仿真结果可以看出，随着转子极弧系数的增加，相电流的幅值和有效值均减小，从而导致输出转矩下降；但由于较大的极弧系数增加了定转子重叠区域，使得转矩脉动率呈下降趋势，但重叠区域过大也会增加转矩脉动；同时也注意到较大的重叠区域使转矩的下降速度快于电流的减小速度，造成转矩电流比下降。因此，在电机设计过程中应综合考虑各性能指标，选择合适的结构尺寸。

3.结论

本文在分析模块化混合励磁开关磁阻电机主要结构和运行特点的基础上，对一台3相12/10极结构的模块化混合励磁开关磁阻电机在永磁体磁势和电励磁磁势不同联接方式下的静态转矩、电感、磁链以及稳态运行时的转矩和电流进行了仿真对比，验证了特定的联接方式可以获得较好的静动态性能；比较了不加控制策略和采用CCC时电机的转矩脉动和转矩电流比，说明了采用CCC能够有效降低转矩脉动并提高转矩电流比；最后通过改变转子极弧系数对电机性能进行了参数化仿真，分析了其对相电流和输出转矩的影响。

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