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開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)以其結構簡單堅固、起動轉矩大電流小、調速範圍寬、可靠性好、適合頻繁起停和正反轉等優勢，在煤礦設備、電動汽車、紡織、家用電器等領域應用前景廣。但由於開關磁阻電機的雙凸極結構以及磁阻性質的電磁轉矩，使得其功率密度較交流電機低。

爲了提高開關磁阻電機的功率密度、提高材料利用率，近年來國內外許多專家和學者通過改進電機結構或引入稀土永磁材料，提出了具有模塊化結構的或基於混合勵磁的開關磁阻電機。模塊化開關磁阻電機分爲模塊化定子SRM和模塊化轉子SRM兩類，主要特點是定子或轉子鐵心不再是一個整體，而是由若干個獨立的模塊組成。模塊化定子SRM是通過結構、電路和磁路的獨立，進一步增強SRM在電路、磁路和散熱等方面的隔離能力；而模塊化轉子SRM主要是通過將轉子鐵心分塊，縮短電機磁通路徑，以達到減小鐵心損耗的目的。

混合勵磁電機通常是在定子鐵心中引入永磁體，根據永磁體放置位置的不同，其運行原理和控制策略也不相同。永磁體放置在定子軛部時，稱爲雙凸極永磁電機(Doubly SalientPermanent Magnet Motor，DSPM)，其工作原理類似於無刷直流電機；永磁體放置在定子齒部時，稱爲開關磁鏈永磁電機(Switching Flux Permanent Magnet Motor，SFPM)，其工作原理類似於永磁同步電機；永磁體放置在兩齒之間時，其工作原理與傳統開關磁阻電機類似，因此稱爲混合勵磁開關磁阻電機(Hybrid Excitation Switched Reluctance Motor．HESRM)。

本文將模塊化結構與混合勵磁原理相結合，通過靜磁場和瞬態磁場的仿真對電機在不同狀態下的靜態轉矩、磁鏈以及和穩態運行性能進行分析。

1.模塊化混合勵磁開關磁阻電機的主要結構及運行特點

圖l(a)所示爲一臺三相12/10極U形定子模塊化開關磁阻電機。其中，定子鐵心由6塊獨立的U形定子模塊構成，各模塊空間間隔600機械角；定子線圈纏繞在各U形定子模塊的齒部，採用串聯或並聯的方式連接，且徑向相對的兩個U形定子模塊上的線圈組成一相繞組；轉子鐵心採用整體結構，與普通SRM的轉子結構類似，既無永磁體也無繞組。模塊化混合勵磁開關磁阻電機是在上述模塊化開關磁阻電機各U形定子模塊的槽口加入永磁體，結構如圖l(b)所示。U形定子模塊及永磁體的截面圖如圖l(c)所示，根據電機的結構特點，存在如下關係：

其中，γ-定子極距；αs-U形定子模塊各極面的角度；β一U形定子模塊槽口的角度；Ns -定子極數；m-電機相數。

模塊化混合勵磁開關磁阻電機依然遵循磁阻最小原理，其電磁轉矩是磁阻性質的，因此該電機隸屬於開關磁阻電機。但由於加入了永磁體，電機一相的磁通路徑與無永磁體時有所不同。無永磁體時，電機磁鏈依次經過定子齒部一定子軛部一定子齒部一氣隙一轉子齒部一轉子軛部一轉子齒部一氣隙一定子齒部形成閉合迴路，磁通路徑如圖2(a)所示；加入永磁體後，當繞組不通電或電流較小時，如圖2(b)所示，磁通在包含永磁體的定子模塊中形成閉合通路；當繞組電流足夠大時，電機的磁通路徑如圖2(c)所示，氣隙磁通既有電勵磁分量又有永磁體分量。

圖2 電機磁通路徑

2.模塊化混合勵磁開關磁阻電機的主要結構及運行特點

2.1 靜態磁場分析

靜態磁場是指所有磁場量不隨時間變化的物理場，它描述的是電磁器件在穩定工作狀態下的場分佈和電感、轉矩、力等物理量的信息。SRM靜態磁場分析的主要任務是獲得恆定電流下電機電感、轉矩分別與轉子位置和電流的函數關係。根據有限元分析方法的基本流程，首先在Ansoft/Maxwell 2D中建立電機的靜磁場分析模型，其主要尺寸和材料如表1所示。

表1 主要參數表

圖3所示爲採用不同剖分方法的網格剖分結果，經統計，classic mesh的總單元數爲1548，而TAU mesh的總單元數爲14628;且從圖中可以看出，與classic mesh相比，TAUmesh各單元更加均勻。

圖3 不同網格初始化方法效果比較

由於在電機定子側加入了具有固定充磁方向的永磁體，因此，各繞組中的電流方向不再是任意的。爲了探究繞組電勵磁磁勢方向與電機性能的關係，本文固定永磁體充磁方向，通過改變繞組電流的方向進行分析，其中，將滿足圖2(c)中所示關係的聯接方式成爲正向聯接，反之爲反向聯接。圖4-圖6所示爲兩種聯接方式下電機的靜態轉矩、靜態電感和磁鏈一電流波形的對比仿真結果。從圖中可以看出，相同電流下正向聯接時的最大靜態轉矩約是反向聯接時的1.7倍，且正向聯接時能夠在較大範圍內保持較高轉矩，這是因爲正向聯接時，相同電流下從磁阻最大位置到磁阻最小位置的磁鏈一電流波形所包含面積明顯大於反向聯接時；同時，由於兩種聯接方式下的磁路飽和程度不同導致繞組電感值也有明顯差別。

圖4 兩種聯接方法下的靜態轉矩比較

圖5 兩種聯接方法下的靜態電感比較

圖6 兩種聯接方法下的磁鏈-電流比較

2.2 瞬態磁場分析

SRM在實際運行中，繞組電壓、電流、轉矩、磁鏈等物理量是隨時間變化的，因此需要對模型進行瞬態磁場分析。與靜磁場分析類似，首先對兩種聯接方式下的合成轉矩和各相電流波形進行比較。設定電源電壓U=300V，轉速n=2000r/min，各相導通角度θ=0°～12°圖7所示爲反向聯接時合成轉矩和三相電流的仿真波形，圖8(a)、(b)所示爲正向聯接時合成轉矩和三相電流的仿真波形。

圖7 反向聯接時的轉矩和電流波形

通過比較可以看出，反向聯接時電機合成轉矩的平均值、最大值和最小值分別爲2.9276N·m，3.9276N·m，1.8423N·m，三相電流有效值分別爲13.8118A，11.6114A，13.6608A;正向聯接時電機合成轉矩的平均值、最大值和最小值分別爲3.0556N·m，4.5586N·m，2.0688N·m，三相電流有效值分別爲5.2694A，4.3348A，4.5663A。

定義：轉矩脈動率：最大瞬時轉矩—最小瞬時轉矩×100%/平均轉矩

根據上述仿真數據，計算得到反向聯接和正向聯接時電機的轉矩脈動率分別爲71.32%和81.48%;平均轉矩電流比分別爲0.2247和0.6469。通過對比，可見採用正向聯接，即電勵磁所產生的磁動勢方向和永磁體磁動勢方向應滿足圖2(c)中所示的關係時，電機的平均轉矩和轉矩電流比明顯高於反向聯接時，但轉矩脈動較反向聯接時略大。綜合考慮，正向聯接時電機性能好於反向聯接時。

圖8 正向聯接時的仿真波形

圖8(c)～(g)進一步示出了正向聯接時的電感、磁鏈、相電壓、磁鏈一電流和損耗的波形。通過相磁鏈和相電壓的波形可以看出，當繞組電流降爲零後，由於永磁體的影響，感應電壓並不爲零。由於正向聯接時，電機的轉矩脈動較大，爲了降低電機的轉矩脈動，本文采用電流斬波控制(Current Chopping Control，CCC)進行仿真對比，圖9所示爲電流限幅爲8A時CCC下的電機平均轉矩、三相電流、電感、磁鏈、相電壓、磁鏈一電流和損耗的波形。經計算，在CCC下的電機轉矩脈動率和轉矩電流比分別爲51.52%和0.9723。轉矩脈動較不加控制時下降了約30%，而轉矩電流比提高了約50%，但平均轉矩僅下降了約22.8%。同時，電機的鐵心損耗和銅耗也較圖8中不加控制時分別減少了約20.11%和25.58%。

圖9 採用CCC時的仿真波形

圖10 不同時刻下的電機磁力線和磁密分佈

圖10所示爲電機分別在A相磁阻最大位置（θ=0°）、1／4轉子極距（θ=9°）和磁阻最小位置(θ=18°)時的磁力線和磁密分佈情況。從圖中可以看出，定子模塊、永磁體和轉子鐵心中的磁鏈和磁通密度都是隨時間變化的。當θ=0°時，電勵磁磁勢爲零，磁鏈完全由永磁體產生，且由於氣隙磁阻遠大於定子鐵心模塊的磁阻，因此磁力線從永磁體N極出發經定子鐵心模塊回到S極，各模塊中均有磁鏈分佈而轉子鐵心中幾乎無磁鏈分佈；當θ=9°時，電勵磁磁勢和永磁體磁勢同時存在，電機各相的磁鏈分佈和磁通密度不再相同，且轉子鐵心中亦有磁鏈分佈併產生轉矩；當θ=18°時，A相已經關斷，電路處於續流狀態，B相也己開通，因此A相和B相的磁力線主要分佈在永磁體和轉子鐵心中，而C相尚未開通，故磁力線和磁密分佈於θ=0°時差別不大。

2.3 樣機與實驗測量

爲了研究電機結構參數對性能的影響，對轉子極弧係數進行參數化掃描，分析其對相電流和轉矩的影響。根據電機的結構特點，將轉子極弧係數的掃描範圍設置爲0.3～0.5，掃描步長爲0.02，不同的轉子極弧係數對相電流和輸出轉矩波形的影響如圖11所示。根據仿真結果，計算出平均輸出轉矩、轉矩脈動率、相電流有效值和轉矩電流比隨轉子極弧係數的變化關係，其結果如圖12所示。

圖11 不同轉子極弧係數對電流和轉矩的影響

圖12 電機性能參數隨轉子極弧係數的變化

從仿真結果可以看出，隨着轉子極弧係數的增加，相電流的幅值和有效值均減小，從而導致輸出轉矩下降；但由於較大的極弧係數增加了定轉子重疊區域，使得轉矩脈動率呈下降趨勢，但重疊區域過大也會增加轉矩脈動；同時也注意到較大的重疊區域使轉矩的下降速度快於電流的減小速度，造成轉矩電流比下降。因此，在電機設計過程中應綜合考慮各性能指標，選擇合適的結構尺寸。

3.結論

本文在分析模塊化混合勵磁開關磁阻電機主要結構和運行特點的基礎上，對一臺3相12/10極結構的模塊化混合勵磁開關磁阻電機在永磁體磁勢和電勵磁磁勢不同聯接方式下的靜態轉矩、電感、磁鏈以及穩態運行時的轉矩和電流進行了仿真對比，驗證了特定的聯接方式可以獲得較好的靜動態性能；比較了不加控制策略和採用CCC時電機的轉矩脈動和轉矩電流比，說明了採用CCC能夠有效降低轉矩脈動並提高轉矩電流比；最後通過改變轉子極弧係數對電機性能進行了參數化仿真，分析了其對相電流和輸出轉矩的影響。

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