开关磁阻电机转矩脉动优化研究_井立兵.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 21 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．21 2019 基金项目 国家自然科学基金 51707072 ; 湖北省微电网工程技术研究 中心开放基金资助项目 2015KDW03 ; 三峡大学学位论文培优基金 项目资助 2018SSPY079 收稿日期 2018 －07 －06修改稿收到日期 2018 －08 －09 第一作者 井立兵 男， 博士 后 ， 副教授， 1982 年生 开关磁阻电机转矩脉动优化研究 井立兵1， 2，成佳1 1． 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌443002; 2． 湖北省微电网工程技术研究中心 三峡大学 ， 湖北 宜昌443002 摘 要 转矩脉动是造成电机振动和噪声的主要原因。为降低开关磁阻电机转矩脉动， 研究了一种新型转子齿 形， 即在传统平行转子齿形的两侧添加半椭圆形辅助铁芯。利用有限元法， 对一台 12/8 极开关磁阻电机建模， 通过参数 化仿真， 得到最优改进模型。同时， 为了进一步降低转矩脉动， 优化功率变换器开关角， 缓解换相时引起的转矩跃变。通 过仿真计算得到最佳开通角和关断角组合方案， 不仅可以显著降低开关磁阻电机的转矩脉动， 而且还缓解了双凸极造成 的局部饱和。该方法从根源上减小双凸极结构造成的局部饱和和换相时引起的转矩较大跃变， 对于其它的双凸极电机都 有借鉴意义。 关键词 开关磁阻电机; 转矩脉动; 转子齿形; 开关角; 有限元 中图分类号 TM352文献标志码 ADOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 21． 017 Torque ripple optimization for a switched reluctance motor JING Libing1， 2，CHENG Jia1 1． College of Electrical Engineering ＆ New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China; 2． Hubei Micro- grid Engineering Technology Research Centre，China Three Gorges University，Yichang 443002，China AbstractTorque ripple is the main source to cause motor vibration and noise． Here，in order to reduce torque ripple of a switched reluctance motor，a new type rotor tooth profile，i． e． ，a semi- oval auxiliary core being added on both sides of a traditional parallel rotor tooth profile，was studied． The finite element was used to model a 12/8- pole switched reluctance motor，and the optimal modified model was obtained through parameterized simulation． Meanwhile，to further reduce torque ripple，the switching angle of the power converter was optimized，and the torque transition caused by phase change was relieved． The combination scheme for the optimal switch- on and switch- off angles was obtained through simulation calculation． The results showed that the proposed can not only significantly reduce torque ripple of a switched reluctance motor，but also relieve the local saturation caused by double salient- pole; the proposed can be used as a reference for other double salient- pole motors． Key words switched reluctance motor; torque ripple; rotor tooth profile; switching angle; finite element 开关磁阻电机 Switched Reluctance Motor， SRM 由 于没有转子绕组和永磁体， 因此， 结构简单成本低， 可 靠性高， 适用于高速高温等恶劣环境， 相比其它调速电 机， 当前极具竞争力， 一直被当做电动汽车驱动系统的 最优方案之一 ［1- 2 ］。然而， 转矩脉动导致的振动和噪声 一直是限制开关磁阻电机普遍应用的主要瓶颈。因 此， 最大限度的降低开关磁阻电机转矩脉动成为当今 很多学者研究 SRM 热点问题之一。 开关磁阻电机产生转矩脉动的原因主要有三方 面 ①边缘磁通; ②双凸极结构造成的励磁极和转子磁 极磁路局部饱和; ③由于开关磁阻电机系统采用开关 形式功率变换器供电电路导致了相电流、 转矩的跃 变 ［3- 4 ］。这三方面导致开关磁阻电机存在固有的转矩 脉动。国内外学者主要通过优化电机本体结构和控制 策略两方面来减少 SRM 的转矩脉动。然而， 大多数文 献的研究集中在控制领域， 很多学者基于直接瞬时转 矩控制策略 ［5 ］、 变结构控制策略［6 ］和现代控制理论， 提 出新的智能控制策略 ［7 ］， 但这些通过控制领域的方法 增加了控制器的复杂性和电机的成本。因此， 通过电 机本体结构的设计来减少 SRM 的转矩脉动的研究近 些年获得重视。 ChaoXing 文献［ 8- 9］以 SRM 本体结构为研究对象， 分析转 子铁芯内部开孔位置和开孔大小对转矩脉动的影响。 这种方法是通过改变转子内部磁场分布来减少电机的 转矩脉动。文献［ 10- 11］ 以减少 SRM 的转矩脉动为目 的， 在每个转子极一侧上开一个适当大小的 V 形槽， V 形槽的开口对着旋转的方向， 但这种方法的不足之处 是只能在单方向减少转矩脉动， 并且平均转矩有所下 降。文献［ 12- 13］通过改变 SRM 定子、 转子极靴结构 来改善边缘磁通的影响， 从而降低电机转矩脉动。文 献［ 14］ 利用麦克斯韦张量法比较了四种不同转子齿形 结构对转矩脉动的影响。文献［ 15- 17］基于改变定转 子极面结构形成不均匀气隙来改善气隙磁密， 从而降 低 SRM 转矩脉动。而基于缓解双凸极结构造成的励 磁极和转子磁极磁路局部饱和少有研究。 本文为降低 SRM 转矩脉动， 研究了一种新型转子 齿形。在传统开关磁阻电机平行齿的基础上， 在转子 磁极两侧添加半椭圆形辅助铁芯， 将传统转子平行齿 改成鼓型齿结构。添加的半椭圆形铁芯长轴固定为转 子磁极长度， 定义半椭圆形铁芯短轴与长轴之比为系 数 P， 通过优化系数 P， 来降低开关磁阻电机转矩脉动， 得到开关磁阻电机改进模型。为了进一步降低开关磁 阻电机转矩脉动， 研究了开通角和关断角对转矩脉动 的影响， 通过优化开通角和关断角， 得到开关磁阻电机 优化模型， 转矩脉动明显减小。本文使用有限元软件 Ansoft Maxwell 建立二维场路耦合模型， 通过设置变量 P， 变量开通角和关断角， 利用软件参数化仿真， 通过计 算结果对比来寻找最优系数 P， 最优开通角和关断角。 1开关磁阻电机转矩脉动优化设计方案 开关磁阻电机在运行过程中存在固有转矩脉动， 导致转矩脉动产生的原因主要有三方面 ①边缘磁通; ②双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱 和; ③由于开关磁阻电机系统采用开关形式功率变换 器供电电路导致了相电流、 转矩的跃变。 为了缓解双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁 路局部饱和， 本文研究了一种新型开关磁阻电机转子 齿形， 在传统开关磁阻电机平行齿的基础上两侧添加 半椭圆形辅助铁芯。如图 1 所示 半椭圆形辅助铁芯 长轴 hr固定为转子磁极长度， d 表示半短轴距离。定 义系数 P P 2d hr 1 在有限元软件中设置变量 d， 通过参数化仿真结果 对比， 寻找最优半短轴距离 d， 计算最佳系数 P， 得到开 关磁阻电机改进模型。 为了缓解开关磁阻电机采用开关形式功率变换器 供电电路导致的相电流和转矩的跃变， 通过对开通角， 关断角的优化， 寻找最优开通角， 关断角组合方案， 得 到开关磁阻电机优化模型。 图 1开关磁阻电机改进模型 Fig． 1Improved switched reluctance motor model 2建立开关磁阻电机 有限元模型 本文以额定功率 15 kW、 额定电压 220 V、 额定转 速 1 500 r/min、 三相 12/8 极 SRM 为例， 利用有限元软 件 Ansoft Maxwell 建立二维场路耦合模型， 研究对电机 转矩脉动的影响。电机主要参数如表 1 所示。 表 1电机结构主要参数 Tab． 1Main parameters of motor structure 参数数值参数数值 定子极数 Ns 12转子极数 Nr8 定子外径 Dso/mm 260转子外径 Dro/mm178 定子内径 Dsi/mm 180转子内径 Dri/mm85 定子轭高 Hs/mm 20转子轭高 Hr/mm30 定子极弧 βs/ 15转子极弧 βr/ 16 气隙 δ/mm1 铁心叠长 l/mm200 3计算结果与分析 转矩脉动系数 KT定义为 KT Tmax－ Tmin Tav 2 式中 Tmax是电机稳定运行时的最大转矩值; Tmin是电机 稳定运行时的最小转矩值; Tav是电机稳定运行时的平 均转矩值; 3． 1瞬态磁场分析 电机的仿真结果如图2 所示。与传统结构 SRM 相 比， 电机采用新型转子齿形后， 电机磁通路径饱和度大 大减小。 为了降低定转子磁极对齐位置时的局部饱和， 在 传统开关磁阻电机转子两侧添加半椭圆形铁芯， 长轴 固定为转子磁极长度， 通过改变辅助铁芯短轴与长轴 之比系数 P， 计算转矩脉动结果如图 3 所示。 如图 3 所示， 随着系数 P 的增大， 辅助铁芯半短轴 d 在增大， 开关磁阻电机转矩脉动系数在减小， 当系数 P 超过 0． 6 时， 转矩脉动系数急剧增大， 总体上呈现先 121第 21 期井立兵等 开关磁阻电机转矩脉动优化研究 ChaoXing 减小后增大的规律。系数 P 在 0． 4 ～0． 6 范围内， 转矩 脉动最小。 a 传统模型 b 改进模型 图 2磁密云图 Fig． 2Magnetic field distribution 图 3系数 P 对转矩脉动的影响 Fig． 3The influence of coefficient P on torque ripple 表 2系数 P 对转矩脉动的影响 Tab． 2The influence of coefficient P on torque ripple 系数 P 转矩脉动系数 KT 0． 40． 721 5 0． 50． 715 8 0． 60． 720 9 计算结果如表 2 所示 系数 P 在 0． 4 ～ 0． 6 范围 内， 转矩脉动最小， 为了进一步精确减小开关磁阻电机 转矩脉动系数， 缩小参数化仿真步长， 由计算结果可知 当系数 P 为 0． 46 时， 转矩脉动系数最小为 0． 702 7。 通过前面仿真计算可知， 当系数 P 为 0． 46 时， 转 矩脉动系数最小， 得到开关磁阻电机改进模型。改进 后的新型转子齿形电机模型和传统开关磁阻电机模型 相比的瞬态转矩波形对比图如图 4 所示。 图 4开关磁阻电机传统模型与改进模型瞬时转矩对比图 Fig． 4Comparison diagram of instantaneous torque between traditional model and improved model 如图 4 所示， 电机转速 1 500 r/min， 取一个仿真周 期时间为 10 ms， 得到电机的启动到稳态过程的瞬态转 矩波形图。从图 4 中可以看出， 在传统开关磁阻电机 平行转子齿两侧添加半椭圆形辅助铁芯得到的改进模 型， 缓解了双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路 局部饱和， 起到了削峰作用， 转矩脉动明显降低。经过 计算得传统电机模型的转矩脉动系数为 0． 903 7， 平均 转矩为127． 35 Nm， 两侧添加半椭圆形辅助铁芯得到 的改进模型电机转矩脉动系数为 0． 702 7， 平均转矩为 83．57 Nm。由计算结果可知， 与传统电机模型相比， 改进电机模型转矩脉动系数下降 22． 24， 平均转矩下 降 34． 37。 3． 2静态磁场分析 对 SRM 进行静态磁场分析时， 以电流源作为激 励， 采用单相绕组励磁方式分析， 定子绕组电流以 20 A 为例。以电机转子转动一个转子极距 45为周期， 通过 有限元软件仿真， 得到传统模型与改进模型静态转矩 对比图， 如图 5 所示。 图 5开关磁阻电机传统模型与改进模型静态转矩对比图 Fig． 5Comparison diagram of static torque between traditional model and improved model 从图 5 可知， 传统模型静态最大转矩为 161． 25 Nm， 添加辅助铁芯新结构改进模型静态最大转矩为 143． 63 Nm， 与传统模型相比下降了 10． 93。通过 在转子齿两侧添加辅助铁芯缓解了双凸极结构造成的 励磁极和转子磁极磁路局部饱和， 从而起到削峰作用， 从而降低开关磁阻电机转矩脉动。 221振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 开关磁阻电机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁 导变化产生， 电感对位置角的变化率越大， 转矩越大。 对于 12/8 极开关磁阻电机， 定子励磁极和转子磁极对 齐位置角为 22． 5。通过图 6 可以看出， 改进模型相比 于传统模型， 在定子励磁极和转子磁极对齐位置附近， 电感对位置角的变化率减小， 因此输出转矩减小， 起到 削峰作用。 图 6开关磁阻电机传统模型与改进模型电感波形对比图 Fig． 6Comparison diagram of Inductance wave between traditional model and improved model 3． 3开通角、 关断角对转矩脉动的影响 为了缓解开关磁阻电机采用开关形式功率变换器 供电电路导致的相电流和转矩的跃变， 通过对开通角， 关断角的优化， 寻找最优开通角， 关断角组合方案。传 统开关磁阻电机采用开通角 0， 关断角 15的组合方 案。如图 7 所示， 电机转速 1 500 r/min， A 相关闭时刻 为1． 667 0 ms， 对应关断角为15， 此时A相电流在衰 a 电流波形 b 瞬态转矩波形 图 7传统开关断角方案下改进模型 Fig． 7Improved model under traditional switching on and off angles scheme 减， B 相刚开通， 电流在增大。而在换相时刻， A 相转矩 从最大值开始降低， B 相转矩从零开始上升， 输出转矩 是 A 相转矩和 B 相转矩的叠加， 因此导致转矩的跃变， 产生较大的转矩脉动。 为了尽量减小换相时刻导致的转矩跃变， 采用关 断角滞后的方案， 研究关断角对转矩脉动的影响。计 算结果如图 8 所示。 图 8关断角对转矩脉动的影响 Fig． 8The effect of switching off angles on torque ripple 如图 8 所示， 随着关断角的增大， 开关磁阻电机转 矩脉动系数显著减小， 当关断角过大时， 转矩脉动系数 反而增大。当关断角为 18时， 改进模型开关磁阻电机 转矩脉动系数最小， 为 0． 304 1， 与传统方案关断角 15 相比， 转矩脉动系数下降 56． 72。 为了进一步减小开关磁阻电机转矩脉动系数， 把 关断角固定为 18， 研究开通角对转矩脉动系数的影 响， 计算结果如图 9 所示。 图 9开通角对转矩脉动的影响 Fig． 9The effect of switching on angles on torque ripple 关断角固定为 18后， 微调开通角， 如图 9 所示， 随 着开通角的增大， 开关磁阻电机转矩脉动系数先减小 后增大。当开通角为 － 0． 2时， 即相比传统方案开通 角， ABC 各相提前 0． 2开通， 此时转矩脉动系数最小为 0． 252 8。 综上所述， 为了缓解换相时刻转矩的跃变， 采用开 通角 － 0． 2， 关断角 18组合方案， 开关磁阻电机转矩 脉动最小， 与传统方案开通角 0， 关断角 15相比， 转矩 脉动系数下降 64． 02。采用开通角、 关断角优化方案 后的电流波形如图 10 所示。 321第 21 期井立兵等 开关磁阻电机转矩脉动优化研究 ChaoXing 图 10开关角优化方案后的电流波形 Fig． 10Current wave after switching on and off optimization 从图 10 中可以看出， B 相电流开启时， A 相电流并 没有关闭， 这样子减小了换相时引起的转矩波动。开 关磁阻电机改进模型和优化模型的瞬时转矩对比图如 图 11 所示。 图 11开关磁阻电机改进模型与优化模型瞬时转矩对比图 Fig． 11Comparisondiagramofinstantaneoustorquebetween improvedmodelandoptimizedmodelofswitched reluctance motor 如图 11 所示， 在改进模型基础上， 采用开通角和 关断角优化后， 在换相时刻， 转矩跃变显著减小。与改 进后的模型相比， 优化后的模型， 开关磁阻电机转矩脉 动系数不仅显著减小， 而且平均输出转矩显著增大， 但 与传统模型相比， 输出转矩还是有所降低， 可以通过增 大电流来补偿。三种模型下对开关磁阻电机转矩脉动 系数和平均输出转矩的影响如表 3 所示。 表 3三种模型下对转矩脉动的影响 Tab． 3Torque ripple effect under three models 类型 转矩脉动系数 KT 平均输出转矩 T/ Nm 传统模型0． 903 7127． 35 改进模型0． 702 783． 57 优化模型0． 252 895． 69 最终效果下降 72． 03下降 24． 94 4结论 1 考虑 SRM 电磁特性、 边缘磁通等因素， 从电机 本体结构设计上对传统 SRM 平行转子齿形的两侧添 加辅助椭圆形铁芯， 并构建了 12/8 极电机仿真模型; 仿真分析了电机磁场、 转矩脉动等瞬态过程中的机电 动态响应特性， 并验证了辅助铁芯短轴与长轴之比与 转矩脉动之间的关系。选取合适的系数， 使得转矩脉 动系数显著降低。 2 采用优化开通角和关断角组合方案， 可以缓 解 SRM 换相时引起的转矩跃变。从仿真计算结果看， 优化后的模型缓解了换相时的转矩跃变， 使得转矩脉 动系数显著减小， 但与传统模型相比， 平均输出转矩降 低， 为克服这一缺点， 可采用增大电流的办法， 提高输 出转矩。 本方法从根源上减小了开关磁阻电机的转矩脉动 以及电机的局部饱和， 并可以缓解换相时引起的转矩 较大跃变， 这种方法对于其它双凸极电机有借鉴意义。 参 考 文 献 ［1］ 吴建华． 开关磁阻电机设计与应用［ M］ ． 北京 机械工业 出版社， 2000． ［2］ CAO X， ZHOU J， LIU C， et al． Advanced control for single- winding bearingless switched reluctance motor to reduce torque ripple and radial displacement［ J］ ． IEEE Transactions on Energy Conversion， 2017， 32 4 1533- 1543． ［3］ 吴红星． 开关磁阻电机系统理论与控制技术［ M］ ． 北京 中国电力出版社， 2010． ［4］ 李哲，郑玲，杨威， 等． 开关磁阻电机转矩脉动及结构优 化设计研究［ J］ ． 电机与控制学报， 2018， 22 6 11- 21． LI Zhe，ZHENG Ling，YANG Wei，et al．Research on torque ripple and structure optimization of switched reluctance motor［J］ ． Electric Machines and Control，2018，22 6 11- 21． ［5］ 朱叶盛，章国宝，黄永明． 基于 PWM 的开关磁阻电机直 接瞬时转矩控制［J］ ． 电工技术学报，2017，32 7 31- 39． ZHU Yesheng，ZHANG Guobao，HUANG Yongming． PWM- baseddirectinstantaneoustorquecontrolofswitched reluctancemachine［ J ］ ．TransactionsofChina Electrotechnical Society， 2017， 32 7 31- 39． ［6］ 陈亮，孙玉坤，孙宇新． 开关磁阻电机的模糊滑模变结构 控制［ J］ ． 江苏大学学报 自然科学版 ， 2001， 22 5 52- 54． CHENG Liang，SUN Yukun，SUN Yuxin． Fuzzy and VSS control of switched reluctance motor［J］ ． Journal of Jiangsu University of Science and Technology Natural Science ， 2001， 22 5 52- 54． ［7］ YE W，MA Q，ZHANG P，et al． Torque ripple reduction in switched reluctance motor using a novel torque sharing function［C］/ / IEEE International Conference on Aircraft Utility Systems． Beijing IEEE， 2016． ［8］ 王勉华，张朴． 基于有限元法的开关磁阻电机结构优化 ［ J］ ． 电机与控制应用， 2015， 42 4 27- 29． WANGMianhua， ZHANGPu．Optimizationdesignof switched reluctance motor based on Ansoft［J］ ．Electric Machines ＆ Control application， 2015， 42 4 27- 29． ［9］ SAHIN C，AMAC A E，KARACOR M，et al．Reducing torque ripple of switched reluctance machines by relocation of rotor moulding clinches［ J］ ． IET Electric Power Applications， 2012， 6 9 753- 760． 421振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing ［ 10］ JIN W L，HONG S K，KWON B I，et al． New rotor shape design for minimum torque ripple of SRM using FEM［J］ ． IEEE Transactions on Magnetics， 2004， 40 2 754- 757． ［ 11］ LI G，OJEDA J，HLIOUI S，et al． Modification in rotor pole geometry of mutually coupled switched reluctance machine for torqueripplemitigating ［J］ ．IEEETransactionson Magnetics， 2012， 48 6 2025- 2034． ［ 12］ OZOGLU Y，GARIP M，MESE E．New pole tip shapes mitigating torque ripple in short pitched and fully pitched switched reluctance motors ［J］ ．Electric Power Systems Research， 2005， 74 1 95- 103． ［ 13］ 许家群，卞松江，杨芳春． 开关磁阻电机极型改进研究 ［ J］ ． 煤矿机电， 2001， 21 4 1- 3． XU Jiaquan，BIAN Songjiang，YANG Fangchun． A study of improving pole s of switched reluctance motor［J］ ， Colliery Mechanical ＆ Electrical Technology，2001， 21 4 1- 3． ［ 14］ 蔡燕，张东学． 开关磁阻电机新型转子齿形对转矩脉动 抑制的仿真研究［J］ ． 电工技术学报，2015，30 2 64- 70． CAI Yan，ZHANG Dongxue．Simulation study on torque ripple reduction of a switched reluctance motor using new rotor tooth［J］ ．Transactions of China Electrotechnical Society， 2015， 30 2 64- 70． ［ 15］ 张向龙，王军，杨燕翔， 等． 基于新型定子极面结构的开 关磁阻电机转矩脉动抑制研究［J］ ． 电机与控制应用， 2017， 44 5 80- 83． ZHANG Xianglong，WANG Jun，YANG Yanxiang，et al． New stator pole shape of switched reluctance motor for torque ripplereduction ［J］ ．ElectricMachines＆Control Application， 2017， 44 5 80- 83． ［ 16］ SHETH N K，RAJAGOPAL K R．Torque profiles of a switched reluctance motor having special pole face shapes and asymmetricstatorpoles ［J］ ．IEEETransactionson Magnetics， 2004， 40 4 2035- 2037． ［ 17］ 成佳，井立兵，孙威， 等． 基于转子极弧偏心抑制开关磁 阻电动机转矩脉动［ J］ ． 微特电机， 2018， 46 3 21- 24． CHENG Jia，JING Libing，SUN Wei，et al． Research on torque ripple suppression of switched reluctance motor based on rotor pole arc eccentricity［J］ ． Small ＆ Special Electrical Machines， 2018， 46 3 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 21- 24． 上接第 103 页 ZHOU Weihao，WEN Yongpeng，SHANG Huilin，et al． Study on vibration reduction characteristics of semi- active magnetorheological vibration absorber for vehicle body ［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2018， 37 16 124- 134． ［ 16］ 宫岛， 周劲松， 杜帅妹， 等． 高速动车组车下设备对车体振 动传递与模态频率的影响机理研究［J］ ． 机械工程学报， 2016， 52 18 126- 133． GONG Dao， ZHOU Jinsong， DU Shuimei， et al． Study on the mechanism of vibration transmission and mode frequency of vehicle under high- speed EMU undercarriage ［J］ ． Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，52 18 126- 133． ［ 17］ 贺小龙， 张立民， 鲁连涛， 等． 高速列车车下设备对车体垂 向振动影响规律研究［J］ ． 振动与冲击， 2017， 36 19 46- 51． HE Xiaolong，ZHANG Limin，LU Liantao，et al． Effects of suspended equipments on the vertical vibration of high- speed vehicle［ J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2017， 36 19 46- 51． 521第 21 期井立兵等 开关磁阻电机转矩脉动优化研究 ChaoXing