(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

2021年2月28日发(作者：下周)

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 Switch

Reluctance 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

Abstract

In 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 torque

ripple

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

< br>.

................................... .................................................. ..................................

I

I

第

1

章

绪

论

.

............................. .................................................. ............................... 1

1.1

1.2

课题背景及意义

...... .................................................. .......................................

1

课题国内外研究现状及趋势

............... .................................................. ..........

3

国内发展趋势

.

................................................ ......................................

3

1.2.1

1.2.2

国外发展趋势

..... .................................................. ...............................

4

1.3

1.4

课题主要研究内容

..... .................................................. ....................................

5

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

.................................................. ...................

1

1

2.2.1

基于

Ansoft

的开关磁阻电机有限元分析介绍

.............................

1

1

2.2.2

转矩脉动、噪声和振动产生的根源

...............................................

1

3

2.2.3

采用的设计方法

.................... .................................................. .........

1

3

2.3

本章小结

......... .................................................. ..............................................

1

4

第

3

章

开关磁阻电机建模

................... .................................................. ................. 15

3.1

创建电机几何模型

..... .................................................. ..................................

1

5

3.1.1

创建项目

.................................. .................................................. .........

1

5

3.1.2

建模过程

.............................................. ...............................................

1

6

3.2

3.3

3.4

材料定义及分配

...... .................................................. .....................................

2

1

激励源与边界条件定义及加载

.............. .................................................. .....

2

3

运动选项设置

..................... .................................................. ..........................

2

7

3.5

求解选项参数设定

.

.............................................. ..........................................

2

8

3.6

磁力线与磁密云图

.

.............................................. ..........................................

3

1

3.7

外电路与有限元连接

.

............................................. .......................................

3

3

3.8

本章小结

........... .................................................. ..........................................

3

4

第

4

章

开关磁阻电机优化设计

..... .................................................. ..................... 35

4.1

优化与设计

........ .................................................. ...........................................

3

5

4.1.1

多目标优化简介

.................... .................................................. .............

3

5

4.1.2

响应表面的应用

.................... .................................................. .............

3

6

4.2

4.3

4.4

4.5

修改转子极弧系数及结构

.. .................................................. .........................

3

7

求解转矩

....................... .................................................. ................................

3

8

利用

M ATLAB

求解平均转矩和转矩脉动

.

...................................... ...............

4

1

优化过程

....................... .................................................. ................................

4

4

4.5.1

一次优化

....................... .................................................. ......................

4

5

4.5.2

二次优化

................................. .................................................. .............

4

6

4.6

本章小结

.

.................................................. .................................................. ....

5

0

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 Mot or

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。因此逐渐应用于牵引传动、通用工业、家用电器等各

个领域

[1]

。目前越来越多地研究开关磁阻电机在航空及汽车起动、发电机

领域的应用

[2]

，它们对起动转矩的 要求很高，特别是汽车起动和发电机。

十九世纪四十年代

,

开关磁阻电机的基本结构和原理现世，英国的

Aberdeen

和

Davidson

相互合作，

经过漫长的研究一起设计出了开关磁阻电

机

的

雏

形

[3]

。

在

二

十

世

纪

六

七

十

年

代

，

< br>英

国

的

Leeds(

< p>
里

兹

)

大

学

和

Nottingham(

诺丁汉

)

大学相继开始对开关磁阻电机进行深入研究

< p>
[4]

。二十

世纪八十年代，随着现代电子技术、 计算机辅助设计、现代控制理论以及

微机控制技术的不断进步，开关磁阻电机得到了进一 步发展。

1983

年，英

国的

TASC

Drives

有限公司在世界的瞩 目下研制出了世界上第一台开关

磁阻电机

OUITON(7.5 kW

，

1500r/min)

，并将其 投放市场。

1984

年，又推

出了

4

～

22kW

四个 规格的系列产品。原联邦德国在

1984

年至

< br>1986

年期间也

先后完成了

l kW

、

1.2kW

、

< br>5kW

样机的研制

[5]

。

开关磁阻电机以其调速性能

好、电机结构简单、效率高、成本低、高 容错性能等特点，问世不久便引

起了各国电气领域的广泛关注，美国、加拿大、前南斯拉 夫、埃及、土耳

其等许多国家也竞 相发展。从

1984

年开始，我国许多著名单位开始

< p>
SRM

的

研究、开发工作，如北京纺织机械研究所 、原华中理工大学、南京航空航

天大学、浙江大学等

[6]

。

2005

年山东科汇电气公司率先在全国 实现开关磁

阻电机的批量化生产，

2007

年成立了山东省开关磁阻电机调速工程技术研

究中心。

< /p>

正是由于开关磁阻电机在调速范围、效率及成本方面有着比较明显的

优势。因此，正逐步应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通

运输等行业， 呈现强大的发展潜力，成为今后电机领域的研究重点。

然而 ，由于

SR

电机的双凸极结构以及特殊的供电方式，与传统的电

机相比却存在着振动和噪声大的缺点，这大大限制了开关磁阻电机向更多

应用领域

(

如家用电器等

)< /p>

的发展。近几年国内外针对减小开关磁阻电机振

动和噪声的研究主 要集中在最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机

噪声源、

定子振动模态、

定子固有频率计算等方面，

并取得了一定的突破 。

然而由于

SRM

的双凸极结构引起的 磁路非线性和饱和效应，使得其存在

噪声及转矩脉动，

导致它在 如伺服系统和电器等多种领域不能广泛应用

[7]

。

< p>
因此为了获取更好的

SRM

的动静态性能，如何抑 制噪声和降低转矩脉动

已经成为当今

SRM

控制系统的研究重点。

但是，目前国内针对开关磁阻电机 的振动和噪声问题还缺少系统的研

究，

SRM

< br>主要应用于振动和噪声要求不高的工业领域。

由此可见，

开关磁

阻电机振动和噪声问题的研究具有十分重大的价值和意义。

本文根据开关磁阻电机运行机理，

以

6/4

三相开关磁阻电机作为分析模

型，利用

ANSOFT

软件完成电机的建模，实现电机的磁场、转矩以及不同

< p>

转子极结构对转矩影响的分析为开关磁阻电机 的减振降噪提供了理论和实

践依据。

1.2

课题国内外研究现状及趋势

1.2.1

国内发展趋势

< p>
磁阻电机是结构最简单的电机之一，由于其同步控制困难，在过去一

直被限 制，很少看到关于它的应用。随着现代电力电子技术、控制技术以

及数字计算机技术的迅 速发展，形成了磁阻电机应用的新台阶

—

开关磁阻

电机。它既继承了磁阻电机结构简单坚固的优点，又在高度发展的电力电

子和 微机控制技术的支持下获得了良好的可控性，并逐渐在电动调速领域

和可靠发电领域内获 得了一席之地。从

80

年代开始取得了迅猛的发展，展

现出非常好的发展形式。我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于

1984

年，

1988

年在南京召开的 第一届开关磁阻电机研讨会，

1991

年在武汉

召开的第一届研讨会。

1992

年，在中国电工技术学 会中小型电机专业委员

会领导下成立了开关磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研 究工作

的进展

[8]

。

SRD

系统的研究已被列入我国中、

小型电机

“

八五

”

、

< p>
“

九五

”

和

“

十

五

”

< br>科研规划项目

[9]

。

在借鉴国 外经验的基础上，

国内对开关磁阻电机调速

系统的开发研究虽然 起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较

为成熟的二相或四相控制方案上，< /p>

华中科技大学开关磁阻电机课题组在

“

九

五

”

项目中研制出使用

SRD

的纯电动轿车，

在

“< /p>

十五

”

项目中将

SRD

应用到混

合动力城市公交车，

均 取得了较好的运行效果。

北京纺织机械研究所将

SRD

应用于印花机、

卷 布机，

煤矿牵引及电动车辆等，

取得了显著的经济效益。

近年来，国内己有一大批高校、研究所和工厂投入开关磁阻电动机调速系

统的研究、

开发和制造工作

[10]

。

迄今为止已经有十余家单位推出不同性能、

不同用途的几十个 系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业

的数十种生产机械和交通工具中， 开关磁阻电动机在一些机械中发挥独有

的优势

[11]

。

1.2.2

国外发展趋势

< p>
相比于国内，国外对开关磁阻电机的振动和噪声研究较早。

20

< p>
世纪

60

年代，大功率晶闸管的研制投产为

SRM

的研究发展提供了重要的物质条

件。< /p>

1967

年，英国的

Leeds

大学开始对

SRM

进行深入研究。到

< p>
1970

年左右，

研究结果表明：

SRM

可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体

管还是用普通晶闸管，它们所需的开关数都是最少的；电动机成本也普遍

低于同容量 的异步电动机。七十年代初，美国福特公司也研制出最旱的开

关磁阻电动机调速系统，其 结构为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机

运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄 电池供电的电动车辆的传动，

轰动一时。

1973

年英国的

Nottingham

大学也开始对

SRM

攻关。

1975

年，上

述两所大学的研究小组联合参加了

Chlorida

Technical

有限公司发起的制

造蓄电池车辆驭动装置的研究工作，成功研制了用于电动汽车的

50KW

的

SRM

装置，其中一位输出功率和效率都高于同类的 异步电动机驱动装置，

这充分说明

SRM

大有前途

[12]

。

1981

年英国

TASC

公司获准制造

SRM< /p>

系统，之后并于

1983

年推出了商

品名为

Oulton

的通用调速系列产品， 问世不久便引起各国电气传动界的广

泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并 在系统一体化设计、

电动机电磁分析、微机应用、功率元件应用、新型结构开发等方而取 得进

展

[13]

。原联邦德国在

1984

年至

1986

年期间也先后完成了

1kW

、

1.2 kW

、

5kW

样机的试制

< p>
[14]

。

2000< /p>

年和

2003

年

M

．

N

．

An war

和

Iqbal Husajn

提 出了计算开关磁

阻电机径向磁拉力和预测电机噪声的解析方法，并分析了定、转子极对数

对电机噪声的影响

[15]

。

Majid Hajatipour

和

Mohammad Farrokhi

采用自

适应智能控制方法来降低转矩脉动，以减小噪声

[16]

。

1.3

课题主要研究内容

< p>
本次毕业设计的主要目的就是结合当前开关磁阻电机的发展现状，以

6/4

三相开关磁阻电机作为分析模型，利用

ANSOFT

< p>
软件中的

Maxwell

模块

完成电机的建模，实现电机的磁场、转矩以及不同转子极结构对转矩影响

的分析。并 采用实验室自行开发的多目标优化软件，实现对样机平均转矩

和转矩脉动两个目标的优化 设计。

为了研究开关磁阻电机的性能，主要进行一下工作的研究如下：

（

1

）

查阅国 内外相关文献、

资料，了解其现状和发展动态，

撰写开题

报告；

（

2

）学习开关磁阻电机的结构和工作原理；

（

3

）有限元法的原理和分析过程的学习；

（

4

）利用

ANSOFT

软件中

< p>
Maxwell

模块对开关磁阻电机建模；

（

5

）

修改开关磁 阻电机定转子结构，

分析对平均转矩和转矩脉动的影

响；

（

6

）

< p>
利用实验室自行开发的多目标优化软件实现对样机平均转矩和转

矩脉动两个 目标的优化设计。

1.4

本章小结

本章主要叙述了开关磁阻电机的优缺点和发展现状及发展前景，并对

本次毕业设计的 任务做了简要的概括，为后面的设计明确了目标，做了铺

垫工作，以保证后面的工作能顺 利进行。

第

2

章开关磁阻电机特点与设计方法

随着电力电子技术和控制技术的发展、新材料的发明，为设计和应用

新型电机提供了契机，而且随着社会生活中出现新的特殊需要，使得设计

和应用新型 电机也成为必要，开关磁阻电机的出现便是其中一例。开关磁

阻电机具有以下优点：

（

1

）

开关磁阻电机有较大的电机利用系数，

可以是感应电机利用系数

的

1.2~1.4

倍。

（

2

）

电机的 结构简单，

转子上没有任何形式的绕组；

定子上只有简单

的集中绕组。因此，具有制造工序少、成本低、可靠性好、维修量小等特

点。

（

3

）开关磁阻电机的转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励，

理想上公率变换电路中 每相可以只用一个开关元件，且与电机绕组串联，

不会像

PWM

逆变器电源那样，存在两个开关元件直通的危险。所以，开

关磁 阻电机驱动系统

SED

线路简单且可靠性高，

< br>成本低于

PWM

交流调速

系统。

（

4

）

开关磁阻电机转子的结构形式对转速限制小，

可制成高转速电机，< /p>

而且转子的转动惯量小，在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大

< br>小和方向，因而系统有良好的动态响应。

（

5

）

由于开关磁阻电机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制

技巧 ，其单位处理可以与感应电机相媲美，甚至还略占优势。

美中不足的是开关磁阻电机同时也存在着以下缺点：

（

1

）

有转矩脉动。< /p>

从工作原理可知，

开关磁阻电机转子上产生的转矩

是由一系列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影

响，合 成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了开关磁

阻电机低速运行性能。

（

2

）开关 磁阻电机传动系统的噪声与震动比一般电机大。

（

< p>
3

）

开关磁阻电机的出线头较多，

如三相开关磁阻电机至少有四根出

线头，

四相开关磁阻 电机至少有五根出线头，

而且还有位置检测器出线端。

2.1

三相

6/4

极 开关磁阻电机的结构与原理分析

三相

6/4

极开关磁阻电机结构简单，运行原理是基于磁通总是沿磁阻

最小（磁导最大）的路径闭合。

2.1.1

三相

6/4

极开关磁阻电机的结构

开关磁阻电机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极

数不相同，定子有集中绕组

,

，转子上无绕组，如图

2.1

所示。三相

6

/4

结

构开关磁阻电机定子有

6

个齿极

(

即

N s =6)

，沿圆周均匀分布，其中每个齿

极上绕有一个线圈，

径向相对的两个线圈串联便构成了一相绕组可组成

A

、

B

、

C

三相绕组。转子有

4

个沿圆周 均匀分布的齿极

(

即

N r = 4)

，但齿极上

没有绕组。

图

2.1

三 相

6/4

极开关磁阻电机的结构

2.1.2

三相

6/4

极开关磁阻电机的运行原理

如 图

2.2

给出了三相

6 /4

结构开关磁阻电机的横切面和一相电路的原理

示意图，

< br>S

1

、

S

2

是电子开关，

VD

1

< p>
、

VD

2

是续流二极管，

E

是直流电源。

定子和转子呈凸极形状，转子由叠片构成，无绕组，定子绕组可根据需要

采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带

有位置检测 器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持

电机的连续运行。电机磁阻 随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开

而变化，因为电感与磁阻成反比。当转子磁 极在定子磁极中心线位置时，

相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时 ，相绕组电感

最小。

图

2.2

三相

6 /4

开关磁阻电机结构和原理示意图

当定子

A

相磁极轴线

A

1

A

2

与转子磁极轴线

a

1

a

2

< p>
不重合时，开关

S

1

、< /p>

S

2

闭

合，

A

相绕组通电，电动机内建立起以

A

1

A

2

< p>

为轴线的径向磁场

,

磁通通过

定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是

弯曲的

,

此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导

,

因此

,

转

子 将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用

,

使转子逆

时针方向转动

,

< p>
转子磁极的轴线

a

1

a< /p>

2

向定子

A

相 磁极轴线

A

1

A

2

趋近。当

A

1

< br>A

2

和

a

1

a

2

轴线重合时

,

转子已达到平衡位置

,

即当

A

相定、转子极对

极时

,

切向磁拉力消失

,

转子不再转动。此时打开

A

相开关< /p>

S

1

、

S

2

,

合上

B

相开关

,

即在

A

相断电的同时

B

相通电

,

建立以

B

相定子磁极为轴线

的磁场。

依此类推

,

定子绕组

A - B - C

三相轮流通电一次

,

转子逆时针转< /p>

动了一个转子极距

，

对于三相

< p>
6 /4

极开关磁阻电机

,

极距等于

90

度

,

定子磁

极产生的磁场轴线则顺时针移动了

180

度空间角。可见

,

连续不断地按

A

-

B -C - A

的顺序分别给定子各相绕组通电

,

电动机内磁场轴线沿

A - B - C

- A

的方向不断移动

,

转子沿

A -C - B - A

的方向逆时针旋转。如果按

A -

C - B - A

的顺序给定子各相绕组轮流通电

,

则磁场沿着

A - C- B - A

的方

向转动

,

转子则沿着与之相反的

A - B- C - A

方向顺时针旋转。

2.2

开关磁阻电机分析与设计方法

一直以来，对开关磁阻电机控制优化研究的比较多，而对本体结构优

化设计的研究则比较少。

本文研究主要是基于

ANSOFT

软件中的

Maxwell

模块从电机结 构优化设计方面阐述抑制转矩脉动和噪声的方法措施。

2.2.1

基于

ANSOFT

的开关磁阻电机有限元分析介绍

AN SOFT

公司研发的大型电磁场有限元分析软件

Maxwell

已逐渐成为

工程设计人员和研究工作者在电子产品设计流程中不 可或缺的重要工具。

随着

Maxwell

版本的不断更新，其应用范围也不断扩大，目前被广泛应用

于电机、电子、电力电子、 交直流传动、电源、电力系统、汽车、航空航

天、生物医学、石油化工、国防军工等领域 ，已经在通用电气、

Rockwell

、

ABB

、西门子、通用汽车、宝马、

NASA

等世界知名企业与机构得到广泛

应用和验证。有限元法（

finite element method

）是一种高效能与常用的计

< p>
算方法。基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。原理

是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内 假设的近似

函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函

数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限

自由度问题变成离散的有限自由度问题，从而使研究问题变得简单。由于

电磁场数值 分析和计算机仿真模拟可为产品的设计和优化提供最可靠的依

据，

许多花费巨大的模拟试验可以由数值模拟取而代之。

它在国内外企业、

研究单位和高校已受到非常普遍的重视并得到广泛的应用，成为提高产品

竞争力 的主要手段

[17]

。

Maxwell

2D

是

ANSOFT

系统设计解决方案的重要组成部分。

M axwell

2D

是一个功能强大、结果精确、易于使用的 二维电磁场有限元分析软件。

它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块， 可以用来分析

电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬< /p>

态、正常工况和故障工况的特性。它所包含的自上而下执行的用户界面、

< br>领先的自适应网格剖分技术、

用户定义材料库等特点，

使 得

Maxwell 2D

在

易用性上遥遥领先

[18] [19]

。

Maxwell 2D

具有高性能矩阵求解器和多

CPU

处

理功能，提供了最快的求解速度。

ANSOFT

< p>
的分析步骤一般包括：

（

1

）创建有限元模型；

（

2

）定义材料属性；

（

3

）划分网格（节点和单元）；

< /p>

（

4

）施加载荷并求解：施加载荷及载荷 选项、设定约束条件，然后求

解；

（

5

）后处理：计算或查看结果。

2.2.2

转矩脉动、噪声和振动产生的根源

开关磁阻电机的转矩具有脉动，这是由其结构与运行原理所决定的

[20]

。开关磁阻电机与传统交流电机不同，结构比较特别，是双凸极结构，

运行时脉冲供电，其磁场不是圆形旋转磁场，而是为步进磁场。即使某一

相恒流供电，该相产生的电磁转矩也并不是平顶波形，而是类似钟形的不

规则形状开关 磁阻电机的输出转矩为各相转矩的合成，显然合成后的转矩

存在较大的脉动，特别是在换 相时尤为显著

[21]

。开关磁阻电机的噪声分为

电磁噪声、机械噪声及空气动力噪声，其中电磁噪声是主要噪声

[22]

。机械

噪声和空气动力噪声与电机加工制造工艺及装配工艺有关

.

。

在励磁电流换

向期间的相电流消失时，径向磁引力的迅速变化引起定子变形，变形引起

的定子径向振动 导致电磁噪声的产生。另外，开关磁阻电机本身的转矩脉

动问题对噪声也有一定的影响。 当电磁径向引力的频率与定子固有频率或

者基座等部件固有频率一致时，

SR

电机部件之间将产生共振

[23]

。

2.2.3

采用的设计方法

采用合适的控制策略

,

通过对电机的各种控制参数进行最佳组合

,

< br>实

现转矩脉动最小化

[24]

。 分析转子模型修改对平均转矩的影响，利用

Maxwell2D

对开关磁阻电机进行磁场和转矩分析，最终通过分析结论得到

转矩脉动和平均转矩的最佳 点。

为了减少转矩脉动，修改转子弧度与极弧系数，且在每个 转子极上开

一个小槽，当小槽的开口对着旋转的方向时，不但能减少边缘磁通，而且

使电感轮廓更线性化。

用

ANSOFT

软件分析比较这种结构对开关磁阻电机的转矩的影响，

并最终得出最优设计。

2.3

本章小结

本章主要介绍了开关磁阻电机的结构和运行原理以及有限元分析。通

过分析开关磁阻电机产生转矩脉动、噪声和振动的原因，制定了本文采用

的优化设计 方法。

第

3

章

开关磁阻电机建模

本文中利用

ANSOFT

软件中的

Maxwell 2D

模块对开关磁阻电机进行

建模以及用瞬态模块进行有限元计算。 在求解中运用了

ANSOFT

软件可

以 定义外加电路的特点，建立了三相

6/4

极开关磁阻电机的驱动 电路，这

使得仿真结果更加接近电机实际的情况，

更能精确地反 映电机的运行性能。

3.1

创建电机几何模型

3.1.1

创建项目

Step 1

启动

ANSOFT

并建立一个新的项目文件。

Step 2

定义分析类型。执行

Project/Insert Maxwell 2D Design

命令，

执行

Maxwell

2D/Solution

Type

命令，在弹出的求解器对话框中选择

Magnetic

栏下的< /p>

Transient

求解器，

Geometry

Model

选择

Cartesian

XY

，如图

3.1

所示 。

图

3.1

求解器选择框

Step 3

重命名及保存项目文件。执行

File/Save as

命令，将名字改为

SRM

后进行保存。

3.1.2

建模过程

由于电机的对称性，可以取电机模型的

1/2

进行计算 ，不仅仅可以简

化计算过程，还可以缩短有限元计算的时间。

电机模型基本设置主要包括模型轴向长度。不同于二维静电场与涡流

场模型的求解长度自动设置为单位长度，在

ANSOFT

二维瞬态场的求解

中，可以通过模型的基本设置给定模型的实际长度。

< br>

Step

1

确定模型的基 本设置。右击选择项目管理菜单中的

Model/Set

Model Depth

下拉菜单，自动弹出对话框，其中包括模型轴向长度

Model

Depth

项的设定，

本文中电机轴 向长度为

65mm

，

具体设置如图

3.2

所示。

图

3.2

模型长度对话框

Step

2

绘制电机的

Shaft

部分。在

Maxwell

2D

绘图界面执行

Draw/Arc/Center

Point

依次输入（

0

，

0

）

，

（

-15

，

0

）

，

（

15

，

0

）三个点。

执行

D raw/Line

命令，将（

-15

，

0

）

，

（< /p>

15

，

0

）这两 个点连接，执行

Modeler/Boolean/Unite

命

令

，

将

所

有

线

段

连

接

，

再

执

行

Modeler/Surface/Cover lines

生成面。得到的

shaft

模型如图

3.3

所示。

图

3.3 Shaft

模型

Step

3

绘制电机的

InnerRegio n

。在

Maxwell

2D

绘图界面执行

Draw/Arc/Center

Point

依次输入（

0

，

0

）

，

（

-38

，

0

）

，

（

38

，

0

）三个点。

执行

D raw/Line

命令，将（

-38

，

0

）

，

（< /p>

38

，

0

）这两 个点连接，执行

Modeler/Boolean/Unite

命

令

，

将

所

有

线

段

连

接

，

再

执

行

Modeler/Surface/Cover lines

生成面。得到模型如图

3.4

所示。

< p>

图

3.4 InnerRegion

和

Shaft

模型

Step

4

绘制电机的

< p>
band

部

分

。在

Maxwell

2D

绘

< br>图界面执行

Draw/Arc/Center

Poin t

依次输入（

0

，

0

）

，

（

-38.125

，

0

）

，

（

38.25

，

< p>
0

）三

个点。执行

Dra w/Line

命令，将（

-38.125

，

0

）

，

（

38.125

，

0

< br>）这两个点连

接

，

执

< p>
行

Modeler/Boolean/Unite

命

令

，

将

所

有

线

段

连

接

，

再

执

行

Modeler/Surface/Cover lines

生成面。得到模型如图

3.5

所示，最右侧图片

可以看出，里层为

InnerRegion

部分，最外层为

Band

部分。

图

3.5 Band

部分的模型

Step

5

绘制电机的

< p>
Rotor

部分。执行

Draw/Line

命令，依次输入

（

15,0

）

、

条直线。在

Maxwel l 2D

绘图界面执行

Draw/Arc/3 Point< /p>

命令，

依

次输入

（

25,0

）

、

所有线段连接，

再执行

Modeler/Surface/C over lines

生成面，

执行

E dit/Duplicate/Around Axis

命令，选择沿

< br>Y

轴复制，相隔

180

度，复制

一次，即可得到电机模型的

Rotor

部分。如图

3.6

所示。

图

3.6

Rotor

部分的模型

命令，将所有线段连接，再执行

Modeler/Surface/Cove r lines

生成面

,

得到

Coil_1

。

选择线圈

Coil_1

，执行

Edit/Duplicate/Aro und Axis

命令，选

择沿

Y

轴复制，相隔

180

度，复制一次，即可得 到线圈

CoilRe_1

。

命令，将所有线段连接，再执行

Modeler/Surface/Co ver lines

生成面

,

得到线圈

CoilRe_0

，执行

Edit/D uplicate/Around

Axis

命令，选择沿

Y

轴

复制，相隔

1 80

度，复制一次，即可得到线圈

Coil_2

。

Modeler/Boolean/Unite

命

令

，

将

所

有

线

段

连

接

，

再

执

行

Modeler/Surface/Cover

lines

生

成

面

,

得

到

线

圈

Coil_0

，

执

行

Edit/Duplicate/Around Ax is

命令，选择沿

Y

轴复制，相隔

180

度，复制一

次，即可得到线圈

CoilRe_2

，如图

3.7

所示。

图

3.7

线圈部分

Step

7

绘制电机

OuterRegion

部分。在

Maxwell

2D

绘图界面执行

Draw/Arc/Center

Point

依次输入（

0

，

0

）

，

（

-69

，

0

）

，

（

69

，

0

）三个点。

执行

D raw/Line

命令，将（

-69

，

0

）

，

（< /p>

69

，

0

）这两 个点连接，执行

Modeler/Boolean/Unite

命

令

，

将

所

有

线

段

连

接

，

再

执

行

Modeler/Surface/Cover lines

生成面。得到模型如图

3.8

所示。

< p>

图

3.8 OuterRegion

部分

Step 8

绘制电机

< p>
Stator

部分。

执行

Draw/Line

命令，

依次输入

（

69,0

）

和四条直线。在

Maxwell 2D

绘图界面执行

Draw/Arc/3 Point

命令，依次输

入

（

54,0

）

、

（

69, 0

）

、

（

0, 69

）

、

（

- 69,0

）

，

生

成

五

条

弧

线

，

执

行

Mod eler/Boolean/Unite

命

令

，

将

所

有

线

段

连

接

，

再

执

行

Mo deler/Surface/Cover

lines

生成面 ，执行

Edit/Duplicate/Around

Axi s

命

令，选择沿

Y

轴复制，相隔

180

度，复制一次，即可得到电机模型的< /p>

Stator

模块。如图

3.9

所示。一个完整的三相

6/4

极开关磁阻电机的

1/2

模型就得到

了

< br>

图

3.9

开关磁阻电机的

1/2

模型

3.2

材料定义及分配

本文中所需要的一些材料，在默认的材料库

sys[materials]< /p>

并不包含，

这些材料在材料库

sys[R Mxprt]

中有，所以需要将此材料库导入到材料设

置中。< /p>

Step 1

执行

Tools/Configure libraries< /p>

命令，在弹出的对话框的左侧，

选择

RM xprt

，单击右移动按钮，将材料添加右侧的

Configu re

libraries

框中，具体设置如图

3.10

所示，然后单击

OK

按钮退出。

图

3.10

导入

RMxprt

材料库

对于开关磁阻电机瞬态电磁场分析，需要指定下列材料属性：

a

指定内外层面域以及

BAND

材料属性

—

默认材料属性真空；

< p>

b

指定定子铁心

St ator

以及转子铁心

Rotor

材料 属性

D23_50

；

c

指定绕组

coil

材料属性

—

Copper

；< /p>

Step 2

指定

Vacuum

材料属性，执行

Modeler/Assign Material

，打开

材料管理器，

在

Search by Na me

中输入

Vacuum

可以快速查找 到材料库中

的真空材料。选择该材料后双击，

Vacuum

材料会进入项目管理器的菜单

中。接下来选择内层面域

InRegion

、

外层面域

OutRegion

以及

BAND

， 右

击鼠标，在弹出来的属性对话框的

Material

中，选择

Vacuum

材料，选择

“

确定

”

按钮退出，完成< /p>

Vacuum

材料的分配。

Step

3

指定

< br>coil

材料属性。在弹出的材料管理器中将

Coppe r

材料添

加到项目文件中，选择模型的绕组，将真空材料分配给 定子绕组。

Step 4

指定

Stator

和

Rotor

材料属性。电机定子

Stator

和转子

Rotor

是由

D23_50

硅钢片制成，该材料包含在

RMxprt

材料库中。在材料管 理

器中选择之前添加的

sys[RMxprt]

材料库，在材料库中选择

D23_50

材料，

单击

Add

Material

按钮，将其添加项目中，选择电机定子

Stator

和 转子

Rotor

，将

D23_50

材料分配给它们。

D23_50

材料的

BH

曲线如图

3.11

所

示。

图

3.11 D23_50

材料的

BH

曲线

3.3

激励源与边界条件定义及加载

为了更 好地分析电机的性能，需要对绕组进行正确的分相。对于边界

条件，由于模型只建立了< /p>

1/2

实际电机，所以在电机模型分界处施加主从

边界条件即可。

Step 1

加载电流激励源。执行

Maxwell 2D/Excitat ions/Assign/Coil

命

令，弹出线圈激励源设置 对话框，在源名称中输入

PhA_0

，代表

A

相正向

线圈。导体数为

32

，

Polarity

选项则选择

< p>
Positive

。接着执行

Maxwell < /p>

2D/Excitations/Assign/Coil

命令， 弹出线圈激励源设置对话框，在源名称

中输入

PhARe_0< /p>

，

代表

A

相负向 线圈。

导体数为

32

，

Polarity

选项则选择

Negative

，

A

相的设置如图

3 .12

所示。

图

3.12 A

相绕组激励设置对话框

Step 2

设置完成

A

相以后，

C

相的设置和

A

相

B

相过程一样，如图

3.13

所示。

图

3.13 B

、

C

相绕组激励设置对话框