開關磁阻起動/發電機設計方法研究

宋科璞，陳衛東，劉元度

(飛行自動控制研究所，陜西西安710065)

0 引 言

隨著航空航天技術的不斷發展，270 V高壓直流電源正逐步應用到新一代多/全電飛機中。開關磁阻電機具有結構非常簡單、控制簡便、功率密度高等優點，通過改變控制參數能方便地實現起動和發電模式轉換，在飛機發動機起動前，開關磁阻電動機以起動機模式來起動飛機發動機;直到發動機點火成功之后，發動機帶動開關磁阻電動機進入發電模式。目前，開關磁阻起動/發電機(以下簡稱SR S/G)系統是多/全電飛機電源系統的一個研究熱門。

圖1 多電發動機結構示意圖

SR S/G是電動機與發電機的結合體，該電機的設計同時兼顧了電動性能和發電性能。SR S/G整個工作過程可分為起動狀態和發電狀態。起動狀態歷時短，發電狀態歷時長，在起動時僅要求轉矩、轉矩波動等參數滿足要求，發電狀態為長期工作狀態，設計要求參數較多且電機性能優劣主要以發電性能為主。所以在電機結構尺寸設計時，本文提出以發電性能為主，兼顧起動性能的設計原則。

由于開關磁阻電機的磁路飽和嚴重，存在嚴重的非線性，工作原理和結構不同于傳統電機。因此，開關磁阻電機的尺寸設計不能照搬經典電機設計中所運用的方法。本文提出了一種將經典電機設計與有限元電磁場設計相結合的方法。其中經典電機設計方法是在文獻［1］提出的開關磁阻電動機設計方法的基礎上，按照開關磁阻發電機的設計特點進行相應改進而得出的;有限元電磁場設計采用有限元軟件Ansoft Maxwell 2D建模仿真實現。本文提出的SR S/G設計方法同時具備了傳統電機設計方法的快速性以及有限元設計方法的精確性，在電機設計領域是一個突破［1－2，5］。

1 主要結構參數預計算

電機在進行能量轉換時，能量以電磁能的方式通過定、轉子之間的氣隙進行傳遞。開關磁阻發電機發電過程分勵磁和續流兩個階段，由于勵磁功率并不包含在電磁功率中，電磁功率:

電樞繞組電流有效值:

式中:im為電流峰值;ki為峰值電流系數。

將電樞電流等效為方波電流，方波電流幅值為 Im，如圖 2所示。

圖2 電樞電流等效方波圖

電機電負荷:

式中:N為電樞繞組每相串聯匝數;Dr為電機轉子外徑。

電機磁負荷:

電機每極磁鏈的最大值:

綜合以上，整理得:

另外，圖1中方波電流有效值:

1.1 主要尺寸預計算

(1)確定電機相數m，電機定轉子極數Ns、Nr。

且系數E隨h的增大而減小。

(3)電機細長比:

(4)確定轉子外徑Dr:預取電磁負荷A*，設則 TN=，Dr=

(5)電機鐵心實際長度:

(7)確定氣隙寬度g。

(8)根據經驗值確定電機定子、轉子極弧角度βs、βr。

(10)確定軸徑Di。

(11)電樞匝數計算［1］:

1.2 假設參數驗證

根據上面預取的電機尺寸，在有限元電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 2D中建立二維仿真模型，并利用Ansoft Maxwell Circuit Editor搭建驅動電路，選取開關管的開通、關斷角。可以得出電樞電流、電感、磁鏈、轉矩等波形。

(1)電負荷A驗證

根據仿真得到的電流波形，利用軟件后處理功能可計算出電樞電流有效值，則可計算出電機電負荷:

(2)磁負荷Bδ驗證

根據磁鏈波形可以得到最大磁鏈出現的時刻，及此時刻的最大磁鏈值Ψm，由此可以計算出電機磁負荷:

(3)電動性能校核

通過對驅動電路開通角、關斷角的調節，SR S/G可以在電動機與發電機之間切換。所以改變驅動電路的控制參數，電機即可工作在電動狀態，此時可以通過軟件仿真出SR S/G的起動轉矩、電樞電流等起動性能參數。

由以上分析可知，首先假設電磁負荷預算電機尺寸，然后結合有限元軟件進行電磁場仿真，通過軟件仿真結果可以計算出電機的電磁負荷以及起動狀態的性能參數，通過與假設值的比較分析，若誤差在允許范圍內則設計通過;若由仿真計算值與假設值差別較大，則重新選取電磁負荷值并重新計算電機結構參數。

綜上，SR S/G設計流程如圖3所示。

圖3 SR S/G設計流程圖

2 設計驗證

2.1 性能指標要求

額定輸出電壓270 V;起動輸出轉矩3.6 N·m(0～12 000 r/min);額定輸出功率10 kW(14 000～24 000 r/min);系統效率≥80%(24 000 r/min);過載能力1.5倍，15 kW;電機溫升≤180℃。

2.2 電機結構參數預計算

電機采用四相8/6極結構，勵磁電壓與輸出電壓均為270 V;導磁材料選取1J22，0.15 mm;冷卻方式采用定子外循油冷卻方式;預選電磁負荷30 000 A/m，0.45 T。

通過前述公式可以計算得出電機尺寸如表1所示。

轉子外徑D/mm 87 轉子極寬br/mm 17.3定子外徑Ds/mm 158 定子軛高hs/mm 10.4氣隙g/mm 0.5 轉子軛高hr/mm 35定轉子極弧角度 βr、βs 21°、23° 每相繞組匝數N/匝12.1鐵心長度la/mm 104 軸徑Di/mm 28定子極寬bs/mm 16.0

2.3 假設參數驗證及性能校核

根據上面預取的電機尺寸，在有限元電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 2D中建立仿真模型如圖4所示，對模型進行網格剖分如圖5所示。利用Ansoft Maxwell Circuit Editor搭建驅動電路如圖6所示，選取開關管的開通關斷角 θon=18°、θoff=42°，可以得出電樞電流、電感、磁鏈、力矩波形。

圖4 電機模型

圖5 網格剖分

圖6 驅動電路結構圖

電機仿真結果如圖7～圖10所示。

(1)電負荷A驗證

圖7 電機－磁鏈電流曲線

圖8 A相電樞感應電流波形圖

圖10 A相磁鏈波形圖

(2)磁負荷Bδ驗證

最大磁鏈出現在θoff時刻，所以:

(3)起動轉矩驗證

電機起動狀態，驅動電路采取電流斬波方式控制起動轉矩，起動過程轉矩波形如圖11所示，由仿真結果可知，起動時可實現3.6 N·m恒轉矩起動。

圖11 轉矩波形圖

以上由有限元仿真結果計算出的電磁負荷與假設值均差別不大，且起動狀態力矩可達到設計要求。

基于以上SR S/G電磁結構尺寸，利用電磁場、流體場、溫度場多場聯合有限元仿真方法分析了電機的損耗及溫度場分布，在此基礎上設計出表貼式循油冷卻結構。試制了數臺10 kW油冷開關磁阻起動/發電機，實驗證明，電機電動及發電性能均滿足設計要求且溫升控制在允許范圍內。

3 結 語

SR S/G是電動機和發電機的結合體，設計方法完全不同于傳統電機。因為起動/發電機只有在開始階段作電動機用，后續穩定工作后完全是發電機，所以本文提出的設計方法采取以發電機設計為主，綜合考察起動性能的設計理念。在尺寸計算方面采取傳統電機設計與最新有限元設計相結合的方法，這種方法具備了傳統設計方法的快捷，簡便與有限元設計方法的精確、直觀等優點。

［1］ 吳建華.開關磁阻電機設計與應用［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［2］ 吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術［M］.中國電力出版社，2010.

［3］ Macminn S R，Jones W D.A very high speed switched － reluctance starter－ generator for aircraft engine applications［J］.Aerospace and Electronics Conference，1989，4:1758 －1764.

［4］ Sheth N K，Rajagopal K R.Detailed design of a 30 － kW switched reluctance starter/generator system for a gas turbine engine application［C］//Industry Applications Society Annual Meeting，1993，1:97－105

［5］ 韋銀，全力.車用六相12/10極開關磁阻起動/發電機系統起動性能分析與仿真［J］.微電機，2006，39(21):47 －49，54.