同步磁阻電動機設計分析

陳 蘭，王 真，徐 謙，戴 亮，張東寧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

近年來，永磁同步電動機因其優良的特性在工業控制領域得到了廣泛的應用，但隨著稀土價格的持續上漲。永磁同步電動機的成本也迅速上漲。為了控制成本，在中低端工業應用領域中低成本的同步電動機的需求也在不斷上升。

本文介紹了一種新型同步磁阻電動機(Syn-RM)，不使用永磁體，主要由銅和鐵構成，具有耐高溫的特點;數學模型明確，主要是依靠交直軸電感之差產生磁阻轉矩;控制原理簡單，控制電路易于搭建;結構簡單及體積小、重量輕等顯著特點，既綜合了開關磁阻電動機的優點，且避免了永磁電動機在高溫環境應用的缺點。

此外，該類型電機在一些應用環境溫度較高的場合也有較廣泛的市場，如用作機車、飛機、船艇、礦井開采、核工業以及軍事方面的動力電機。

1 基本結構和特點

1.1 新型同步磁阻電動機基本結構

該同步磁阻電動機的轉子采用柵格式結構，定子設計與三相感應電動機的定子相同。轉子上沒有永磁體，是導磁材料硅鋼片，利用傳統的沖制和疊壓工藝制作而成。圖1為柵格式轉子結構同步磁阻電動機截面圖，定子采用36槽，轉子為4極。

柵格疊片式轉子結構如圖2所示，它是在電工鋼板上沖壓出若干磁阻柵格后疊壓而成，可以利用傳統的沖制、疊壓工藝制作轉子，是這種轉子結構的優點。

圖1 同步磁阻電動機結構簡圖

圖2 柵格疊片式轉子

1.2 工作特點

該同步磁阻電動機的工作原理與感應電動機基本相同，只是轉子結構比較特殊，其轉子是在電工鋼板上沖壓出若干磁阻柵格后疊壓而成，沒有永磁體。電動機性能的好壞主要取決于d－q電感的差值，差值越大，輸出轉矩越大。

相對于感應電動機而言，同步磁阻電動機沒有轉子銅耗，效率明顯提高。損耗分析結果表明，同一定子情況下，同步磁阻電動機定子銅耗占了很大一部分，若擴大定子槽面積，提高定子線徑，電機銅損耗就會下降。因此，同步磁阻電動機與感應電動機相比，具有效率高、功率密度大等優點。

2 設計分析

針對該電機的結構特點，我們對其進行深入分析，具體研究如下:

2.1 同步磁阻電動機轉子柵格形狀設計及仿真技術

首先，利用電機電磁場仿真計算軟件Ansoft建立不同的電機參數模型，找出擬設計的4極36槽同步磁阻電動機的關鍵結構參數設計規律，即柵格層數與輸出轉矩、電機效率的關系;柵格(空氣)寬度和硅鋼片的寬度比值與輸出轉矩、電機效率的關系。再按照技術指標的要求，進行電磁計算，計算出所要求的電機參數，并利用電機電磁場仿真計算軟件進行電磁校核。并針對不同柵格寬度與不同磁橋形狀進行對比分析。

圖3及圖4為磁橋厚度為0.5 mm、氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.3、電流為0.9A時的磁路仿真及輸出轉矩圖。

圖3 磁路分布圖

圖4 額定轉矩放大圖

圖5及圖6為磁橋厚度為0.5mm、氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.5、電流為0.9A時的磁路仿真及輸出轉矩圖。

圖5 磁路分布圖

圖6 額定轉矩放大圖

同時我們調整磁橋厚度為0.2 mm，重新對電機進行仿真，圖7及圖8為磁橋厚度為0.2 mm、氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.5、電流為0.9 A時的磁路仿真及輸出轉矩圖。

圖7 磁路分布圖

圖8 額定轉矩放大圖

從上述采用不同磁橋結構的仿真結果進行對比可以看出，電機轉子柵格及磁橋設計對電機輸出轉矩及轉矩波動有較大影響，我們可以通過不斷調整優化柵格形狀來調高電機輸出特性。

2.2 同步磁阻電動機電流矢量控制技術

同步磁阻電動機的數學模型和特性方程較明確，其穩態運行時的矢量圖如圖9所示。

由同步磁阻電動機的矢量圖可以得到下式:

圖9 同步磁阻電動機穩態運行時的矢量圖

式中:Iam、Vam分別為電樞電流和電樞端電壓的上限值。

由正弦波變頻器驅動的同步磁阻電動機，Iam由電動機的額定電流或變頻器的最大輸出電流決定，而Vam要取決于變頻器的直流環節電壓。設定電樞反應的感應電壓V0(相當于忽略Ra時的電樞端電壓)的限定值，則有:

式中:V0m為忽略Ra時的電樞端電壓最大值。

因此，滿足上述約束條件的電樞矢量Ia(id，iq)的范圍，可以用圖10的電流限制圓和電壓限制橢圓來表示。電流限制圓和電壓限制橢圓可以分別表示:

電樞電流限制值由電流限制圓確定，電樞端電壓的限制值由電壓限制橢圓確定，電樞電流矢量的取值范圍則由電流限制圓和電壓限制橢圓共同決定，即被限制在電流限制圓與電壓限制橢圓的內側，如圖10的陰影部分所示。

圖10 考慮了電流與電壓限制的電流矢量限制范圍

電壓限制橢圓與電動機的轉速有關，即隨著電動機轉速的升高，電壓限制橢圓將逐漸變小，使電樞電流的取值范圍逐漸變得狹窄。圖11示出以電流平面上的上述特點為依據，在考慮了電流、電壓限制的情況下，能夠獲得最大輸出功率時電動機的三種控制模式的最佳電流矢量的選擇方法。

圖11 電流矢量的選擇

按上述控制方式選擇電流矢量時，可以大幅度擴大電動機的運行范圍。本項目硬件控制平臺應該采用模塊化的設計思想，主要由控制器單元和功率驅動單元構成。

3 測試結果

根據仿真結果進行了該同步磁阻電動機及驅動器的研制，并進行了測試。電動機額定功率200 W、額定轉速1 500 r/min、輸入電壓220 V(DC)。電機采用4極36槽結構，磁橋厚度為0.2 mm，氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.5，采用6層柵格結構。

同時，將相同功率的異步電動機與該同步磁阻電動機進行性能對比，兩者采用同一定子，在相同輸入電流時的性能對比情況如表1所示。

表1 異步電動機與同步磁阻電動機性能對比

從上表對比情況可以看出，通過優化設計的同步磁阻電動機與相同功率等級的異步電動機相比，其輸出轉矩及效率都明顯提高。

4 結 語

本文采用新型同步磁阻電動機的設計形式，通過有限元仿真優化電機轉子結構設計，驅動器采用電流矢量控制方式進行控制。

相對于感應電動機而言的，同步磁阻電動機沒有轉子銅耗，效率明顯提高，同步磁阻電動機與感應電動機相比，具有效率高、功率密度大等優點;相對于永磁同步電動機，同步磁阻電動機在材料上不使用永磁體，主要由銅和鐵構成，具有耐高溫的特點，而且其數學模型明確，控制原理簡單，控制電路易于搭建，同時其具有結構簡單及體積小、重量輕等顯著特點。隨著導磁材料及半導體元件的不斷發展，同步磁阻電動機的特性也會不斷提高，因此在各種工業控制領域領域都具有較好的市場前景。

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