開關磁阻電機振動分析

邢正坤，宋桂英

(河北工業大學，天津300130)

0 引言

隨著社會的進步和科學技術的不斷發展，對電機性能的要求也越來越高，如何降低電機振動和噪聲成為生產廠商面臨的大問題，因此降低振動的技術研究得到了設計者的重視。通過大量的試驗和研究分析，設計者一致認為SR 電機引起電磁振動的因素主要是作用于定子上的徑向電磁力和SR 電機明顯的轉矩脈動。SR 電機內部徑向電磁力和轉矩脈動的產生比較復雜，受多種因素影響(如電機尺寸結構、控制方法等)［1～2］。

開關磁阻電機(SR 電機)的電磁振動主要是由定子的徑向振動引起，隨著轉子位置的變化和電流的通斷，定子鐵心受到徑向電磁力作用。換相時轉矩脈動也是產生振動的主要因素之一。目前電磁振動和轉矩脈動抑制的研究多集中在控制方法。如迭代學習控制技術［3］、直接轉矩控制［4］、神經網絡控制技術［5］可改變輸出電流的波形，使SR 電機的轉矩變得平穩光滑。電流雙幅值斬波控制方式，低速時可有效降低轉矩脈動和噪聲［6］。這些基于控制的方法提高了控制器和控制方法的復雜性，增加了電機的成本。近年來本體研究也得到眾多專家重視，文獻［7-8］主要通過改進定子和轉子的結構減小轉矩脈動。文獻［9］則針對SR 電機的振動和噪聲的缺點優化定、轉子的結構，對定子模態和固有頻率研究了開關磁阻電機定子結構對電磁振動和噪聲的影響［10］。本文主要從電機本體結構改變定轉子結構抑制轉矩脈動和電磁振動。通過改變定轉子表面磁密方向，削弱定轉子表面的徑向磁密，從而削弱徑向力波，減小電機的電磁振動。

1 SR 電機本體設計

定子、轉子外徑以及定子齒和槽的形狀等參數對SR 電機的轉矩波動和噪聲等有重要影響。SR 電機噪聲主要是徑向電磁引力引起定子變形產生。當定子極和轉子極重合時產生徑向電磁力最大，所以減小定子極和轉子極的重合面積，就能減小徑向電磁力。

1.1 電機參數

本文所選SR 電機，共三相12/8 極，額定功率2.2kW，額定電壓為280V，額定轉速為3000r/min，其主要參數如表1 所示。

根據Ansoft Maxwell 建立電機的二維模型圖，圖1(a)、圖1(b)兩種本體設計結構，圖1(c)為傳統電機結構。

圖1 開關磁阻電機的幾何模型

1.2 徑向磁密對比

模型經過分配材料、添加載荷及邊界條件、網格剖分及求解參數設置等，經軟件分析自檢后進行求解。在某時刻氣隙磁密的徑向分量沿圓周方向四個定子極距內的分布如圖2 所示。相比傳統電機，定子結構和轉子新結構徑向磁密有所減小。

圖2 氣隙徑向磁密

圖3 定子結構徑向磁密FFT 分解

圖4 轉子結構徑向磁密FFT 分解

圖5 傳統模型徑向磁密FFT 分解

1.3 徑向電磁力和轉矩對比

基于麥克斯韋應力張量法，把體積力替換為等效磁張力(面積力)可求出單位面積上的電磁

對徑向磁密進行諧波分析如圖3、圖4、圖5所示。傳統電機徑向磁密的諧波相比定子結構和轉子結構要大，說明傳統電機徑向磁密諧波較大，更容易產生振動。力它的徑向力分量為

表1 SR 電機基本參數

式中，Fr—徑向電磁力(Pa或N/m2);Ft—徑向電磁力(Pa或N/m2);Br—徑向磁通密度(T);Bt—周向磁通密(T);μ0—真空磁導率。

SR 電機的轉矩脈動和徑向力是其振動的主要原因，徑向電磁力見圖6，轉矩對比見圖7。

圖6 徑向電磁力波形圖

圖7 轉矩對比圖

由圖2、圖6 可以觀察發現徑向磁密大的地方徑向電磁力也相對較大，傳統電機的徑向力相對較大，定子結構和轉子結構徑向力相對較小，對電機的振動影響也相對較小。通過圖7 轉矩對比可知，定子新結構和轉子新結構的轉矩脈動相比傳統電機要小一些，能有效降低振動，轉子新結構和傳統電機轉矩出力相差無幾，但定子新結構中轉矩出力相對小一些。磁場分布電磁力線對比圖見圖8，磁密矢量對比圖見圖9。

圖8 磁場分布圖

圖9 磁通密度矢量圖

從圖8 磁場分布觀察，傳動電機磁場電磁力線小于轉子結構小于定子結構，圖9 磁通密度矢量圖可知轉子新結構大于傳統電機和定子新結構，定子新結構和傳統電機相差不大。結果表明采用新型定子結構和新型轉子結構有利于改善電機的振動。

2 基于Ansys Workbench 軟件的開關磁阻電機瞬態結構分析

大量研究表明開關磁阻電動機的噪聲主要是電磁噪聲，有時電磁噪聲可以占到整個噪聲的95%。導致電磁噪聲振動的主要因數是電磁力波和轉矩波動，電磁力的影響最為突出，本文通過Ansoft 算出電磁力密度，通過Ansys Workbench 自動實現電磁力密度耦合到定子結構，觀察定子的變形受力情況，預測定子振動。

2.1 定子振動分析

SR 電機是雙凸極結構的電機，電磁力作用在電機轉子上，一方面可以分解成沿電機轉子旋轉切線方向上的驅動力，這個力的作用結果就是電機的轉矩;另一方面可以分解成沿電機徑向方向上的徑向力，徑向力會導致定轉子鐵心和機殼周期性形變。因為電機的轉子是實心剛體，徑向力的影響很小;定子是一個殼體，徑向力的作用會使定子發生形變振動。作用在定子極附近的徑向力大于其他部位受到的徑向力，同時徑向力在數值上是遠遠大于轉子切線方向上的驅動力，所以在此只分析定子上的受力以及形變。

本文選用SR 電機其定子外徑為120mm，定子內徑為69.8mm，定子材料硅鋼片，定子材料的參數如表2 所示。

表2 材料屬性表

2.2 加載及求解

通過Ansoft 求解出定子的電磁力密度，利用Ansys Workbench 與Ansoft 實現自動加載，Ansoft為2D 模型可以自動耦合到Ansys Workbench 為3D 模型。把電磁力密度自動耦合到定子，觀察定子的瞬態結構變化。如圖10 為0.006s 時刻電磁力密度加載圖。

圖10 電磁力密度加載

電磁力加載后，觀察求解定子上總的應力變化云圖如圖11 所示。

圖11 定子總的應力云圖

由圖10、圖11 可知，相比新型結構，傳統電機電磁力密度的加載相對較大，傳統定子上總的應力變化云圖相對較大，新型定子結構的總的應力云圖相對較小?？梢酝茰y傳統電機的振動相對于新型電機振動較大。通過電磁力密度和定子結構的耦合結果可以得到，新型定子結構和轉子結構能夠改善電機的振動特性。

3 結語

本文提出了一種新定子結構和新轉子結構，可以有效減小電機的電磁振動，通過有限元仿真分析如下結論

(1)新型定子結構和新型轉子結構相比傳統電機徑向磁密有所降低，徑向磁密的諧波相比傳統電機相對較小，徑向力相比傳統電機有所減小，對電機轉矩脈動進行對比，結果表明新型電機結構轉矩脈動有明顯改善，驗證了新結構對降低開關磁阻電機的徑向力波和轉矩脈動。振動特性有所改善。

(2)通過電磁力密度和結構的耦合，對比新型定子結構和轉子結構與傳統電機的應力變形云圖，可以得知，新型電機結構振動有明顯改善，對電機的結構優化具有指導意義。

(3)本文實質上是通過改變定、轉子齒形來改變轉子齒表面氣隙磁密的方向，從而改變徑向磁密和徑向電磁力的目的，此方法制造和改造成本低，易于實現，具有良好的工程實際意義。

［1］ 詹瓊華.開關磁阻電動機［M］.湖北:華中理工大學出版社，1992:1-14.

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