基于磁固耦合法對比經典與新型雙勵磁開關磁阻電機電磁振動特性分析

宋桂英，　邢正坤

(河北工業大學，天津　300132)

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基于磁固耦合法對比經典與新型雙勵磁開關磁阻電機電磁振動特性分析

宋桂英，邢正坤

(河北工業大學，天津300132)

摘要：通過電磁和機械有限元方法對比研究一種新型多勵磁電機的電磁振動特性。這種新型電機在定子側放置一套直流勵磁繞組，基于該模型計算并對比與傳統開關磁阻電機(SRM)的電磁特性。利用MATLAB軟件對氣隙磁密和徑向電磁力進行了諧波分析；其次對定子進行模態分析，得出其固有頻率和模態振型；最后通過電磁-結構耦合法計算定子的電磁振動響應，對其振動特性進行分析。研究表明這種新型雙勵磁電機對減小電磁振動有明顯作用。

關鍵詞：開關磁阻電機； 徑向電磁力； 雙勵磁； 傅里葉分析； 磁固耦合

0引言

開關磁阻電機(Switch Reluctance Motor， SRM)作為一種新型可變速驅動系統。其結構簡單、堅固、成本低，具有良好的調速性能，在寬廣的調速范圍內都具有較高的效率；但其振動和噪聲是突出問題。通過大量的研究分析和試驗，學者一致認為SRM引起電磁振動的因素主要是作用于定子上的徑向電磁力[1]。M. N. Anwar等人利用有限元法分析了某型SRM電磁力波的頻域特性及時域特性[2]。文獻[3-5]對SRM的定子模態進行了分析研究；文獻[6]研究了新型可變磁通磁阻電機振動噪聲與開關磁阻電機的比較；文獻[7]使用磁固耦合法研究分析了永磁電機的電磁振動；文獻[8]通過傳統的和相互耦合的SRM有限元模型的比較研究，得出相互耦合的SRM電磁振動噪聲性能有明顯改善。近年來，國內外學者對如何降低SRM振動已做了大量研究，也取得了許多成果。

在此基礎上，本文以三相6/4SRM為例，對傳統與新型雙勵磁電機做了對比分析，基于有限元仿真模型主要對其內部磁場氣隙磁密及徑向電磁力進行計算，并進行傅里葉分解，然后通過電磁與瞬態結構的耦合進而對比兩種電機的振動特性。

1電磁力分析

本文所分析的三相6/4極SRM，基本參數如表1所示。

表1　SRM的基本參數

新型雙繞組電機一組線圈作為電樞繞組和線圈的另一組串聯作為直流勵磁繞組，如圖1(a)所示；傳統電機如圖1(b)所示。

圖1　電機結構圖

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力的徑向力分量為[1]

(1)

式中：Fn——徑向電磁力(Pa或N/m2)；

Br——徑向磁通密度(T)；

Bt——周向磁通密度(T)；

u0——真空磁導率。

圖2為雙勵磁SRM與傳統SRM氣隙徑向磁密對比。相比傳統電機，雙勵磁電機徑向磁密有所減小。圖3為徑向電磁力空間分布圖對比。由圖2、圖3可以發現在徑向氣隙磁密絕對值比較大的位置，徑向電磁力也比較大，雙勵磁電機徑向力相對較小，能夠有效降低電機的振動。

圖2　氣隙徑向磁密對比

圖3　徑向電磁力空間分布對比圖

圖4所示為氣隙某點徑向電磁力隨時間變化對比圖。對氣隙一點處的徑向電磁力作Fourier分解，得到電磁力的幅頻特性對比如圖5所示。由圖5可知，電磁力在低頻時的幅值比較大，且此時與電機的固有頻率較為接近，容易產生共振。雙勵磁SRM的徑向電磁力幅值較小，有利于降低噪聲。

圖4　徑向電磁力密度隨時間變化對比圖

圖5　徑向電磁力幅頻特性對比圖

2SRM的振動特性分析

2.1　定子的模態分析

電機定子結構在徑向電磁力的作用下產生振動，其強度與電磁力的頻率和大小、定子結構的固有頻率等因素有關。不對SRM定子加載任何零位移約束，即分析SRM定子在沒有任何約束的情況下自由振動的動態性能。定子結構主要參數如表2所示。

表2　定子鐵心參數表

圖6為定子的主要振動模態和振型圖，表3為定子的固有頻率表。

圖6　定子的振動模態圖

振型階次固有頻率/Hz振型階次固有頻率/Hz21573.31573.847516.57524.533758.74761.351047210484

利用有限元分析，獲得SRM的定子模態，可以為SRM的本體設計提供參考，避免SRM電磁徑向力的諧波頻率接近電機定子固有頻率的情況出現。定子振型中都存在兩個頻率相等或者非常相近的模態頻率。定子的振型由橢圓形向三角形及四邊形、五邊形演變。

2.2　定子的振動特性分析

定子的振動特性是指定子受到電磁力密度的載荷約束下的響應。本文通過電磁力密度與電機定子結構的耦合，基于磁固耦合得到在電磁力密度作用下的振動特性。圖7為定子齒部某點的振動位移圖對比；圖8為振動加速度對比。

圖7　振動位移對比圖

圖8　振動加速度對比圖

從圖7、圖8中位移和加速度的對比可以得到，雙勵磁SRM的振動位移和振動加速度明顯小于傳統SRM，有利于減小振動。

3結語

本文以電磁力密度和定子結構的耦合作用，針對兩種電機的對比分析，對仿真結果的分析得出如下結論：

(1) 與傳統SRM相比，雙勵磁電機氣隙磁密相對較小，諧波含量相對較小。

(2) 電磁力與氣隙磁密的大小具有一致性，且在低頻時的幅值較大。與傳統SRM相比，雙勵磁電機徑向電磁力相對較小，徑向電磁力諧波相對較小。

(3) 通過電磁-結構的耦合作用，得到雙勵磁電機的振動位移和振動加速度明顯小于傳統電機，可見反映振動性能的位移和加速度明顯減小。

【參 考 文 獻】

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

[2]ANWAE M N， HUSAIN I. Radial force calculation and acoustic noise prediction in switched reluctance machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2000(6)： 1589-1597.

[3]孫劍波，詹瓊華，黃進.開關磁阻電機的定子振動模態分析[J].中國電機工程學報，2005，25(22)： 148-152.

[4]吳建華，陳永校，王宏華.開關磁阻電機定子固有頻率的計算[J].中國電機工程學報，1997，17(5)： 326-329.

[5]吳建華.基于物理模型開關磁阻電機定子模態和固有頻率的研究[J].中國電機工程學報，2004，24(8)： 109-114.

[6]諸自強，劉旭，潘再平.新型可變磁通磁阻電機振動和噪聲研究與開關磁阻電機的比較(英文)[J].電工技術學報，2013(11)： 9-18.

[7]韓匯文.基于磁固耦合的永磁電機電磁振動分析[D].杭州： 浙江大學，2013.

[8]LIANG X B， LI G J， JAVIER O. Comparative study of classical and mutually coupled switched reluctance motors using multiphysics finite-element modeling[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014，61(9)： 5066-5074.

Based on Magnetic Solid Coupling Method Compared to Classical and

New Double Excitation Electromagnetic Vibration Characteristic

Analysis of Switched Reluctance Motor

SONGGuiying，XINGZhengkun

(Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China)

Abstract：Through the comparative study on the electromagnetic and mechanical finite element method (fem) of a new type of excitation motor electromagnetic vibration characteristics. In this new type of motor stator side， placed a dc excitation winding were calculated and compared based on this model and the traditional electromagnetic characteristics of switch reluctance motor. Using MATLAB software to the air gap flux density and radial electromagnetic force in the harmonic analysis. Second modal analysis was carried out on the stator， it was concluded that the natural frequency and modal vibration mode， finally through the electromagnetic -structure coupling method to calculate the electromagnetic vibration response of the stator， to analyze its vibration characteristics. Studies have shown that this new type of double excitation motor had obvious effect to reduce electromagnetic vibration.

Key words：switched reluctance motor(SRM)； radial electromagnetic force； double excitation； fourier analysis； magnetic solid coupling

收稿日期：2015-08-04

中圖分類號：TM 352

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)02- 0022- 04

作者簡介：宋桂英(1971—)，女，副教授，研究方向為電機及其控制。邢正坤(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為電機及其控制。