繞組跨接式分體雙轉子開關磁阻電機的研究和設計

胡余生， 陳 彬,童 童

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000;2.珠海格力節能環保制冷技術研究中心有限公司，珠海 519000)

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繞組跨接式分體雙轉子開關磁阻電機的研究和設計

胡余生1,2， 陳 彬1,2,童 童2

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000;2.珠海格力節能環保制冷技術研究中心有限公司，珠海 519000)

為解決轉子分體式開關磁阻(S-SR)電機效率提升不理想問題，對繞組跨接式分體雙轉子開關磁阻(DJ-S-SR)電機進行研究。該電機采用內外轉子單端同軸輸出結構，雙套軸承，避免了雙轉子電機常用的懸臂結構可能造成的軸承壽命縮短問題。繞組采用跨接，避免內外磁路共軛引起的定子軛部飽和。研究了定子外徑、內徑比值，定、轉子極弧，內、外轉子相錯角對性能的影響程度。在同體積下研制3.5 kW的V-SR電機和DJ-S-SR電機，對比實測效率，確認了DJ-S-SR電機的性能優勢。

開關磁阻電機;分體雙轉子;繞組跨接式

0 引 言

開關磁阻電機(以下簡稱SRM)結構簡單，堅固耐用，冷卻方便，對高溫等惡劣環境適應性強，還具有控制靈活，可靠性高，容錯能力強等優點。基于上述優點，SRM在航空航天、電動車系統以及新能源系統等領域具有應用優勢，成為各國研究和開發的熱點[1-8]。磁阻式電動機最早可追溯到19世紀40年代[7]，隨著電力電子的發展，SRM系統也不斷完善；近年，SRM新結構的研究成為熱點，格外引人注目的是轉子分體式開關磁阻(以下簡稱S-SR)電機結構的提出。

S-SR電機結構于2002年由英國紐卡斯爾大學的B.C Mecrow 教授提出[8],2011年南京航空航天大學鄧智全教授及其同事在多篇專利及論文中深入闡述[9-10]， 2011年長崎大學工學部在日本電機展上展示了S-SR樣機，并將研究成果進行文獻公開。

S-SR電機的磁路結構使其在銅損和鐵損上均具有優勢，同時日本學者在研究S-SR電機時指出其不僅可提高性能，亦能減小單齒徑向力[11-12]，可有效緩解SRM噪聲問題。然而S-SR電機繞組跨距大，因而端部過大，不僅造成了材料的浪費，繞組端部額外的銅耗影響了性能的發揮，限制了S-SR電機的發展和應用。

本文提出的繞組跨接式分體雙轉子開關磁阻(以下簡稱DJ-S-SR)電機可解決以上問題，首先介紹了該電機結構和特性，其次總結關鍵尺寸對電機性能的影響，最后通過實際樣機的對比測試，證明了DJ-S-SR電機的優越性和可行性。

1 DJ-S-SR電機的結構和工作原理

1.1 DJ-S-SR電機的結構

圖1給出了DJ-S-SR電機結構示意圖：定子支架通過螺釘固定在機殼上，定子通過安裝孔固定在定子支架的臂上，定子支架布置有大軸承和小軸承共兩套，轉軸同內轉子緊固為一體，可旋轉的布置在小軸承的內圈；外轉子支架同外轉子通過焊接方式固定為一體， 可旋轉的布置在大軸承的外圈，外轉子支架的尾端通過過盈或內外花鍵的方式緊固在軸上，即實現了內外轉子同軸輸出轉矩，軸伸端通過電機支撐端蓋的軸孔伸出，電機的引出線通過機殼引出，軸同機殼之間以及外轉子支架同機殼之間采用潤滑脂或油封密封，機殼外部具有凸緣結構用于固定在使用設備上。

圖1 DJ-S-SR電機結構示意圖

內轉子和外轉子均為分體結構，由多個扇形導磁塊均勻地固定在不導磁支架上形成整體。各個導磁塊在圓周方向存在用于隔磁的距離；其中，各內轉子塊通過T型槽固定在不導磁支架上，各外轉子塊焊接固定在外轉子支架上。

定子具有內層槽和外層槽，每個槽、齒均徑向相背，槽內布置繞組，內外層齒共軛。

令內、外層槽數均為Ns、內、外轉子的塊數均為Nr，電機相數為m，遵守以下關系：

(1)

定子繞組為集中卷結構，元件的兩個圈邊分別布置在周向相鄰的內層槽和外層槽中，繞組端部斜跨在定子軛部上，各相繞組周向依次排布。相比繞組元件的兩個圈邊布置在徑向相對的內、外層槽中的繞制方式，跨接式繞組使定子軛部的磁力線沿周向鋪開，消除了磁力線的“共軛”現象(如圖2所示)，故而在其他設計相同的情況下，可將軛部厚度減薄近一半，減薄軛部的空間可用于增加用銅量降低銅損或用于減小電機體積。

(a)共軛(a)不共軛

圖2 磁力線共軛及不共軛情況對比

1.2 DJ-S-SR電機的工作原理

圖3 電感及相電流隨轉子位置示意圖(A相)

圖4示意了DJ-S-SR電機在0°，12°，30°，45°時的轉子位置圖及主磁通磁力線。運行過程如下：0°時，A相開始導通，磁阻效應引起的磁拉力產生轉矩；12°時，電感大幅增加，A相電流達到穩定狀態；30°附近，B相開始導通，A相開始關斷，進入續流狀態；45°時，A相續流完畢，電流為零，B相重復A相過程， C相重復B相過程，如此反復，達到轉矩的連續輸出。

(a)0°(b)12°(c)30°(d)45°

圖4 不同轉子位置下轉子平面示意圖

2 磁路特性分析

圖5 V-SR電機結構及等效磁路圖

圖6 簡化后的DJ-S-SR電機結構及等效磁路

V-SR電機為并聯磁勢結構，由圖5可得：

(2)

DJ-S-SR電機為分立式磁勢結構，由圖6可得：

(3)

(4)

令槽面積與槽內導體數N相同，輸入相同的電流i時：

(5)

(6)

通常鐵心磁壓降占比小，從式(2)～式(4)可看出φ12≈φ3=φ4。式(2)、式(3)、式(4)分別代入式(5)和式(6)可以看出：即使在考慮鐵心磁壓降以及磁路飽和因素時，相同的輸入下，DJ-S-SR電機的輸出轉矩仍大于V-SR電機的輸出轉矩。

3 電機設計研究

為保證電機的出力及啟動性能，DJ-S-SR電機需滿足以下：

(7)

(8)

(9)

式中：βsi,βso,βri,βro表示內定子齒、外定子齒，內轉子塊、外轉子塊的極弧；Zs,Zr分別表示定子、轉子的齒數。

除此之外，為獲得較高的凸極比，隔磁距離通常需要大于20～30倍的氣隙長度[13]。

由于DJ-S-SR電機結構的特殊性，定子內外徑比值、定轉子極弧、內外轉子錯開角等參數對電機性能的影響尤為關鍵。

設計一款三相6-4結構DJ-S-SR電機，目標如下：外轉子外徑139 mm，疊高80 mm，額定功率3.5 kW，額定轉速3 600 r/min；考慮到電頻率高達240 Hz，采用 B35A300硅鋼片材料。仿真模型如圖7所示。

圖7 有限元仿真模型

3.1 定子外徑內徑比值Di2/Di1對性能影響仿真分析

Di2/Di1較小時，即定子外徑過小或者內徑過大時，此時由于定子槽面積被壓縮，使得電阻增加，銅耗占比上升；同時定子軛部磁密增加，導致鐵損亦增加；Di2/Di1較大時，即定子外徑過大或者內徑過小時，主要由于內轉子的隔磁距離受外徑減小而下降，內轉子的效率下降引起總體輸出效率下降，亦銅耗占比上升；此外，Wr1/Wr2的下降使得轉子磁密過大，轉子磁路飽和，鐵損增加；圖8給出了Di2/Di1對性能的影響，當Di2/Di1的取值為1.9～2.3時，電機整體效率較高。

圖8 對電機損耗及性能的影響

3.2 定子極弧對性能影響仿真分析

定、轉子的極弧設計對于該電機的性能尤為關鍵，在滿足隔磁距離大于20～30倍氣隙長度的前提下，固定轉子極弧為0.866，得出不同定子內極弧系數在不同的負載下的曲線如圖9所示。

圖9 不同定子極弧系數在各負載下的仿真效率

隨著極弧的增加，其效率先增加后減小，存在最大效率點。分析如下：當定子極弧過小時，隔磁距離過大，隔磁效果增加不明顯，反而降低了有效轉矩的輸出，電機出力下降；定子極弧過大時，隔磁距離過小，漏磁增加明顯，凸極比下降，電機出力下降。二者均會導致效率的下降。

進一步地，不同的負載下，其最大效率點對應的極弧系數是不同的，50%，100%，150%負載下最大效率對應的定子極弧系數分別為0.866,0.800,0.733。

外定子極弧略大于內定子極弧，可以在內定子極弧的基礎上進行微調。

3.3 DJ-S-SR電機降轉矩脈動仿真分析

SRM的凸極性強，轉矩脈動大，影響了該電機的應用。相比單轉子SRM，DJ-S-SR電機的轉矩輸出為內外轉子的總成，隨著轉子的轉動，當內外轉子同時達到最小磁阻和最大磁阻位置時，內外轉子的轉矩是同時達到峰值和峰谷，此時轉矩脈動最大。當內外轉子相錯一定的角度δ，可利用峰-谷互補以降低轉矩脈動。如圖10所示，當存在δ角時，內轉子和外轉子的轉矩峰值和谷值是錯開的，因此合成轉矩的脈動可大幅削減。

圖10 DJ-S-SR電機轉子錯位轉矩合成示意圖

圖11 DJ-S-SR電機效率η、脈動因數μ隨δ變化圖

4 試驗研究

為驗證仿真，同體積下試制3.5 kW的V-SR電機和DJ-S-SR電機，電機主要尺寸對比如表1所示，實物圖如圖12、圖13所示。

DJ-S-SR電機由于繞組跨接在環形閉合的軛部上，需采用環形繞線機配合導線工裝進行繞制；V-SR電機按照集中繞線方式直接繞制在定子齒上。

表1 DJ-S-SR電機和V-SR電機尺寸對比

圖12 V-SR樣機實物圖

圖13 DJ-S-SR樣機實物圖

此外，考慮到SRM頻率高，諧波豐富，避免轉子渦流損耗過大，定轉子均采用不銹鋼螺釘緊固；DJ-S-SR電機轉子支架同轉子塊之間浸漆絕緣處理。

控制器采用自主開發的開關磁阻控制器，采用雙閉環控制策略，如圖14所示；硬件系統核心由數字控制器、光耦隔離電路、驅動及功率電路、檢測電路組成[14]。

圖14 DJ-S-SR電機控制示意框圖

DJ-S-SR電機進行實際測試時，采用APC(角度位置控制)和CCC(電流斬波控制)的驅動方式分別采集樣機波形如圖15所示，從電機轉速穩定情況來看，低速更適合于采用CCC控制方式，高速更適合于APC控制方式，實驗波形如下。

高速時，采用APC控制，減少開關次數，電流較為平滑，降低控制器損耗，IGBT控制主要受位置反饋信號控制；低速時，采用CCC控制，避免電流超調，使得輸出電流及時跟隨指令電流。IGBT控制主要受電流指令控制。

(a) APC控制

(b) CCC控制

圖15 不同控制方式下電流及繞組電壓波形

測試條件：自制測試工裝，采用Magtrol-14NM磁滯測功機，TM301-308扭矩傳感器，WT1600功率儀進行實際測試,如圖16所示。

圖16 測試現場

測試結果如圖17、圖18所示。

從圖18可以看出，DJ-S-SR電機在性能上較V-SR電機高出約2%，不僅將S-SR電機相比常規結構的SRM優勢進一步擴大，而且通過繞組的充分利用解決了S-SR電機用銅量過大，端部浪費嚴重的問題。

圖17 不同電機銅耗占比隨轉矩輸出變化圖18 不同電機效率隨轉矩輸出變化

5 結 語

1)本文設計的DJ-S-SR電機，采用內外轉子單端同軸輸出結構，具有結構可靠、通用性好、轉矩脈動可調的優點；

2)通過磁路結構的對比分析，得出分立式磁勢結構具有優勢的結論，為新型SRM結構設計提供理論基礎；

3)仿真并總結定子外徑及內徑比值，定子極弧，內、外轉子相錯角對性能影響程度的曲線及最佳設計點；

4)3.5 kW同體積的V-SR電機和DJ-S-SR電機試制及實測對比，效率提升2%，驗證了該電機的可行性和優越性。

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Research and Design of the Double Segment Rotor with Winding Jumper Switched Reluctance Motor

HUYu-sheng1,2，CHENBin1,2,TONGTong2

(1.Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai，Zhuhai 519000,China;2.Green Refrigeration Equipment Engineering Research Center of Zhuhai Gree Co. Ltd., Zhuhai 519000,China)

In order to solve the problem that the efficiency of S-SR motor is not ideal, DJ-S-SR motor was studied in this paper. This motor's structure with internal and external rotor, single-ended and coaxial output and double sleeve bearing, can avoid the double rotor motor's bearing life shorten caused by using the cantilever structure. The ministry of the stator yoke's saturation caused by the conjugation of internal and external magnetic circuit was avoided by adopting the winding jumper. How the ratio of stator's outer diameter and inner diameter, the stator and rotor pole arc coefficient, the stagger angle of inner and outer rotor impact on the motor performance were researched. Finally, 3.5 kW V-SR motor and DJ-S-SR motor under the same volume condition were designed and confirmed the DJ-S-SR motor's advantage in efficiency after comparing the efficiency of practical test.

switched reluctance motor; double segment rotor; winding jumper

2016-03-01

TM352

A

1004-7018(2016)07-0008-05