開關磁阻電機結構優化現狀與發展趨勢

張向龍，楊燕翔，王 軍，范鎮南，劉占千

(西華大學，成都 610039)

開關磁阻電機結構優化現狀與發展趨勢

張向龍，楊燕翔，王 軍，范鎮南，劉占千

(西華大學，成都 610039)

開關磁阻電機由于結構簡單、價格便宜和在惡劣環境下可靠性高等優點，已成為工業應用中的一種新型電機。在分析國內外開關磁阻電機結構優化技術資料的基礎上，較詳細地闡述了該領域研究現狀與發展動態，并對其未來發展方向進行了探討與展望。

開關磁阻電機；結構優化；發展動態

0 引 言

作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機以其結構簡單、起動轉矩大、穩定性高等優點在石油、航空、電動汽車等領域得到了發展和廣泛應用。然而這種電機自身存在轉矩脈動大、噪聲明顯等缺陷，對其在某些特殊場合的進一步應用造成了不利的影響。長期以來，為了進一步提高開關磁阻電機的各項性能，國內外研究者對開關磁阻電機的結構優化，開展了廣泛、系統和深入地研究工作，取得了一些具有建設意義的成果。因此，對上述研究工作，進行合理有序的梳理和評述，不但有利于掌握該領域研究動態，更有助于優化該領域發展思路。

鑒于此，本文在收集國內外開關磁阻電機結構優化文獻的基礎上，對其研究現狀和發展方向進行了較為全面系統的探討、分析與展望，以求能夠為開關磁阻電機設計制造和運行檢修水平的進一步提升，提供有益參考。

1 開關磁阻電機本體結構優化

開關磁阻電機理論體系和計算電磁學的不斷發展為電機結構的優化提供了基礎，以國外的紐卡斯爾大學、利茲大學、東京理科大學，國內的南京航空航天大學、浙江大學、華中科技大學為代表的科研機構，提出了許多新型開關磁阻電機結構來改善其性能，基本可以概括為3個方面：定子繞線方式優化、定轉子結構優化、勵磁方式優化。

1.1 定子繞線方式優化

繞組的連接方式直接影響到開關磁阻電機內部磁場的分布，不同的繞線方式下電機的性能有很大的不同。繞組的連接方式分為整距繞組和短距繞組，根據相對極磁場的方向又可以分為正向串聯和反向串聯。單相通電時，相應磁場分布如圖1、圖2所示。文獻[4]分析了繞組正向串聯和反向串聯時自感、互感、磁場分布等存在的差異，特別對于反向串聯的三相開關磁阻電機，通過有限元分析得到了其自感和互感波形，為繞組的進一步優化提供了參考。傳統開關磁阻電機多采用短距繞組，由式(2)中可知，轉矩的產生主要依賴于繞組自感的變化。

圖1 正向串聯磁場分布圖2 反向串聯磁場分布

短距繞組時，電流只能在電感上升階段導通，因此每相繞組最大導通時間為1/3通電周期。文獻[5-8]將靜態有限元分析引入了開關磁阻電機繞組分析，研究了整距繞組時相電流導通情況。采用整距繞組時，轉矩的產生主要依賴于兩相之間的互感，轉矩可表示為：

(1)

式中：ia,ib為兩相電流，Mab為兩相互感。因此相電流的導通時間相比與短距繞組時增加了一倍，提高了繞組的利用率。

另一方面，當轉子處于電感下降區時，對繞組通以負向電流，如此在電感下降區域也可以產生正向轉矩，擴大了轉矩產生的區間。文獻[9]對比分析了短距繞組和整距繞組對轉矩脈動的影響；文章中對電機施以轉矩閉環控制進行了穩態分析，表明在低速時整距繞組對轉矩脈動抑制有較大優勢。

1.2 定轉子結構優化

定轉子結構的改進可以改善電機內部電磁場的分布，從而達到改善電機性能的目的，因此目前主要研究都集中在定轉子結構的改進上。由麥克斯韋張量法可知，通過改變磁密的徑向分量和切向分量可以改變徑向力波和切向力波。文獻[10-11]利用上述理論提出了兩種不同的轉子齒結構。前者在轉子齒和軛中加入空氣氣隙，后者在轉子齒兩側開槽，二者都達到了增大徑向磁密、減小切向磁密的效果，有利于增大電機的平均輸出轉矩，減小轉矩脈動，其結構如圖3(a)和圖3(b)所示。邊緣磁通是導致轉矩脈動的一個重要原因，它產生于定轉子重疊前。文獻[12]中通過在轉子齒一側增加一個V型槽口，減小了邊緣磁通的影響，提高了電感曲線的線性程度，從而減小了轉矩脈動，其結構如圖3(c)所示，顯然此結構只適合于電機單方向轉動。文獻[13]提出了一種氣隙寬度不均勻的轉子結構，使氣隙沿著電機旋轉(假定逆時針)方向越來越窄，如圖3(d)所示，仿真結果表明該方法能夠有效的減小轉矩脈動。文獻[14]將矩形轉子齒和梯形轉子齒結構進行了有限元對比分析，結果表明梯形轉子齒可以產生更大的靜態轉矩。文獻[15]采用了一種新型定轉子極末端形狀，如圖3(e)所示，該結構可以增大靜態轉矩曲線在上升階段的斜率，從而提高換相時兩相轉矩交叉點，降低了換相時的轉矩跌落，成功地抑制了電機的轉矩脈動，而且提高了平均轉矩。文獻[16-17]將永磁電機中成功應用的雙定、轉子結構引入到開關磁阻電機中。其中文獻[16]提出將兩個6/4結構的開關磁阻電機并行連接在一起，其中一個電機的轉子相對于另一個有30°的位置偏移，從而使一個轉子處于完全對齊狀態時，另一個轉子處于剛對齊的狀態。同兩個轉子位置沒有偏移時相比，該結構可減小20%左右的轉矩脈動。文獻[17]在傳統雙機械輸出口電機的基礎上，通過對定子軛部輔助繞組施加不同方向的電流，可以改變內、外轉子上的轉矩分配，實現內外轉子輸出功率的調節。

(a)帶氣隙的轉子結構(b)轉子兩側開槽結構

(c)V型槽口轉子結構(d)傾斜的定子極面結構

(e) 新型定、轉子極末端形狀

1.3 勵磁方式的優化

混合勵磁開關磁阻電機不僅繼承了開關磁阻電機的優點，而且可以更加有效的調節和控制氣隙磁場，因此也成為開關磁阻電機結構優化發展的一個趨勢。

混合勵磁開關磁阻電機最早起源于美國電機專家T.A.LIPO等人提出的一種雙凸極永磁電機[18]，其結構如圖4所示。電機中永磁體采用鐵氧體，通過調節相電流的方向，即可增加或減弱氣隙磁場。但由于鐵氧體剩磁較低，只能通過增加直流場控繞組的方式提高氣隙磁通密度，從而使銅耗增加，效率降低。文獻[19]提出了一種帶有永磁體和輔助繞組的混合勵磁開關磁阻電機，其結構如圖5所示。定子軛設計成正方形，兩個對角分別放置輔助繞組和永磁體，輔助繞組通以直流電時，輸出轉矩和效率都得到了明顯提高。文獻[20]僅在定子齒中嵌入了永磁體，相比與文獻[19]，結構簡單，電機體積得到了有效的減小。該結構相當于在定子勵磁中并聯了一個永磁體磁源，在輸入勵磁電流不變的情況下，可以提高氣隙磁場的飽和程度，增大了平均輸出轉矩，提高了電機利用率，但由于永磁體位于定子齒中，使定子齒的磁阻增大，會對勵磁電流產生一定的影響。文章還對永磁體安裝方向和繞組電流通電方向之間的關系進行了分析，指出如果永磁體固定以后，則電流方向隨之固定，這點有別于傳統開關磁阻電機。

圖4 首次提出的雙凸極永磁電機結構圖5 帶輔助繞組和永磁體的新型結構

2 開關磁阻電機電磁場逆問題優化

隨著計算機科學的發展，新型智能算法在電機結構優化中的應用越來越廣泛。將智能優化算法和電磁場正問題相結合，構成電磁場逆問題應用在開關磁阻電機結構優化中成為一個重要的優化方向。電磁場逆問題是根據給定的電機性能要求，求解電機的結構參數。在文獻[21]中將單位體積出力的比功作為優化目標函數：

(2)

式中：f(X)為優化目標函數，Da為轉子外徑，la為鐵心長度，P為輸出功率。取定轉子內、外徑和極弧寬度等8個變量參數，用遺傳算法進行最優求解，并在求解過程中考慮了開通角系數和關斷角系數對優化結果的影響。文獻[22]采用了多目標函數，用遺傳算法對結構參數進行優化，在保證輸出轉矩較大的同時減小了轉矩脈動。文獻[23]采用了遺傳算法和模擬退火算法分別對開關磁阻電機結構進行優化求解，并對優化結果進行了對比。為了獲得準確的數學模型，文獻[24]首先通過有限元分析獲取了平均轉矩和轉矩脈動的相關敏感參數，然后利用神經網絡對其進行訓練，得到了較為準確的數學模型，最后利用粒子群算法對平均轉矩和轉矩脈動進行共同優化，得到了理想的優化結果。文獻[25]將粒子群算法與文化算法相結合，構建了文化粒子群優化算法，實現了不同空間群體的并行優化，提高了優化精度與效率，并將其用于多目標優化，在有效提高電機效率的同時，大幅減小了轉矩脈動。

新型智能優化算法為開關磁阻電機的優化設計帶來了很大幫助，但其還是存在一定的缺陷。例如在遺傳算法中，匹配集N的取值對優化結果有很大的影響。如果N取得過小，則難以獲取全局最優解；如果N取得過大，則會降低優化效率。因此對算法本身結構進行改進、將多種優化算法結合應用以及探索新的優化策略，從而進一步提高優化效率，將是該方向的工作重點。

3 發展動態展望

隨著開關磁阻電機的不斷發展，電機容量需求也逐漸變大，因此損耗發熱成為電機結構優化必須要考慮的問題。采取必要的措施來降低損耗，抑制發熱，從而提高電機壽命也逐漸成為研究的熱點。目前，關于損耗的研究，大多集中于損耗的計算分析，如何通過優化電機結構來降低損耗，提高電機的散熱效率將具有很高的研究價值。

針對開關磁阻電機單一性能的結構優化方法已經很多，但是隨著優化技術和計算機技術的發展，多目標協同優化正逐漸成為優化發展的主要方向，例如將轉矩脈動的抑制和損耗的抑制作為一個整體來進行優化。當前人們已經具備從綜合物理場(電磁場、溫度場、流速場、應力場的等)的角度研究電機內物理現象的能力[34]，同時也具有了更加強大的計算機工具，針對開關磁阻電機的多目標協同優化將是未來研究的一個熱點。

開關磁阻電機的電磁場逆問題實際上是將電機的電磁場分析與優化算法相結合，以求更加精確地求解電機參數，進一步提高優化結果。但目前仍然存在算法的收斂速度不高等問題，難以滿足三維、耦合問題等較復雜系統的計算要求[39]。隨著優化算法效率的提高和電磁場計算方法的發展，電磁場逆問題在開關磁阻電機優化中將越來越深入。

4 結 語

本文較詳盡地總結評述了當前開關磁阻電機結構優化發展的情況，基本涵蓋了開關磁阻電機結構優化發展的主要方向，并對該電機未來優化發展動向進行了總結分析，為該電機的進一步發展提供了一定的參考意義。

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CurrentStatusandDevelopmentTrendsoftheStructureOptimizationofSwitchedReluctanceMotor

ZHANG Xiang-long,YANG Yan-xiang,WANG Jun,FAN Zhen-nan,LIU Zhan-qian

(XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Theswitchedreluctancemotor(SRM)hasbeenanewtypeelectronicmachineinindustrialapplicationsbecauseofitssimplestructure,lowcostandhighreliabilityinthesevereenvironmentandsoon.BasedontheanalysisofthedomesticandinternationaltechnicalliteraturesforthestructureoptimizationabouttheSRM,theresearchstatusanddevelopmenttrendsinthefieldwereminutelydescribed.Meanwhile,thefuturedirectionwasalsodiscussedandexpected.

switchedreluctancemotor(SRM);structureoptimization;developmenttrends

2016-06-23

四川省教育廳重點科研項目(16ZA0155)

TM

A

1004-7018(2017)01-0077-04