一種改進(jìn)的新能源汽車用SRM的定子鐵心結(jié)構(gòu)

賴仲蓉 曾游飛

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一種改進(jìn)的新能源汽車用SRM的定子鐵心結(jié)構(gòu)

賴仲蓉1曾游飛2

（1. 江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000； 2. 江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000）

本文針對開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（switched reluctance motor, SRM）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大及振動(dòng)噪聲明顯的特性，提出一種改進(jìn)定子外接正12邊行的定子新結(jié)構(gòu)。通過有限元方法對一臺(tái)三相12/8極SRM進(jìn)行固有頻率評(píng)估，分別得到了兩種定子鐵心結(jié)構(gòu)前六階固有模態(tài)振型。結(jié)果表明，兩種定子結(jié)構(gòu)均存在兩個(gè)頻率接近的固有頻率，其振型的振動(dòng)方向是反向的，此兩種振型可轉(zhuǎn)化成一個(gè)模態(tài)；通過外接正12邊行結(jié)構(gòu)，改變了定子鐵軛的形狀，提高了定子鐵心的固有頻率，前六階固有頻率分別提高47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%，改進(jìn)后的定子鐵心結(jié)構(gòu)能有效降低因共振而引起的電磁振動(dòng)與噪聲。

新能源汽車；開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；模態(tài)分析；振型；固有頻率

通常將鉛酸或鋰電池作為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電源，受到電池容量的影響，若要增加新能源汽車的續(xù)航能力，則需配備節(jié)能、高效的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)[1-3]。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（switched reluctance motor, SRM）為目前發(fā)展較為迅速且高效的一類新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)。SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有功率密度高的特點(diǎn)： ①減小了電動(dòng)機(jī)的重量及體積，進(jìn)而節(jié)省新能源汽車的有效空間；②SRM可控參數(shù)多，具有優(yōu)異的調(diào)速特性，尤其適用于頻繁起停場合；③SRM能在較寬功率區(qū)間及轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)高效運(yùn)行，能有效提高新能源汽車的續(xù)航行駛里程[4-7]。但SRM電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，在特定頻率下會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，使得SRM振動(dòng)及噪聲問題較為突出，因此如何降低及控制SRM的振動(dòng)和噪聲是目前SRM設(shè)計(jì)過程當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)[8-9]。

電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲一方面與氣隙磁場中電磁力波頻率及幅值有關(guān)，另一方面還與電動(dòng)機(jī)自身固有頻率有關(guān)。電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲是因?yàn)閺较螂姶帕Σl率與電動(dòng)機(jī)固有頻率相接近，從而引發(fā)共振現(xiàn)象[10]。為了降低電動(dòng)機(jī)振動(dòng)及噪聲應(yīng)使這兩者頻率錯(cuò)開以防發(fā)生共振，因此研究電動(dòng)機(jī)的固有頻率特性對減弱電磁振動(dòng)與噪聲具有十分重要的意義。文獻(xiàn)[11]提出在轉(zhuǎn)子齒部位置開孔以改變磁力線的走向，從而有效控制了電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)問題。文獻(xiàn)[12]采用電流整流器（CSR）作為輸入級(jí)的兩極功率變換器，降低了SRM的振動(dòng)。文獻(xiàn)[13]通過對不同定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了電動(dòng)機(jī)其固有頻率，同時(shí)將這一結(jié)果和瞬態(tài)場下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)[14]采取對轉(zhuǎn)子齒部位置開槽的方法控制了電動(dòng)機(jī)的徑向力波。

本文以一臺(tái)三相12/8極SRM為對象，首先利用有限元方法對其進(jìn)行了固有頻率計(jì)算；為提高電動(dòng)機(jī)的固有頻率，降低SRM因振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。考慮在原有定子鐵心的基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，定子外圓環(huán)外接正12邊行，對比分析了兩種定子鐵心結(jié)構(gòu)其固有頻率分布。

1 有限元模態(tài)分析

1.1 振型求解理論

求解固有頻率振型通常有解析解法及能量法。解析解法將求解模型等效為電路形式進(jìn)行計(jì)算，但其計(jì)算精度較低；能量法克服了精度低的問題，包含有限元分析方法及傅里葉級(jí)數(shù)求解法。前者不但能對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，將各階振型結(jié)果提供給用戶參考，而且精度較后者也更高。因此，工程實(shí)際中通常采取有限元方法進(jìn)行模態(tài)振型求解。

在有限元計(jì)算中，系統(tǒng)的動(dòng)能及勢能分別為

1.2 有限元模態(tài)計(jì)算分析理論

借助有限元分析方法做模態(tài)分析本質(zhì)上是對相關(guān)矩陣求解特征值及特征向量，借助數(shù)值求解方法求解出相關(guān)部件的振動(dòng)特征，最終獲得部件其振型及固有頻率，具體步驟如下。

首先在網(wǎng)格生成后任意取一單元，根據(jù)拉格朗日函數(shù)可以得到

根據(jù)線性方程組具有無窮多解的充分必要條件，即

對于電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲，通常只分析定子鐵心的徑向振動(dòng)狀態(tài)，軸向振動(dòng)情況不予考慮[15]。并且只考慮低階徑向振動(dòng)的固有模態(tài)。定子鐵心低階徑向模態(tài)振型如圖1所示。

圖1 定子低階徑向模態(tài)振型

1.3 有限元模態(tài)分析模型

實(shí)驗(yàn)采用的三相SRM樣機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1，額定轉(zhuǎn)速為3450r/min。

表1 SRM樣機(jī)參數(shù)

定子鐵心是牌號(hào)為DW360_50硅鋼材料疊壓而成，物理特性見表2。

表2 DW360_50硅鋼材料物理特性

2 定子鐵心模態(tài)計(jì)算

2.1 傳統(tǒng)定子鐵心模型

根據(jù)SRM樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)，在Workbench中建立定子鐵心及有限元模型如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)定子鐵心及有限元模型

因?yàn)榈碗A次的模態(tài)其固有頻率偏低，但幅值較大，容易引發(fā)電動(dòng)機(jī)共振現(xiàn)象，高階次的模態(tài)固有頻率偏高，很難對電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生激振現(xiàn)象，所以通常對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析主要是考慮前六階振型。傳統(tǒng)定子結(jié)構(gòu)的SRM樣機(jī)前六階振型位移結(jié)果見圖3所示，其中位移量均以毫米為單位。

圖3 傳統(tǒng)定子鐵心前六階振型位移云圖

2.2 改進(jìn)后定子鐵心模型

增加電動(dòng)機(jī)定子鐵心的固有頻率可以有效減弱SRM的振動(dòng)與噪聲，一方面可以考慮改變定子軛部的形狀，另一方面可以考慮對電動(dòng)機(jī)殼體進(jìn)行優(yōu)化，通過這些方法來防止SRM徑向力波的頻率靠近定子鐵心其固有頻率，從而導(dǎo)致共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

本文提出一種改進(jìn)的SRM定子新結(jié)構(gòu)，在原有SRM圓形定子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采取外接正12邊行的結(jié)構(gòu)，將所有的定子齒均布在12條邊中部，這部分鐵心軛厚度保持不變，增加了12邊形角落部位的鐵軛厚度，改進(jìn)后的鐵心結(jié)構(gòu)如圖4所示。在Workbench中建立定子鐵心及有限元模型如圖5 所示。

圖4 改進(jìn)后的鐵心結(jié)構(gòu)

圖5 改進(jìn)后定子鐵心及有限元模型

改進(jìn)后定子結(jié)構(gòu)的SRM樣機(jī)前六階振型位移結(jié)果如圖6所示，其中位移量均以毫米為單位。

3 結(jié)果分析

將兩種定子鐵心結(jié)構(gòu)前六階振型所得固有頻率進(jìn)行比較，得到表3所示結(jié)果。

表3 兩種定子鐵心固有頻率

從表3可知，無論是傳統(tǒng)定子結(jié)構(gòu)或是改進(jìn)后的定子新結(jié)構(gòu)，總是存在兩個(gè)較為接近的固有頻率，但結(jié)合圖3及圖6可知，雖然這兩個(gè)固有頻率近似相等，但是振型的振動(dòng)方向卻是反向的。改進(jìn)后的定子鐵心結(jié)構(gòu)從1階到6階模態(tài)其固有頻率分別被提高了47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%。

4 結(jié)論

本文以三相12/8極SRM為研究對象，采用有限元分析方法對SRM定子鐵心分別采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行了分析，得到以下 結(jié)論：

1）無論是傳統(tǒng)定子結(jié)構(gòu)還是改進(jìn)后的定子鐵心結(jié)構(gòu)，總是存在兩個(gè)接近的固有頻率，此兩個(gè)固有頻率所對應(yīng)振型的振動(dòng)方向?yàn)榉聪驙顟B(tài)，但定子鐵心呈對稱結(jié)構(gòu)，因此可將這兩種模態(tài)轉(zhuǎn)變成一個(gè) 模態(tài)。

2）相比傳統(tǒng)定子結(jié)構(gòu)而言，改進(jìn)后的定子鐵心結(jié)構(gòu)定子外圓環(huán)外接正12邊行，改變了定子鐵軛部位的形狀，使得12邊形角落位置的軛厚得到增加，提高了定子鐵心的固有頻率，其1階到6階固有頻率分別提高47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%，改進(jìn)后的定子鐵心結(jié)構(gòu)能有效降低因共振而引起的電磁振動(dòng)與噪聲，為開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

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The revised stator core structure of switched reluctance motor on new energy vehicles

Lai Zhongrong1Zeng Youfei2

(1. Jiangxi Environmental Engineering Vocational College, Ganzhou, Jiangxi 341000;2. School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000)

Aiming at the characteristics of large torque ripple and obvious vibration and noise of switched reluctance motor (SRM), a new stator structure with an improved regular 12-edge row is proposed. The finite element method was used to evaluate the natural frequency of a three-phase 12/8-pole SRM, and the first six intrinsic mode shapes of two kinds of stator core structures were obtained respectively. The results show that there are two natural frequency frequencies close to each other in the two stator structures. The vibration modes of the two modes are opposite. These two modes can be transformed into one mode; the stator is changed by externally circumscribing the regular 12-edge structure. The shape of the iron yoke improves the natural frequency of the stator core. The first six natural frequencies increase by 47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、and 28.03% respectively. The improved stator core structure can effectively reduce electromagnetic vibration and noise cause by the resonance.

new energy vehicles; switched reluctance motor; modal analysis; mode of vibration; natural frequency

2018-06-12

賴仲蓉（1965-），女，江西贛州人，本科，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51767008）

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20171BAB206043）