轉子結構對軸向磁通開關磁阻電機的影響分析

彭 兵，連厚宇

(沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870)

0 引 言

軸向磁通開關磁阻電機(以下簡稱AFSRM)結合了開關磁阻電機(以下簡稱SRM)和軸向磁通電機的雙重優點，結構簡單，成本低廉，適合工作環境惡劣、安裝空間存在一定限制的場合[1-3]。與徑向磁通SRM相比，AFSRM的轉子結構較為特殊，在設計AFSRM轉子時，既要保證其具有良好的電磁性能，還要方便加工和制造。研究轉子結構對電機性能的影響尤為必要。

關于徑向磁通SRM的研究已取得了豐碩的成果。文獻[4]設計了6/4極徑向磁通SRM，通過有限元仿真校驗了電機性能，并對電機主要結構參數進行了優化，得到最優結果，但只局限于電機的理想模型，未考慮到工程應用中的問題。文獻[5]建立了SRM的數學模型，并通過仿真分析了開通角和關斷角對轉矩脈動及電機效率的影響，并以轉矩脈動最小化和功率最大化為目標對電機開關角進行了優化，但只是從電機驅動系統出發對電機進行優化。文獻[6]將帶極靴的T形轉子齒應用到SRM轉子結構中，增加了切向力，減小了徑向力，通過參數優化減小了電機的轉矩脈動。

AFSRM也引起了部分研究人員的注意，文獻[7]設計了新型12/10極AFSRM，定子磁極包括勵磁磁極和輔助磁極，與相同尺寸的傳統開關磁阻電機相比，減少了銅用量，提高了輸出轉矩，但由于特殊的定子磁極結構，在加工中比較困難，增加了生產成本。文獻[8]設計了C形定子結構AFSRM，獨立的C形定子有更多的繞組空間和良好的散熱性，能夠獲得更高的功率密度和轉矩。文獻[9]設計了雙定子AFSRM，并將定子極改為梯形結構，增加了從定子流向轉子的磁通量，增加了輸出轉矩。文獻[10]應用數學模型分析了一臺3.7 kW雙轉子AFSRM，對仿真模型的計算結果與有限元分析結果進行比較后，發現它們在電流、磁鏈和轉矩特性方面基本一致，從而驗證了所提方法計算精度的有效性。文獻[11]設計了齒軛分離的AFSRM，并將有取向硅鋼材料應用到定轉子齒中，提升了轉矩密度，降低了電機鐵耗，但在生產加工時，需要將有取向硅鋼片切割成數塊粘在定子盤上，對加工工藝要求較高，同時也增加了生產成本。

本文基于理想模型設計了一臺三相48/32極雙定子AFSRM，主要研究了定、轉子極弧系數和轉子厚度對電機性能的影響；考慮到電機轉子的固定問題，引入帶有凸臺的轉子結構，并研究不同凸臺厚度和凸臺寬度對電機性能的影響；最后對比了有凸臺轉子結構和無凸臺轉子結構電機的性能。

1 AFSRM設計

1.1 理想模型電機

雙定子AFSRM理想模型如圖1(a)所示，AFSRM主要由兩個定子盤和一個轉子盤組成，每個定子盤有48個定子齒，轉子盤中嵌著32個轉子塊；電機定子采用平行槽的結構，如圖1(b)所示，其中hs為定子軛厚，ds為定子槽深，βs為定子極弧，τs為定子極間弧長；電機轉子采用等極弧結構，如圖1(c)所示，其中hr為轉子厚度，βr為轉子極弧，τr為轉子極間弧長。

圖1 理想模型電機

1.2 理想模型電機設計

在AFSRM理想模型的設計中，主要考慮到定、轉子極弧系數和轉子厚度對電機的性能影響。

1.2.1 定子極弧系數對電機性能影響

電機定、轉子極弧需要滿足的必要條件：

式中：q為電機相數；Nr為轉子極數。

定子極弧系數αs可由下式表示：

轉子極弧系數αr可由下式表示：

根據式(1)和式(3)，將αr確定在0.4，其他結構參數不變，只改變αs，對不同αs下的電機模型進行有限元仿真分析。平均轉矩、轉矩波動系數和αs的關系如圖2所示，其中轉矩波動系數KT定義：

式中：Tmax為最大轉矩；Tmin為最小轉矩；Tavg為平均轉矩。

圖2 平均轉矩、轉矩波動系數和αs的關系圖

由圖2可知，隨著αs的增大，平均轉矩和轉矩波動系數逐漸減小。這是由于當αs過大時，不對齊位置處定子和轉子的重疊長度過大，導致最小電感值上升，輸出轉矩降低。在獲得較大的平均轉矩的同時，還要保證轉矩波動系數不能太大，綜合考慮，最終選擇αs為0.52。

1.2.2 轉子極弧系數對電機性能影響

在保證αs為0.52不變的前提下，對不同αr下的電機模型進行有限元仿真，電機平均轉矩、轉矩波動系數和αr的關系如圖3所示。

由圖3可知，隨著αr的增大，平均轉矩和轉矩波動系數都逐漸減小，且轉矩波動系數下降的趨勢從0.4開始變緩。這與定子極弧系數類似，隨著αr的增加，不對齊位置處定子和轉子的重疊長度逐漸增加，導致最小電感值上升，轉矩降低。綜合考慮，選擇αr為0.4，此時平均轉矩較大，轉矩波動系數較小。

圖3 平均轉矩、轉矩波動系數和αr的關系圖

1.2.3 轉子厚度對電機性能影響

在選擇了最佳αs和αr后，研究電機轉子整體厚度hr對電機性能的影響。將hr作為變量，其他結構參數不變，對電機進行仿真分析。

圖4為平均轉矩、轉矩波動系數和hr的關系圖。從圖4中可以看出，隨著hr的增大，平均轉矩逐漸增大，在hr為26mm時達到最大值，然后逐漸減小。隨著轉子厚度的增加，轉矩波動系數逐漸減小，在hr為26mm后減小的趨勢變緩。綜上所述，選擇hr為26mm。

圖4 平均轉矩、轉矩波動系數和hr的關系圖

1.3 理想模型電機結構參數

基于以上的參數設計，理想模型電機的結構參數如表1所示。

表1 AFSRM理想模型結構參數

2 轉子結構對電機性能的影響

2.1 轉子凸臺結構

為了使轉子結構便于加工和安裝，在轉子的兩側加入對稱的凸臺結構，并通過兩塊軸向對稱的轉子盤將32個轉子塊沿圓周方向壓緊，其三維結構如圖5所示。其中hr為轉子厚度，h1為轉子凸臺厚度，s1為轉子凸臺寬度。

圖5 轉子凸臺結構

2.2 轉子凸臺厚度h1對電機性能影響

參考其他類型電機的結構，固定s1為2mm，研究轉子凸臺厚度h1對電機性能的影響。在保證其他結構參數不變的前提下，只改變電機轉子凸臺厚度h1的值，對電機進行仿真分析。

圖6為平均轉矩、轉矩波動系數和h1的關系圖。由圖6可知，當h1超過14mm后電機轉矩開始逐漸減小，這是因為當h1過大時，會增加電機的轉子極弧，進而導致電機輸出轉矩降低。轉矩波動系數在h1為12mm時最小。綜合考慮，選擇h1為12mm。

2.3 轉子凸臺寬度s1對電機性能影響

在確定了h1為12mm后，研究轉子凸臺寬度s1對電機性能的影響。圖7為平均轉矩、轉矩波動系數和s1的關系圖。從圖7可以看出，當s1為2.75mm時，平均轉矩最小為830N·m；當s1為3.25mm時，平均轉矩最大為865N·m；當s1為3.5mm時，轉矩波動系數最小為0.88，此時電機平均轉矩為860N·m。綜合考慮，選擇s1為3.5mm，此時電機平均轉矩較大，轉矩波動最小。

3 電機有限元仿真分析

將不同轉子結構的電機模型進行仿真對比，得到轉矩、電流、磁密的對比圖。圖8為有凸臺轉子結構電機和無凸臺轉子結構電機轉矩波形對比圖。有凸臺轉子結構的電機平均轉矩為840N·m，無凸臺轉子結構的電機平均轉矩710N·m，兩者相比，有凸臺轉子結構的電機轉矩增加了130N·m，但轉矩波動較大。

圖8 電機轉矩波形

圖9為有凸臺轉子結構電機和無凸臺轉子結構電機電流波形對比圖。無凸臺轉子結構的電機電流平均值為36.8A。有凸臺轉子結構的電機電流平均值為40.4A，和無凸臺轉子結構相比電流平均值增加了3.6A。

圖9 電機電流波形

圖10為有凸臺轉子結構電機和無凸臺轉子結構電機磁密云圖。無凸臺轉子結構的電機磁密基本處在1.5T左右，而有凸臺轉子結構的電機磁密在1.7T左右，相較于無凸臺轉子結構的電機磁密提高了約0.2T。

圖10 電機磁密云圖

4 結 語

本文基于AFSRM的工程問題，將凸臺結構引入電機轉子中，并研究了不同結構參數對電機性能的影響。主要結論如下：

(1)電機定子極弧系數αs和轉子極弧系數αr越大，電機平均轉矩和轉矩波動系數越小。當αs為0.52，αr為0.4時，電機能夠獲得較大的平均轉矩和較小的轉矩波動系數。

(2)隨著轉子厚度hr的增加，轉矩波動系數逐漸減小。當hr為26mm時，平均轉矩達到最大。

(3)當電機凸臺厚度h1超過14mm后，電機輸出轉矩逐漸降低，且當h1為12mm時，轉矩波動系數最??；當電機凸臺寬度s1為3.5mm時，輸出平均轉矩較大，轉矩波動最小。

(4)通過對比仿真無凸臺轉子結構的電機和有凸臺轉子結構的電機發現，有凸臺轉子結構的電機能夠獲得更大輸出轉矩和電流，磁密也有所增加。根據仿真結果，有凸臺轉子結構的電機平均轉矩相較于無凸臺轉子結構的電機提高了130N·m，電流平均值增加了3.6A，磁密提高了約0.2T。