開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張向龍，楊燕翔，王 軍，范鎮(zhèn)南，劉占千

(西華大學(xué)，成都 610039)

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張向龍，楊燕翔，王 軍，范鎮(zhèn)南，劉占千

(西華大學(xué)，成都 610039)

開關(guān)磁阻電機由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜和在惡劣環(huán)境下可靠性高等優(yōu)點，已成為工業(yè)應(yīng)用中的一種新型電機。在分析國內(nèi)外開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，較詳細地闡述了該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，并對其未來發(fā)展方向進行了探討與展望。

開關(guān)磁阻電機；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；發(fā)展動態(tài)

0 引 言

作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、起動轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點在石油、航空、電動汽車等領(lǐng)域得到了發(fā)展和廣泛應(yīng)用。然而這種電機自身存在轉(zhuǎn)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(yīng)用造成了不利的影響。長期以來，為了進一步提高開關(guān)磁阻電機的各項性能，國內(nèi)外研究者對開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開展了廣泛、系統(tǒng)和深入地研究工作，取得了一些具有建設(shè)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(lǐng)域研究動態(tài)，更有助于優(yōu)化該領(lǐng)域發(fā)展思路。

鑒于此，本文在收集國內(nèi)外開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化文獻的基礎(chǔ)上，對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向進行了較為全面系統(tǒng)的探討、分析與展望，以求能夠為開關(guān)磁阻電機設(shè)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(guān)磁阻電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

開關(guān)磁阻電機理論體系和計算電磁學(xué)的不斷發(fā)展為電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，以國外的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、利茲大學(xué)、東京理科大學(xué)，國內(nèi)的南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)為代表的科研機構(gòu)，提出了許多新型開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)來改善其性能，基本可以概括為3個方面：定子繞線方式優(yōu)化、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、勵磁方式優(yōu)化。

1.1 定子繞線方式優(yōu)化

繞組的連接方式直接影響到開關(guān)磁阻電機內(nèi)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(jù)相對極磁場的方向又可以分為正向串聯(lián)和反向串聯(lián)。單相通電時，相應(yīng)磁場分布如圖1、圖2所示。文獻[4]分析了繞組正向串聯(lián)和反向串聯(lián)時自感、互感、磁場分布等存在的差異，特別對于反向串聯(lián)的三相開關(guān)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(yōu)化提供了參考。傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機多采用短距繞組，由式(2)中可知，轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要依賴于繞組自感的變化。

圖1 正向串聯(lián)磁場分布圖2 反向串聯(lián)磁場分布

短距繞組時，電流只能在電感上升階段導(dǎo)通，因此每相繞組最大導(dǎo)通時間為1/3通電周期。文獻[5-8]將靜態(tài)有限元分析引入了開關(guān)磁阻電機繞組分析，研究了整距繞組時相電流導(dǎo)通情況。采用整距繞組時，轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要依賴于兩相之間的互感，轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dāng)轉(zhuǎn)子處于電感下降區(qū)時，對繞組通以負向電流，如此在電感下降區(qū)域也可以產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，擴大了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的區(qū)間。文獻[9]對比分析了短距繞組和整距繞組對轉(zhuǎn)矩脈動的影響；文章中對電機施以轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制進行了穩(wěn)態(tài)分析，表明在低速時整距繞組對轉(zhuǎn)矩脈動抑制有較大優(yōu)勢。

1.2 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進可以改善電機內(nèi)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)。前者在轉(zhuǎn)子齒和軛中加入空氣氣隙，后者在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)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(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)和圖3(b)所示。邊緣磁通是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動的一個重要原因，它產(chǎn)生于定轉(zhuǎn)子重疊前。文獻[12]中通過在轉(zhuǎn)子齒一側(cè)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(zhuǎn)矩脈動，其結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，顯然此結(jié)構(gòu)只適合于電機單方向轉(zhuǎn)動。文獻[13]提出了一種氣隙寬度不均勻的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使氣隙沿著電機旋轉(zhuǎn)(假定逆時針)方向越來越窄，如圖3(d)所示，仿真結(jié)果表明該方法能夠有效的減小轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[14]將矩形轉(zhuǎn)子齒和梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)進行了有限元對比分析，結(jié)果表明梯形轉(zhuǎn)子齒可以產(chǎn)生更大的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。文獻[15]采用了一種新型定轉(zhuǎn)子極末端形狀，如圖3(e)所示，該結(jié)構(gòu)可以增大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線在上升階段的斜率，從而提高換相時兩相轉(zhuǎn)矩交叉點，降低了換相時的轉(zhuǎn)矩跌落，成功地抑制了電機的轉(zhuǎn)矩脈動，而且提高了平均轉(zhuǎn)矩。文獻[16-17]將永磁電機中成功應(yīng)用的雙定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)引入到開關(guān)磁阻電機中。其中文獻[16]提出將兩個6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機并行連接在一起，其中一個電機的轉(zhuǎn)子相對于另一個有30°的位置偏移，從而使一個轉(zhuǎn)子處于完全對齊狀態(tài)時，另一個轉(zhuǎn)子處于剛對齊的狀態(tài)。同兩個轉(zhuǎn)子位置沒有偏移時相比，該結(jié)構(gòu)可減小20%左右的轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[17]在傳統(tǒng)雙機械輸出口電機的基礎(chǔ)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(nèi)、外轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩分配，實現(xiàn)內(nèi)外轉(zhuǎn)子輸出功率的調(diào)節(jié)。

(a)帶氣隙的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(b)轉(zhuǎn)子兩側(cè)開槽結(jié)構(gòu)

(c)V型槽口轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(d)傾斜的定子極面結(jié)構(gòu)

(e) 新型定、轉(zhuǎn)子極末端形狀

1.3 勵磁方式的優(yōu)化

混合勵磁開關(guān)磁阻電機不僅繼承了開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點，而且可以更加有效的調(diào)節(jié)和控制氣隙磁場，因此也成為開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的一個趨勢。

混合勵磁開關(guān)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(jié)構(gòu)如圖4所示。電機中永磁體采用鐵氧體，通過調(diào)節(jié)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(guān)磁阻電機，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。定子軛設(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，電機體積得到了有效的減小。該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在定子勵磁中并聯(lián)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(zhuǎn)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(chǎn)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(guān)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(tǒng)開關(guān)磁阻電機。

圖4 首次提出的雙凸極永磁電機結(jié)構(gòu)圖5 帶輔助繞組和永磁體的新型結(jié)構(gòu)

2 開關(guān)磁阻電機電磁場逆問題優(yōu)化

隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，新型智能算法在電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用越來越廣泛。將智能優(yōu)化算法和電磁場正問題相結(jié)合，構(gòu)成電磁場逆問題應(yīng)用在開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化中成為一個重要的優(yōu)化方向。電磁場逆問題是根據(jù)給定的電機性能要求，求解電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在文獻[21]中將單位體積出力的比功作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

(2)

式中：f(X)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，Da為轉(zhuǎn)子外徑，la為鐵心長度，P為輸出功率。取定轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑和極弧寬度等8個變量參數(shù)，用遺傳算法進行最優(yōu)求解，并在求解過程中考慮了開通角系數(shù)和關(guān)斷角系數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響。文獻[22]采用了多目標(biāo)函數(shù)，用遺傳算法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，在保證輸出轉(zhuǎn)矩較大的同時減小了轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化求解，并對優(yōu)化結(jié)果進行了對比。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，文獻[24]首先通過有限元分析獲取了平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的相關(guān)敏感參數(shù)，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進行訓(xùn)練，得到了較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，最后利用粒子群算法對平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動進行共同優(yōu)化，得到了理想的優(yōu)化結(jié)果。文獻[25]將粒子群算法與文化算法相結(jié)合，構(gòu)建了文化粒子群優(yōu)化算法，實現(xiàn)了不同空間群體的并行優(yōu)化，提高了優(yōu)化精度與效率，并將其用于多目標(biāo)優(yōu)化，在有效提高電機效率的同時，大幅減小了轉(zhuǎn)矩脈動。

新型智能優(yōu)化算法為開關(guān)磁阻電機的優(yōu)化設(shè)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(yōu)化結(jié)果有很大的影響。如果N取得過小，則難以獲取全局最優(yōu)解；如果N取得過大，則會降低優(yōu)化效率。因此對算法本身結(jié)構(gòu)進行改進、將多種優(yōu)化算法結(jié)合應(yīng)用以及探索新的優(yōu)化策略，從而進一步提高優(yōu)化效率，將是該方向的工作重點。

3 發(fā)展動態(tài)展望

隨著開關(guān)磁阻電機的不斷發(fā)展，電機容量需求也逐漸變大，因此損耗發(fā)熱成為電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須要考慮的問題。采取必要的措施來降低損耗，抑制發(fā)熱，從而提高電機壽命也逐漸成為研究的熱點。目前，關(guān)于損耗的研究，大多集中于損耗的計算分析，如何通過優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)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(guān)磁阻電機單一性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法已經(jīng)很多，但是隨著優(yōu)化技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化正逐漸成為優(yōu)化發(fā)展的主要方向，例如將轉(zhuǎn)矩脈動的抑制和損耗的抑制作為一個整體來進行優(yōu)化。當(dāng)前人們已經(jīng)具備從綜合物理場(電磁場、溫度場、流速場、應(yīng)力場的等)的角度研究電機內(nèi)物理現(xiàn)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(guān)磁阻電機的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化將是未來研究的一個熱點。

開關(guān)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(yōu)化算法相結(jié)合，以求更加精確地求解電機參數(shù)，進一步提高優(yōu)化結(jié)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(fù)雜系統(tǒng)的計算要求[39]。隨著優(yōu)化算法效率的提高和電磁場計算方法的發(fā)展，電磁場逆問題在開關(guān)磁阻電機優(yōu)化中將越來越深入。

4 結(jié) 語

本文較詳盡地總結(jié)評述了當(dāng)前開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的情況，基本涵蓋了開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的主要方向，并對該電機未來優(yōu)化發(fā)展動向進行了總結(jié)分析，為該電機的進一步發(fā)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