基于新型转子结构的开关磁阻电机转矩脉动分析与优化

贾泽锦 王峰 孙盼盼 李娜

摘 要：为抑制开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）转矩脉动，提出了一种耳形转子结构，以一台1 500 r/min、7.5 kW的8/6极开关磁阻电机为例，通过建立有限元模型，对新型结构进行了验证与优化。结果表明，所提出的新型耳形结构能够有效抑制转矩脉动，同时对电机平均转矩影响较小。该新型转子结构和转矩脉动分析结果，可供开关磁阻电机结构优化参考，从而提升电机电磁性能并抑振降噪。

关键词：开关磁阻电机；转矩脉动抑制；转子结构改进；耳形结构设计

中图分类号：TM341    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0053-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.014

0    引言

电机是电动汽车三大组成部分之一，而开关磁阻电机结构简单、可频繁正反转、起动转矩大、适宜在很多恶劣的环境或场合中应用。由于定、转子均采用双凸极结构，因此其振动噪声比永磁电机和异步电机都要高，振动和噪声成为开关磁阻电机推广应用亟需优化的问题，故从其定、转子结构优化设计入手，进行转矩脉动抑制的研究工作很有必要[1-4]。从定、转子结构优化方面进行设计来抑制SRM转矩脉动的研究已经趋于成熟。Tao Wu等[5]通过在转子齿开孔的方式来降低转矩脉动。孙会琴等[6]通过对电机气隙进行分析，提出定子斜齿的设计方案，从而抑制了电机的转矩脉动。井立兵等[7]将传统转子平行齿两侧添加半椭圆形辅助铁芯改成鼓型齒结构，从而达到降低转矩脉动的目的，并通过优化开通角和关断角明显减小转矩脉动。邹声奇等[8]通过在定子磁极添加楔形角，从而减小转矩脉动。但通过设计转子极面结构，优化磁场分布，抑制转矩脉动的研究工作当前仍需进一步深入开展。

本文从开关磁阻电机转子磁极结构出发，研究了电机结构各个参数对平均转矩和转矩脉动的影响，提出一种在转子磁极两侧增加耳形倾角的电机结构，通过仿真分析了该耳形结构中的各参数对电机平均转矩及转矩脉动的影响规律，并对耳形结构参数进行了多目标约束寻优以获取转矩脉动较小同时平均转矩较大的参数值，最后，采用Maxwell仿真软件系统验证了结构设计方案的有效性。

1    开关磁阻电机有限元模型和参数

本文以额定功率7.5 kW、额定电压280 V、额定转速1 500 r/min、四相8/6极SRM为基础，利用软件Ansoft Maxwell建立模型，研究耳形结构对电机转矩脉动与平均转矩的影响。电机主要参数如表1所示。

根据表1所列出的开关磁阻驱动电机结构参数，通过Ansoft Maxwell有限元仿真软件建立电机的二维模型，具体如图1所示。

2    转矩脉动机理分析

2.1    开关磁阻电机的转矩脉动原因

在电机实际运行的过程中存在转矩脉动，从结构设计角度分析产生转矩脉动的主要原因为：边缘磁通效应和双凸极结构造成的励磁极、转子磁极磁路局部饱和，如图2所示。

2.2    转子齿形结构改进机理

开关磁阻电机双凸极结构导致定子、转子磁极在重合前会产生边缘磁通效应，边缘磁通使得电机的电流发生非线性变化，进一步导致磁链对转子位置角θ和相电流i具有非线性关系，电磁转矩也随之呈现非线性关系。

Te（i，θ）=（1）

式中：W′为磁共能；i1，i2，…，im为第1，2，…，m相绕组电流。

开关磁阻电机的磁场能量主要储存在气隙里，当转子位置角θ改变会引起定转子间气隙变化，而定、转子磁极开始进入重合区域时，气隙长度骤降，引起转矩值降低，在换相点处转矩值最小，导致合成转矩波动明显。通过分析，改善转矩脉动可以通过减小气隙的突变来进行，在转子磁极端部两侧加入耳形结构，能有效减缓气隙长度的变化，从而减小气隙磁场能量的突变。

根据开关磁阻电机单相导通时的线性模型，当电流i为固定值时，式（1）可以写为：

Te=（2）

W′=ψi=Li2（3）

式中：ψ为磁链；L为电感。

将式（3）代入式（2）得：

Te==（4）

式中：θc为导通角；Lmax和Lmin分别为最大电感和最小电感。

通过式（4）可以发现，将电流和导通角设定为某一固定值时，电感的变化量决定了电磁转矩的大小。电感L随磁阻Rm增大而减小。由于磁压降主要发生在电机的气隙中，因此，这里主要考虑气隙磁阻Rm=le/（μ0Ae），其中le为等效磁路长度；Ae为绕组截面积；μ0为空气磁导率，μ0=4π×10-7 H/m。

传统电机结构与本文所提电机结构在最小电感处的磁路模型如图3所示，转子侧增加耳形结构后，空气隙减小，等同于等效磁路长度减小，使得最小电感值增大。

两种电机结构在最大电感处的磁路模型如图4所示，可以看出，在最大电感位置时，由于加入了耳形结构，磁路方向发生了改变，致使部分磁路长度加大，同时漏磁增大，从而最大电感值减小。

由式（4）可知，在电流和导通角为恒值时，在转子侧添加耳形结构，电感值的变化量减小，电磁转矩也将随之降低。

3    耳形转子结构设计方案和参数设计

3.1    结构设计方案

通过以上对电磁转矩脉动机理的分析可知，可以通过改进定、转子结构来达到缓解双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱和的效果，因此本文提出了在传统开关磁阻电机转子齿两侧添加耳形结构，如图5所示。

这是一个转子磁极的左端部分，线AD以右的部分为转子磁极原型，封闭曲线ABCD组成的部分为新型结构。其中为半径为r的圆弧；为半径为R的半圆；为转子外径为半径的圆弧l，弧长为1 mm；直线L为AD间距离。采用该特殊结构的齿形尺寸约束完整并且表面光滑。

3.2    耳形结构参数优化设计

为量化转矩脉动的程度，引入转矩脉动系数k：

k=（5）

式中：Tmax为电机稳态运行时的最大转矩值；Tmin为稳态运行时的最小转矩值；Tav为稳态运行时的平均转矩值。

不同结构参数对转矩脉动抑制有不同效果。为确定合适的结构参数，基于电机原型的结构参数在Ansoft Maxwell中重新建立有限元模型，创建耳形结构，所提特殊耳形结构具有4个参数，分别是图5中AD段长度L、段圆弧半径r、段半圆半径R、段圆弧弧长l。为避免耳形结构过于扁平而强度不足，耳形角大小不宜过大，即该4个参数取值不宜过大。限定段圆弧弧长l为1 mm，段半圆半径R取值在0.5～1.5 mm，段圆弧半径r取值在1.3～2 mm，AD段长度L在3～4 mm范围内。

对新型结构进行多参数联合化仿真，得到耳形结构的不同参数对平均转矩和转矩脉动系数的影响曲线如图6所示。由仿真结果可知，耳形结构各个参数对SRM平均转矩和转矩脉动的影响规律和程度不同。位置参数L的影响相对较小，而尺寸参数R、r对平均转矩和转矩脉动均有明显影响。以上参数分析表明，合理选取耳形结构的参数，可以在保证平均转矩相对变化较小的同时有效降低转矩脉动。

根据耳形结构不同参数对转矩的影响规律，在Ansoft Maxwell中进行多参数的联合参数化分析，确定了耳形结构的尺寸参数R=1.0 mm、r=1.7 mm，位置参数L=3.5 mm。传统转子结构改进耳形转子结构的电机模型如图7所示。

4    仿真结果分析

本文建立了四相绕组的控制电路，电路类型为全电压，触发脉冲宽度设置为90°，控制方式为DC直流控制，控制端通过0、1脉冲控制驱动端四相开关的依次通断。定子、转子材料设置为DW540-50，定子每级匝数绕组72，摩擦损耗和风阻损耗均为12 W，对电机进行仿真分析。

优化后磁力线分布与磁密云图如图8所示，对比可知，在转子侧加入耳形结构后电机的边缘磁通效应、磁路局部饱和现象得到改善。

对优化后的耳形结构进行有限元瞬态仿真分析，并与传统结构仿真结果进行对比，如表2所示。可知，优化后平均转矩为17.12 N·m，保持在原来的89%以上；转矩脉动系数为原来的87.11%，下降了12.89个百分点；在所选的楔形结构参数附近，都具有较好的优化效果。

结构优化后转矩在瞬态场的输出曲线更平滑，转矩脉动的最大值降低的同时，最小值有所增大，从而有效减小了电机的转矩脉动。但是在转子两侧增加耳形结构电机的平均转矩也有所降低，如图9所示。

5    结论

本文通过分析产生转矩脉动的原因，提出了新的转子齿改进方案，采用多参数联合参数化分析优化了新提出的转子耳形结构尺寸，仿真验证了新型结构可以有效降低转矩脉动。主要研究结论如下：

1）在转子两侧增加耳形结构，通过减小最大电感、增大最小电感的方式，使得边缘磁通效应和磁路局部饱和有所缓解，降低了电机的转矩脉动。

2）采用多参数联合参数化分析确定了耳形结构尺寸，耳形转子结构的SRM转矩脉动得到有效抑制，然而平均转矩却有所下降。

3）本文提供的结构优化方法和相关磁场、转矩等仿真结果，可供类似开关磁阻电机的结构设计改进所借鉴。

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[6] 孫会琴，崔晨，韩佳炜，等.基于气隙变化的开关磁阻电机结构优化设计[J].微电机，2020，53（10）：5-10.

[7] 井立兵，成佳.开关磁阻电机转矩脉动优化研究[J].振动与冲击，2019，38（21）：120-125.

[8] 邹声奇，陈亮亮，伍家驹，等.开关磁阻电机结构优化设计及其三维图解法[J].科学技术与工程，2022，22（8）：3080-3086.

收稿日期：2023-10-10

作者简介：贾泽锦（1996—），男，山西长治人，硕士研究生，研究方向：新能源汽车电机驱动系统。

通信作者：王峰（1980—），男，河北石家庄人，博士，讲师，硕导，研究方向：新能源汽车电机驱动系统。

基金项目：天津市教委科研计划项目“开关磁阻电机的耦合振动建模方法和超谐响应”（2021KJ020）