开关磁阻电机振动分析

邢正坤，宋桂英

(河北工业大学，天津300130)

0 引言

随着社会的进步和科学技术的不断发展，对电机性能的要求也越来越高，如何降低电机振动和噪声成为生产厂商面临的大问题，因此降低振动的技术研究得到了设计者的重视。通过大量的试验和研究分析，设计者一致认为SR 电机引起电磁振动的因素主要是作用于定子上的径向电磁力和SR 电机明显的转矩脉动。SR 电机内部径向电磁力和转矩脉动的产生比较复杂，受多种因素影响(如电机尺寸结构、控制方法等)［1～2］。

开关磁阻电机(SR 电机)的电磁振动主要是由定子的径向振动引起，随着转子位置的变化和电流的通断，定子铁心受到径向电磁力作用。换相时转矩脉动也是产生振动的主要因素之一。目前电磁振动和转矩脉动抑制的研究多集中在控制方法。如迭代学习控制技术［3］、直接转矩控制［4］、神经网络控制技术［5］可改变输出电流的波形，使SR 电机的转矩变得平稳光滑。电流双幅值斩波控制方式，低速时可有效降低转矩脉动和噪声［6］。这些基于控制的方法提高了控制器和控制方法的复杂性，增加了电机的成本。近年来本体研究也得到众多专家重视，文献［7-8］主要通过改进定子和转子的结构减小转矩脉动。文献［9］则针对SR 电机的振动和噪声的缺点优化定、转子的结构，对定子模态和固有频率研究了开关磁阻电机定子结构对电磁振动和噪声的影响［10］。本文主要从电机本体结构改变定转子结构抑制转矩脉动和电磁振动。通过改变定转子表面磁密方向，削弱定转子表面的径向磁密，从而削弱径向力波，减小电机的电磁振动。

1 SR 电机本体设计

定子、转子外径以及定子齿和槽的形状等参数对SR 电机的转矩波动和噪声等有重要影响。SR 电机噪声主要是径向电磁引力引起定子变形产生。当定子极和转子极重合时产生径向电磁力最大，所以减小定子极和转子极的重合面积，就能减小径向电磁力。

1.1 电机参数

本文所选SR 电机，共三相12/8 极，额定功率2.2kW，额定电压为280V，额定转速为3000r/min，其主要参数如表1 所示。

根据Ansoft Maxwell 建立电机的二维模型图，图1(a)、图1(b)两种本体设计结构，图1(c)为传统电机结构。

图1 开关磁阻电机的几何模型

1.2 径向磁密对比

模型经过分配材料、添加载荷及边界条件、网格剖分及求解参数设置等，经软件分析自检后进行求解。在某时刻气隙磁密的径向分量沿圆周方向四个定子极距内的分布如图2 所示。相比传统电机，定子结构和转子新结构径向磁密有所减小。

图2 气隙径向磁密

图3 定子结构径向磁密FFT 分解

图4 转子结构径向磁密FFT 分解

图5 传统模型径向磁密FFT 分解

1.3 径向电磁力和转矩对比

基于麦克斯韦应力张量法，把体积力替换为等效磁张力(面积力)可求出单位面积上的电磁

对径向磁密进行谐波分析如图3、图4、图5所示。传统电机径向磁密的谐波相比定子结构和转子结构要大，说明传统电机径向磁密谐波较大，更容易产生振动。力它的径向力分量为

表1 SR 电机基本参数

式中，Fr—径向电磁力(Pa或N/m2);Ft—径向电磁力(Pa或N/m2);Br—径向磁通密度(T);Bt—周向磁通密(T);μ0—真空磁导率。

SR 电机的转矩脉动和径向力是其振动的主要原因，径向电磁力见图6，转矩对比见图7。

图6 径向电磁力波形图

图7 转矩对比图

由图2、图6 可以观察发现径向磁密大的地方径向电磁力也相对较大，传统电机的径向力相对较大，定子结构和转子结构径向力相对较小，对电机的振动影响也相对较小。通过图7 转矩对比可知，定子新结构和转子新结构的转矩脉动相比传统电机要小一些，能有效降低振动，转子新结构和传统电机转矩出力相差无几，但定子新结构中转矩出力相对小一些。磁场分布电磁力线对比图见图8，磁密矢量对比图见图9。

图8 磁场分布图

图9 磁通密度矢量图

从图8 磁场分布观察，传动电机磁场电磁力线小于转子结构小于定子结构，图9 磁通密度矢量图可知转子新结构大于传统电机和定子新结构，定子新结构和传统电机相差不大。结果表明采用新型定子结构和新型转子结构有利于改善电机的振动。

2 基于Ansys Workbench 软件的开关磁阻电机瞬态结构分析

大量研究表明开关磁阻电动机的噪声主要是电磁噪声，有时电磁噪声可以占到整个噪声的95%。导致电磁噪声振动的主要因数是电磁力波和转矩波动，电磁力的影响最为突出，本文通过Ansoft 算出电磁力密度，通过Ansys Workbench 自动实现电磁力密度耦合到定子结构，观察定子的变形受力情况，预测定子振动。

2.1 定子振动分析

SR 电机是双凸极结构的电机，电磁力作用在电机转子上，一方面可以分解成沿电机转子旋转切线方向上的驱动力，这个力的作用结果就是电机的转矩;另一方面可以分解成沿电机径向方向上的径向力，径向力会导致定转子铁心和机壳周期性形变。因为电机的转子是实心刚体，径向力的影响很小;定子是一个壳体，径向力的作用会使定子发生形变振动。作用在定子极附近的径向力大于其他部位受到的径向力，同时径向力在数值上是远远大于转子切线方向上的驱动力，所以在此只分析定子上的受力以及形变。

本文选用SR 电机其定子外径为120mm，定子内径为69.8mm，定子材料硅钢片，定子材料的参数如表2 所示。

表2 材料属性表

2.2 加载及求解

通过Ansoft 求解出定子的电磁力密度，利用Ansys Workbench 与Ansoft 实现自动加载，Ansoft为2D 模型可以自动耦合到Ansys Workbench 为3D 模型。把电磁力密度自动耦合到定子，观察定子的瞬态结构变化。如图10 为0.006s 时刻电磁力密度加载图。

图10 电磁力密度加载

电磁力加载后，观察求解定子上总的应力变化云图如图11 所示。

图11 定子总的应力云图

由图10、图11 可知，相比新型结构，传统电机电磁力密度的加载相对较大，传统定子上总的应力变化云图相对较大，新型定子结构的总的应力云图相对较小。可以推测传统电机的振动相对于新型电机振动较大。通过电磁力密度和定子结构的耦合结果可以得到，新型定子结构和转子结构能够改善电机的振动特性。

3 结语

本文提出了一种新定子结构和新转子结构，可以有效减小电机的电磁振动，通过有限元仿真分析如下结论

(1)新型定子结构和新型转子结构相比传统电机径向磁密有所降低，径向磁密的谐波相比传统电机相对较小，径向力相比传统电机有所减小，对电机转矩脉动进行对比，结果表明新型电机结构转矩脉动有明显改善，验证了新结构对降低开关磁阻电机的径向力波和转矩脉动。振动特性有所改善。

(2)通过电磁力密度和结构的耦合，对比新型定子结构和转子结构与传统电机的应力变形云图，可以得知，新型电机结构振动有明显改善，对电机的结构优化具有指导意义。

(3)本文实质上是通过改变定、转子齿形来改变转子齿表面气隙磁密的方向，从而改变径向磁密和径向电磁力的目的，此方法制造和改造成本低，易于实现，具有良好的工程实际意义。

［1］ 詹琼华.开关磁阻电动机［M］.湖北:华中理工大学出版社，1992:1-14.

［2］ 吴建华.开关磁阻电机的设计与应用［M］.北京:机械工业出版社，2000:4-15.

［3］ 黄海红，王海欣，张志全，等.迭代学习控制减小开关磁阻电机转矩脉动［J］.电气应用，2006，25(7).

［4］ Inderka R B，Doncker D.DITC-direct instantaneous torque control of switched reluctance driver［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(4):1046-1051.

［5］ 丁文，周会军，鱼振民.开关磁阻电机转矩脉动的智能抑制研究［J］.微电机，2006，39(3).

［6］ 王旭东，王喜莲，王炎.开关磁阻电动机电流双幅值斩波控制［J］.中国电机工程学报，2000，20(4):83-86.

［7］ 欧阳斌，刘德志，翟小飞.斜槽电机中绕组电感参数的解析计算方法［J］.中国电机工程学报，2011，31(15):69-74.

［8］ 于庆广，杨玉岗.开关磁阻电机新型定子极性及其电磁关系仿真研究［J］.系统仿真学报，2001，13(6):798-801.

［9］ Guangjin Li，Javier Ojeda，Sami Hlioui，Emmanuel Hoang，Michel Lecrivain，and Mohamed Gabsi，Modification in Rotor Pole Geometry of Mutually Coupled Switched Reluctance Machine for Torque Ripple Mitigating，IEEE Transactions on magnetic，VOL.48，NO.6，JUNE 2012.

［10］ 孙剑波，詹琼华，黄进.开关磁阻电机的定子振动模态分析［J］.中国电机工程学报，2005，25(22):148-152.