基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机分析和设计
开关磁阻电机作为电力驱动系统中实现能量转换的一种部件,具有结构坚固、成本低廉、容错性能强、启动转矩高等优点。但与永磁同步电机相比,较低的转矩密度制约了开关磁阻电机的更广泛应用。本文以提高轴向磁通开关磁阻电机转矩密度、降低铁耗为主要目标展开了理论分析和优化设计,并通过样机实验对电机分析、设计结果进行了验证,主要研究工作及成果可以归纳为以下几方面:1.根据对电机用铁磁材料特性及其适用范围的详细比较,以及对轴向磁通开关磁阻电机结构特点的分析,提出了齿轭分离的模块化电机拓扑结构,在定、转子齿部选择晶粒有取向硅钢材料,利用其轧制方向上的高磁导率特点,使提出的模块化电机拓扑结构具有更高的功率密度。2.提出不同电机定子结构以提高晶粒有取向硅钢材料轧制方向上的利用率,减小磁通在该材料非轧制方向上的运行路径,改善电机定子齿、轭连接部的磁路分布,从而进一步提高晶粒有取向硅钢材料在轴向磁通开关磁阻电机应用的有效性。3.针对轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致的特点,利用准三维磁路法对轴向磁通电机展开径向分层研究,提高分析精度,确定初步电磁设计方案。在准三维磁路法分析的基础上,利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料模型的转子直径比、定子齿极弧、定子轭部轴向长度以及转子齿极弧等主要设计参数进行了优化分析和设计,研究结果表明:基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机电磁性能明显优于传统无取向材料电机。4.根据电磁仿真得到的电机损耗分布结果,进
行温度场有限元分析,确定电机在不同工作负荷下的运行温度点,进而设置环氧树脂玻璃布层压板转子护套在特定温度下的机械特性参数。利用简化Taguchi优化设计与有限元分析相结合的方法,对电机在不同故障条件下,轴向不平衡磁拉力造成的转子护套结构应力、变形问题进行分析;在满足电磁性能指标的前提下,得到电机结构优化参数。5.根据晶粒有取向硅钢材料特性,结合开关磁阻电机不同运行状态下的控制策略和各相绕组导通角的取值范围,提出了定、转子齿中有取向硅钢材料的轧制方向优化选择策略,以提高电机性能。研究表明,在特定优化角度条件下的电机平均转矩和铁耗均优于轧制方向垂直于电机轴向方向时的初始数值。6.搭建了轴向磁通开关磁阻电机的静、稳态参数一体化测试平台。在此基础上,测量了样机不同转子位置处的静态磁链,并与电磁场有限元仿真结果进行比较,分析误差产生的原因,验证了有限元模型分析设计的可靠性。在样机稳态参数测试实验中,对不同导通角和负载条件下的电机转矩、效率等电磁性能进行了对比分析,并利用红外热成像相机实际测量了样机在不同负载条件下的温升分布状况,在证明本文所提模块化轴向磁通开关磁阻电机优异电磁性能的同时,也证明了环氧树脂玻璃布层压板作为转子护套在轴向磁通开关磁阻电机中应用的可靠性。
作者：唐先生 1.基本电磁转矩开关磁阻电机 定子和转子间产生的电磁转矩通常有两个分量，其中一个是由两者间磁动势产生的基本电磁转矩，另一个是气隙圆周磁阻不相等产生的磁阻转矩。利用磁阻转矩运行的电机称为磁阻电动机。由于后者功率因数，功率密度和效率都比较低，因此通常做成微型电机。同时后者与电子器件结合，又可以形成一种新型的开关磁阻电机。开关磁阻电机可以做到功率很大，可以做到几十千瓦，而且控制简单。 2. 低速同步电机电磁减速同步电机 对于需要低速稳定运行的场合，每分钟几十转或更低的，可以采用在定转子表面开槽引起气隙磁导或磁阻发生变化，可以做成低速同步电机，又称电磁减速同步电机。但是这种电机效率低，起动转矩小，通常只做到百瓦级。可分为励磁式和磁阻式，其中励磁又有电励磁和永磁式。其中永磁式由于自动起动能力更强，因此得到了更广泛的应用。 3.音圈电机（永磁直线直流电机） 取代不少传动电机，有推广的趋势。 4.实心转子、复合转子感应电机 利用铜铁合金或纯铝做转子而制成感应电机。可以应用在高速、频繁起动或调压调速的场合。 5.特种电机 步进电机，伺服电机，超声波电机，直线电机，双凸极电机，单相交流串励电机，永磁无刷直流电机，旋转变压器，自整角机，测速发电机，等等都属于这个范畴。 6.永磁材料性能主要参数 退磁曲线、回复线、稳定性、内禀退磁曲线 7.铝镍钴永磁材料铁氧体永磁材料稀土永磁材料 可以铸造或烧结，有良好的热稳定性，缺点是矫顽力低，容易退磁，避免接触铁，通常制成轴向较长 铁氧体永磁材料，价格低廉，不容易退磁，不含稀土元素，应用较广；缺点是剩磁密度低，最大磁能积小，通常电机体积做的比较大，同时低温下易退磁，通常不能电加工，而用磨加工，且磨加工时注意冷却 稀土永磁材料，稀土钴、钕铁硼，属于高矫顽力，高剩磁密度，高磁能积；但钴价格昂贵，适用于高性能电机，可以电火花加工，比如线切割，其中钕铁硼永磁1983年才出现，是目前最好的永磁材料，且不含钴，价格较便宜。钕铁硼在高温下磁损较大，建议在有冷却的条件下或者温度不太高的条件下使用，应该是摄氏几十度的量级，同时容易锈蚀，通常要做环氧树脂喷涂或者电泳、电镀，涂层厚度在10-40微米。 以上永磁还可以通过粘结的工艺实现，但是磁性能会稍差，但尺寸稳定性很好，适于大批量生产。 8.调速永磁同步电机通过变频调速 我国数控机床上也有采用稀土永磁无刷直流电机，调速比高达1：10000 9.永磁直流电机 500W以下的微型直流电机中，永磁电机占92%，而10w以下功率的，永磁电机占99%
基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机准三维解析分析与设 计 马霁旻;王杜;曲荣海;李健;李新华 【摘要】轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致,利用二维解析法分析该类电机会带来较大误差.该文利用准三维解析法对轴向磁通电机展开径向分层计算,确定电机转子关键位置处的磁链特性.在准三维解析法分析的基础上,利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料的模型进行了比较分析.研究结果和样机测试数据表明:基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机定、转子磁极轴线对齐位置处的磁链值可以提高15％,准三维解析法的分层计算精度较高,对于电机初期设计而言,该方法的磁链分析误差从工程上认为是可以接受的. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)017 【总页数】9页(P4069-4077) 【关键词】轴向磁通开关磁阻电机;极弧角度;准三维解析法;有取向硅钢材料;电磁性能 【作者】马霁旻;王杜;曲荣海;李健;李新华 【作者单位】湖北工业大学电气与电子工程学院武汉 430068;湖北工业大学电气与电子工程学院武汉430068;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074; 湖北工业大学电气与电子工程学院武汉 430068
【正文语种】中文 【中图分类】TM352 开关磁阻电机因具有成本低、易维护、可控性高以及容错性好等优点而得到了人们的广泛关注和迅猛发展[1-8]。开关磁阻电机与传统异步电机、直流电机相比具有 结构简单、运行可靠性高、起动转矩大、绕组端部短等优点。然而，其磁阻性质的电磁转矩决定了该类电机的转矩密度相对较低，这也是开关磁阻电机进入高性能驱动领域需要面对和解决的问题。所以，本文根据开关磁阻电机的结构特点，通过电机铁磁材料优化选择以及相应的电机拓扑结构优化设计，以期提高电机性能，进一步扩展该类电机的应用场合。 一般来说，无取向硅钢片主要应用于各类旋转电机、电子变压器铁心的生产制造中，而有取向硅钢片主要用于变压器、互感器、电抗器、大型发电机等设备的铁心制造。在旋转电机运行过程中，磁通方向会随着转子运动不断变化，如果简单地将有取向硅钢片替代无取向硅钢片运用于旋转电机中，定、转子齿轭结合部磁通方向的剧烈变化将导致电机性能的恶化。目前，国内外许多学者针对有取向硅钢片应用在旋转电机中的问题开展了研究。日本学者T. Tomida等[9]对内嵌式永磁同步电机定子 结构进行修改，利用高磁感双取向硅钢片取代传统无取向硅钢片，定子齿模块中的主磁路方向与双取向硅钢片横纹方向基本一致，定子轭部与双取向硅钢片轧制方向一致。得益于高磁感双取向硅钢片在两个垂直方向上的高磁导率和低铁耗，电机效率可提高2%[9]。法国学者S. Lopez等[10]提出一种硅钢片叠压方式，使晶粒取 向硅钢片的轧制方向尽量与定子磁路方向保持一致，从而获得最优的励磁电流和铁心损耗。日本学者K. Fujisaki等[11]将晶粒取向硅钢片切割成独立的定子齿和轭部，提出了一种新型电机并将其命名为“磁各向异性电机”，通过对电机参数进行优化，使该电机比同等条件下传统无取向硅钢材料电机的铁心损耗降低了43%，
开关磁阻电机工作原理及其驱动系统 开关磁阻电机 Switched Reluctance Drivesystem, SRD 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。 开关磁阻电机的发展概况和发展趋势 “开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者 S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问，正是由于英国 P．J．Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献，赋予了现代SR电机新的意义，开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。 从电机结构和运行原理上看，SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似，因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面，见表11-1。
开关磁阻电机发展概况 1 发展简介 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w～1kw)进行了研究。1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.)，专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。成本 1.0 1.5 1.0 美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。华中科技大学开关
磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。 从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。 2 SRD系统的特点 SR电机系统具有一些很有特色的优点: (1)电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;
第二章开关磁阻电机及其调速系统 2.1 开关磁阻电机的发展概况 磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。然而通过近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。 70年代初，美国福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。 70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。样机容量从10W至50KW，转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛使用的一些变速传动系统。 近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。 目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。 2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点 开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。其定、转子铁心均由硅钢片
开关磁阻电机的原理及其控制系统 开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。 一、开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。
图1：开关磁阻电机定、转子结构图 图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2是二极管，是直流电源。 电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因 为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，
当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和O1轴线重合时，转子己达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时打开A相开关S1, S2，合上B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过300，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15,。依此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距Tr(T.=2π/N,)，对于三相12/8极开关磁阻电机，45，定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3×30'=90'空间角。可T=3600/8=o 见，连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动，转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按 A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转。 二、开关磁阻电机的控制原理 传统的PID控制一方面参数的整定没有实现自动化，另一方面这种控制必须精确地确定对象模型。而开关磁阻电动机( SRM) 得不到精确的数学模型, 控制参数变化和非线性, 使得固定参数的PID 控制不能使开关磁阻电动机控制系统在各种工况下保持设计时的性能指标。
开关磁阻电动机的结构和工作原理 开关磁阻电动机( switched reluctance motor，SRM)，又称可变磁阻电动机(variable reluctance motor)，是磁阻式电动机和开关电源组成的机电一体化的新型电动机。 开关磁阻电动机的结构和工作原理与传统的交、直流电动机有着很大的差别，在结构上，开关磁阻电动机的定子、转子均为凸极式，由硅钢片叠压而成，但定子、转子的极数不相等，一般相差2个。 在图中，定子为8个极，其上装有集中绕组，径向相对极的绕组串联，组成4个独立的四相绕组。转子上有6个齿，其上不装绕组。工作时，由开关电源向四相绕组供电。 开关磁阻电动机是依靠磁阻效应运行的，其运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，在磁场中，一定形状铁芯的主轴线有向与磁场轴线重合位置运动的趋势。利用这种趋势，开关磁阻电机以定子凸极产生磁场，转子铁芯凸极形成均匀分布的多个主轴线，只要控制定子各相顺序产生磁场，转子就总具有转向磁阻最小位置的趋势，从而产生维持电机运转的连续转矩。 如图所示的四相8／6极开关磁阻驱动电机为例，图中仅画出了定子其中的A相绕组。当B相绕组受到激励时，为减小磁路的磁阻，转子顺时针旋转，直到转子极2与定子极B 相对，此时磁路的磁阻最小（电感最大）。如果切断绕组B的激励，给绕组A施加激励，磁阻转矩使转子极l与定子极A相对。转矩方向一般指向最近的一对磁极相对的位置。因此，根据转子位置传感器的反馈信号，各相绕组按B-A-D-C的顺序导通，使转子沿顺时针方向连续旋转；反之，若按D-A-B-C的顺序导通，则电机会按逆时针方向连续旋转。通过控制加到电机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，即可控制开关磁阻电动机转矩的大小与方向。 开关磁阻电动机的分类和特点 (1)分类 径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁体，成为“一相”。根据定转子极数的不同，有多种电机结构，最常用的是三相6／4结构和四相8/6结构，如图所示。 开关磁阻电动机的气隙磁场有三类形式：径向磁场、轴向磁场和混合磁场。 (2)特点 开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点。 ①结构简单开关磁阻电动机结构比其他电动机都要简单，相对于有刷直流电动机，其在电机的转子上没有滑环、绕组；相对于永磁无刷直流电动机和感应同步电动机，其转子上不需要安装永磁体；开关磁阻电动机只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线；开关磁阻电动机的定子和转子均采用凸极结构，定子和转子都是由硅钢片叠片组成；电动机结构简单、坚固，工作可靠，可适应高速、高温及强震动环境。 ②运行效率高开关磁阻电动机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器元器件少，相应的损耗也小，在较宽的转速范围和较宽的转矩范围内效率可以达到85%-93%。 ③启动和低速性能好开关磁阻电动机启动转矩大，启动电流小，没有启动冲击电流；低速时可以提供很大的转矩；开关磁阻电动机调速系统启动转矩达到额定转矩的150%时，启动电流仅为额定电流的30%。 电动汽车价格https://www.doczj.com/doc/c719057318.html, ④调速性能好调速范围宽广，可控参数多，可控参数有主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值、直流电源电压；控制灵活，可实现多种控制方式联合运用；开关磁阻电动机可以四象限运行，容易实现正转，反转和电动、制动等。 ⑤可靠性高开关磁阻电动机结构简单坚固，各相电路独立工作，当某一相线圈发生故障时，只需停止该相线圈工作，电动机仍然可以继续运转。
基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机分析和设计 开关磁阻电机作为电力驱动系统中实现能量转换的一种部件,具有结构坚固、成本低廉、容错性能强、启动转矩高等优点。但与永磁同步电机相比,较低的转矩密度制约了开关磁阻电机的更广泛应用。本文以提高轴向磁通开关磁阻电机转矩密度、降低铁耗为主要目标展开了理论分析和优化设计,并通过样机实验对电机分析、设计结果进行了验证,主要研究工作及成果可以归纳为以下几方面:1.根据对电机用铁磁材料特性及其适用范围的详细比较,以及对轴向磁通开关磁阻电机结构特点的分析,提出了齿轭分离的模块化电机拓扑结构,在定、转子齿部选择晶粒有取向硅钢材料,利用其轧制方向上的高磁导率特点,使提出的模块化电机拓扑结构具有更高的功率密度。2.提出不同电机定子结构以提高晶粒有取向硅钢材料轧制方向上的利用率,减小磁通在该材料非轧制方向上的运行路径,改善电机定子齿、轭连接部的磁路分布,从而进一步提高晶粒有取向硅钢材料在轴向磁通开关磁阻电机应用的有效性。3.针对轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致的特点,利用准三维磁路法对轴向磁通电机展开径向分层研究,提高分析精度,确定初步电磁设计方案。在准三维磁路法分析的基础上,利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料模型的转子直径比、定子齿极弧、定子轭部轴向长度以及转子齿极弧等主要设计参数进行了优化分析和设计,研究结果表明:基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机电磁性能明显优于传统无取向材料电机。4.根据电磁仿真得到的电机损耗分布结果,进
行温度场有限元分析,确定电机在不同工作负荷下的运行温度点,进而设置环氧树脂玻璃布层压板转子护套在特定温度下的机械特性参数。利用简化Taguchi优化设计与有限元分析相结合的方法,对电机在不同故障条件下,轴向不平衡磁拉力造成的转子护套结构应力、变形问题进行分析;在满足电磁性能指标的前提下,得到电机结构优化参数。5.根据晶粒有取向硅钢材料特性,结合开关磁阻电机不同运行状态下的控制策略和各相绕组导通角的取值范围,提出了定、转子齿中有取向硅钢材料的轧制方向优化选择策略,以提高电机性能。研究表明,在特定优化角度条件下的电机平均转矩和铁耗均优于轧制方向垂直于电机轴向方向时的初始数值。6.搭建了轴向磁通开关磁阻电机的静、稳态参数一体化测试平台。在此基础上,测量了样机不同转子位置处的静态磁链,并与电磁场有限元仿真结果进行比较,分析误差产生的原因,验证了有限元模型分析设计的可靠性。在样机稳态参数测试实验中,对不同导通角和负载条件下的电机转矩、效率等电磁性能进行了对比分析,并利用红外热成像相机实际测量了样机在不同负载条件下的温升分布状况,在证明本文所提模块化轴向磁通开关磁阻电机优异电磁性能的同时,也证明了环氧树脂玻璃布层压板作为转子护套在轴向磁通开关磁阻电机中应用的可靠性。
开关磁阻电机性能的研究与优化设计 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种适用于高速、高效、高可靠性和低成本的电机。它的特点是没有永磁体和绕组，通过磁阻来实现转矩产生。本文将研究SRM的性能，并优化其设计。 首先，我们来分析SRM的性能。SRM的核心是转子和定子，它们之间的间隙被称为磁阻。在运行时，SRM通过改变定子和转子的磁阻来产生转矩，从而驱动负载。与传统电机相比，SRM具有以下优点：结构简单、无永磁体、高效率、高可靠性和低成本。然而，SRM也存在一些问题，如震动和噪音较大、起动困难、转矩脉动等。因此，我们需要对SRM进行研究和优化设计，以提高其性能。 为了研究SRM的性能，我们可以从以下几个方面进行分析。首先是电磁特性的研究。我们可以通过建立数学模型来分析SRM的电磁特性，如磁场分布、磁阻变化和磁通变化等。通过研究这些特性，我们可以了解SRM的工作原理和性能表现。 其次是电气特性的研究。SRM的电气特性包括电流、电压和功率等。我们可以通过实验和模拟来测量和分析这些特性，以了解SRM的工作状态和效果。在研究电气特性时，我们还可以考虑SRM的控制方法，如直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）和传统的PWM控制方法等。通过优化控制方法，我们可以提高SRM的响应速度、精度和效率。 第三是热力特性的研究。SRM的工作会产生一定的热量，如果热量无法有效散发，会影响SRM的性能和寿命。因此，我们可以通过热学分析来研究SRM的热力特性，如温升、热阻和散热方式等。通过优化散热设计和材料选择，我们可以降低SRM的温升，提高其工作效率和稳定性。 最后是结构设计的研究。SRM的结构设计直接影响其性能。我们可以通过优化磁路设计、转子形状和定子绕组等方式来改善SRM的性能。同时，我们还可以
开关磁阻电机磁场有限元分析 摘要 本文以开关磁阻电机（SR电机）磁场的有限元分析及稳态特性研究为主题开展研究工作，以期促进开关磁阻电机的推广应用及开关磁阻电机磁场理论的发展。 针对开关磁阻电机定、转子极存在显著的边缘效应和高度的局部饱和特点，本文在系统地总结电机电磁场以及工程电磁场数值计算理论的基础上，基于大型有限元分析软件ANSYS，采用全场域二维电磁场有限元分析，对开关磁阻电机的磁场分布、静态特性等进行了大量的计算。通过仿真的结果，一方面得出了开关磁阻电机在几个典型转子位置下的磁场分布图，并总结了电机内磁场的分布规律；另一方面根据计算结果绘制出了开关磁阻电机的磁化曲线族，即i ψθ关系曲线，电感曲线和静态转矩曲线等参数，这些工作为 - - 分析开关磁阻电机的工作原理及开关磁阻电机的进一步开发和应用，建立开关磁阻电机合理的非线性模型提供了理论基础和可靠依据。
1 前言 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。 开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含功率变换器和控制电路，而转子位置检测器则安装在电机的一端。 利用电机电磁场理论和有限元法进行SR电机磁场分析与计算，在SR电机的研究中占据十分重要的地位，它是整个电机设计和运行性能分析的基础。由于SR电机结构与传统的交直流电机具有很大的差别，加之其过饱和特性，以路的观点进行电机性能的理论分析便显出很大的局限性；相反，以场的观点，全面、系统地分析电机性能，以便进行电机设计、性能分析及仿真计算，显示出极大的优越性。电机磁化曲线在SR电机电磁场分析与计算中占据十分重要的位置。通过这一特性的计算与分析，可以清楚地了解电机能量转换的方式与大小以及电机内部的饱和情况；同时，它是计算电感、磁通、转矩和功率的基础，亦是电机优化与仿真的依据。 本文所借助的主要数学方法和分析手段是有限元法。 目前，电磁场有限元分析大体上出现了以下几个方面的发展趋势：一是对原有方法不断地完善和改进。如有限元周期边界的新处理方法、网格快速可靠全自动自适应生成、后验误差估计与自适应新方法以及有限元多项式方法等。二是与其它数值计算方法相互耦合。除了传统的FEM-BEM法、有限元—模拟电荷法、有限元—积分方程法外，近年又出现有限元—级数耦合法及H棱边有限元—边界元耦合算法等。耦合法能实现不同方法的优势互补，解决多子域、多连通域的复杂问题。三是新方法的开发应用以及新技术的不断融入。如棱边有限元法、叠层有限元法、有限元的外推插值法、无限元法等。值得注意的是，由于神经网络和小波分析在电磁场中应用日益增多，已出现了“小波—Galerkin"有限元法等新方法。
开关磁阻电机的设计与应用 引言 开关磁阻电机是一种新型的电机，具有结构简单、体积小、响应快、效率高等优点，在工业生产和家用电器等领域得到广泛应用。本文将介绍开关磁阻电机的设计原理、构造和工作方式，并探讨其在不同领域的应用。 1. 开关磁阻电机的设计原理 开关磁阻电机是通过控制磁场的方向和大小来实现转动，其设计原理基于磁阻效应和磁场的反转。当电流通过绕组时，会产生一个磁场，根据右手定则，当磁阻材料中的磁场方向与绕组的磁场方向相反时，就会出现瞬时的磁流偏移，导致磁场的反转。通过不断地反转磁场的方向，可以产生连续的转动力。 2. 开关磁阻电机的构造 开关磁阻电机主要由转子、定子和驱动电路组成。 2.1 转子 转子是开关磁阻电机的核心部件，由磁阻材料制成。磁阻材料通常采用铁短路片或磁铁片，具有高导磁性和低磁饱和性。转子上绕有线圈，通过控制线圈通电情况，可以控制转子的磁场方向和大小。 2.2 定子 定子是开关磁阻电机中固定的部件，用于产生或感应磁场。定子一般由永磁体或电磁体构成，永磁体具有固定的磁场，电磁体则通过外部电源提供磁场。定子的磁场与转子的磁场交互作用，产生转动力。 2.3 驱动电路 驱动电路是控制开关磁阻电机正常工作的关键部分，它负责提供正确的电流和电压信号，并控制磁场的反转。驱动电路一般由电能转换器、控制芯片和传感器组成。 3. 开关磁阻电机的工作方式 开关磁阻电机主要有两种工作方式：单相工作和多相工作。
3.1 单相工作 单相工作是指开关磁阻电机通过单个绕组进行驱动，具有结构简单、成本低的优点。但由于只有一个驱动绕组，单相工作的开关磁阻电机转速较低，扭矩较小，适用于一些低负载和速度要求不高的应用。 3.2 多相工作 多相工作是指开关磁阻电机通过多个绕组进行驱动，具有转速高、扭矩大的优点。多相工作的开关磁阻电机可以灵活控制磁场的变化，达到更高的效率和更精确的转动性能。但多相工作的开关磁阻电机相对于单相工作来说，结构复杂，成本较高。 4. 开关磁阻电机的应用领域 开关磁阻电机在工业生产和家用电器领域有广泛的应用。 4.1 工业生产 在工业生产中，开关磁阻电机可用于控制机械臂、输送带、自动门等装置的转动。其结构简单、响应快的特点使其在自动化生产线上具有重要作用。 4.2 家用电器 开关磁阻电机广泛应用于家用电器，如洗衣机、电风扇、空调等。开关磁阻电机具有体积小、噪音低、启动快的特点，适合家庭环境使用。 4.3 交通工具 开关磁阻电机还可应用于交通工具，如电动自行车、电动汽车等。开关磁阻电机可以根据不同的驱动需求进行优化设计，以实现高效能、节能的动力输出。 结论 开关磁阻电机凭借其结构简单、体积小、响应快、效率高等特点，具有广泛的应用前景。在不断的技术创新下，开关磁阻电机将进一步改进和发展，为工业生产和生活带来更多便利和效益。
电动车用开关磁阻电机设计与优化方法 摘要：随着人们生活水平日益提高，人均汽车占有量大幅度提升，传统汽车 产生的尾气对环境造成了严重威胁，因此发展绿色交通工具成为当今社会的一个 热点话题。电动汽车具有噪音低、无污染和能源利用率高等特点，是比较理想的 交通工具。近年来电力电子技术不断发展，微电子、电机学、现代计算机技术和 控制理论也开始完善，这都促使开关磁阻电机系统得到了飞速的发展。目前已成 功应用于电动车用驱动系统、家用电器、高速驱动、泵及风机等众多领域中，创 造了巨大的经济效益，是直流电机调速系统、交流电机调速系统、无刷直流电机 调速系统强有力的竞争者。 关键词：开关磁阻电机；设计；优化 目前国家正大力发展新能源技术，电动车因势而起，得到了快速的发展，电 动车作为一种新兴的代步用车，不仅绿色环保而且在未来有极大的发展潜力。目 前电动车驱动电机主要有永磁电机、异步电机、直流电机等。作为一种新型电机，开关磁阻电机SRM由于其结构简单、制造成本低、调速范围宽、控制灵活且效率 高等优点，与传统的电动车驱动电机相比有较大的竞争力，而且能满足电动车起 动转矩大、起动电流小的需求，所以在电动车驱动领域中有较大的发展潜力。 一、开关磁阻电机基本原理 开关磁阻电机依靠定、转子之间磁阻变化运行，当给定子其中一相绕组通电时，若定子极轴线和转子极轴线不重合，就会有磁阻力作用在转子上，使转子运动，直到两者轴线重合，磁阻力消失，在惯性作用下继续旋转一定角度，然后换 相邻绕组通电，使转子继续转动[1]。如图。
图中定子极上为定子线圈，标有箭头的绕组表示该相绕组通电，虚线表示磁 力线，转子起动前的转角为0°。在初始位置，A 相绕组通电，在磁力的作用下，距 A 相最近的转子极受力开始逆时针转动，使磁阻变小，转子旋转到5°，又 旋转了10°，直到15°为止，转子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续 转动，必须在转子不受力时切断 A 相电源，同时接通 B 相，于是 B 相产生磁通，磁力线沿磁路最小的磁极通过转子，在磁力的作用下继续转动，直到转到 30°之前，关断 B 相绕组电源并开通 C 相绕组，使转子继续转动，在转到45°之前接通 A 相绕组电源，以此类推，电机就会运行下去。三相绕组轮流通电一次，转子逆时针转动π/4（即一个极距角），定子磁场顺时针转动π/2。只要 各相按照一定的顺序导通，电机就能正常工作，与磁力线方向无关，即与电流方 向无关，通电顺序与旋转方向相反。 二、SRM的定转子齿极结构优化 1、定子结构优化设计。利用上节优化电机尺寸参数后的 SRM 进行定转子 结构优化设计。在 SRM 线性模型中，电机转矩的表达式为： 由式SRM 的转矩是电机转子旋转过程中气隙磁导发生变化而产生的。转矩的 大小主要取决于相电感相对于转子位置角的变化率，相电感相对转子位置角的变 化率越大则电机转矩值将越大。此变化率可通过改变定子磁极和转子磁极之间的 气隙形状来控制。本设计提出了一种具有非圆形的定子磁极极面，这种定子磁极 表面将会使电机转子在转动过程与定子磁极之间产生非均匀的气隙，以此来改变 相电感对转子位置角的变化率。
开关磁阻电机的电磁设计 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种利用磁阻力产生转矩的电机。在SRM电机中，转动部件是一个由一系列磁场互相耦合的铁磁材料构成的转子，它和定子之间没有任何电磁感应元件。因此，SRM电机具有许多优点，例如结构简单、容量小、重量轻、高效率以及低成本等。 SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。其设计目标是使电机的转矩和功率因数优化，并使其达到高效率运行。为了实现这个目标，需要进行以下几个方面的电磁设计。 首先，需要确定电机的工作原理和各种性能指标。在SRM电机的设计中，常用的工作原理是磁阻推力原理。在该原理下，通过改变定子上电流的大小和方向，可以产生一个斥力，进而驱动转子转动。因此，需要确定电机的定子电流和栅极火花的位置和数量等参数。 其次，需要进行电机的磁路设计。磁路设计主要包括定子和转子的磁路结构设计。在定子的磁路设计中，需要确定定子的槽形和定子线圈的绕组方式。在转子的磁路设计中，需要确定转子的磁阻分布和转子磁通闭合的路径。通过对定子和转子的磁路设计，可以优化电机的磁通分布，提高电机的磁阻和转矩。 然后，需要进行电机的线圈设计。线圈设计主要包括定子线圈和转子线圈设计。定子线圈设计中，要考虑线圈元件的形状和尺寸，以及线圈的绕组结构和电流密度。转子线圈设计中，要考虑转子线圈的尺寸和形状，以及线圈的绕组方式和电流密度。通过优化线圈的设计，可以提高电机的工作效率和功率因数。
最后，需要进行电机的性能评估和优化设计。性能评估主要包括电机 的转矩、功率因数、效率等。通过对电机的性能进行评估，可以找出电机 的不足之处，进行相应的优化设计，以提高电机的性能。 总之，SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。通过 合理的电磁设计，可以提高电机的转矩和效率，实现电机的高效运行。但是，电磁设计还需要考虑其他因素，如电机的机械设计、控制系统设计等。只有将这些环节都考虑进去，才能设计出性能优良的SRM电机。
开关磁阻电机的三维有限元分析 熊春宇;王艳芹;吴春梅;李欣欣 【摘要】为了解决二维有限元分析开关磁阻电机磁场不准确的问题,采用了三维建模方法,对开关磁阻电机的整个场域进行三维有限元分析.基于整体建模的方法,利用三维有限元数值进行分析计算,准确描述开关磁阻电机的端部磁场效应.在三维有限元分析加载电流时,提出了“跑道线圈”这一概念.该概念在考虑了端部效应的同时,也解决了立体模型施加载荷时出现的方向选择困难的问题.采用通用磁标势法对非线性方程组进行求解,得出了最大电感和最小电感位置处的磁感应强度和磁场强度分布.%To solve the problem that two-dimensional finite element analysis of magnetic field of switched reluctance motor is not accurate enough, by using the method of three-dimensional modeling, three-dimensional finite element analysis of entire field of switched reluctance motor is accomplished. Based on the overall modeling method, and by adopting three-dimensional finite element analysis values, the end portion magnetic effect of the switched reluctance motor is described precisely. The concept of racetrack coil is put forward during three-dimensional finite element analyzing of loading current. In addition, the problem of difficulty of selecting direction of applying load for three-dimensional model is also resolved. The nonlinear equations are solved with universal magnetic scalar potential method, and the distribution of magnetic induction and magnetic field intensity at the positions of maximum and minimum induction are found.
论步进电机与开关磁阻电机 班级： 学号： 姓名：
论步进电机与开关磁阻电机 一、步进电机 1.1概述 步进电机是一种特殊的电机，每输入一个电脉冲信号，电机就转动一份角度，由于它的运动是步进形式的，所以称为步进电机。又因为它输入的是脉冲电流，所以也叫脉冲电动机。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下电机取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号的时候，它将驱动电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转式一个固定的角度一步一步运行的。控制的时候可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。 不仅电机的主要缺点是效率比较低，并且需要专用的电源供给脉冲信号，带负载惯量的能力不强，在运行中会出现共振和震荡等问题。 1.2反应式步进电机的结构 反应式不仅电机的结构形式有很多，按定转子铁心的段数分为单段式和多段式两种。 1 单段式 单段式是定转子为一段铁心。由于各项绕组沿着圆周方向均匀排列，所以又称为径向分相式。它是步进电机中使用最多的一种结构形式。下图为三相反应式步进电动机的径向截图。定转子铁心由硅钢片叠压而成，定子磁极为突极式，磁极的极面上开有小齿、定子上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍。转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。这种结构形式的优点是制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗功率大。
混合动力汽车用开关磁阻电机设计探讨摘要：随着目前混合动力汽车的普及与使用，将开关磁阻电机应用在 混合动力汽车中也具有良好的性能体现；所以本文将具体阐述在混合动力 汽车中加强开关磁阻电机设计的应用，从而给为开关磁阻电机应用提升混 合动力汽车的系统性能提供技术设计支持。 关键词：混合动力汽车；开关磁阻电机；设计方法 开关磁阻电机能够在混合动力汽车中能够起到实现发电机一体化操作 的作用，以DSP为核心控制电路，来对于系统的组成方案以及控制方式进 行改进与优化，以加强开关磁阻电机在混合动力汽车中的实际设计的方式，来降低混合动力汽车的运行成本，从而提升混合动力汽车的操作能力以及 控制能力。 一、开关磁阻电机的基本特征 开关磁阻电机在应用过程之中需要在明确基本特征的基础之上，明确 其结构组成、相数结构、基本方程、相关性能、控制策略以及控制系统实 现方式。通常而言，开关磁阻电机的结构特点主要体现在四个方面，分别 是双凸极结构、定子集中绕组、转子无绕组以及转子无永磁体，这四个结 构特点能够满足磁通沿着磁阻最小路径闭合的原理实现驱动工作。 而在系统组成上则主要由电源、控制信号、功率变换器、控制器、SR 电动机等多个单元共同组成，控制器与电源对于功率变换器形成控制，然 后传送到SR电动机之中，一部分输出负载，一部分进行电流检测与位置 检测。 所以在应用开关磁阻电机设计过程之中，需要结合开关磁阻电机的基 本特征建立理想现行模型，来对于SR电动机进行有效分析，从而给为开
关磁阻电机应用在混合动力汽车而提供相关的参数，一般这里的线性模型 是指不计磁路的饱和状态，仅仅假定绕组电感与电流不存在关系，而保障 电感与转子位置是息息相关时所作出的假设（如图一所示）。从角度轴来看，从左到右依次是定子磁极轴线与转子凹槽前言相遇位置、转子磁极前 沿与定子磁极前沿相遇位置、转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置、转 子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置。 二、开关磁阻电机在混合动力汽车中的有效设计 （一）明确混合动力电车对于开关磁阻电机设计的基本要求 在进行开关磁阻电机设计的过程之中，首先需要明确混合动力电车对 于开关磁阻电机设计的基本要求，才能够有针对性地进行改进，因为混合 动力电车具有动力混合的基本特征，所以需要电动机的可靠性相对较高， 能够在恶劣的环境中也保持较好的工作状态；所以开关磁阻电机应当具有 瞬时功率大、过载能力强、可以在恒转矩区以及恒功率区进行合理的调速。 其次从成本上考虑，应该具有较高的能量回收利用效率，开关磁阻电 机设计应当满足汽车减速再生制动的实际要求，与能量回蓄电池相互配合，实现能量的回收以及充电蓄电的相应工作。而开关磁阻电机自身也具有同 样的优势，不仅结构可靠而且在保持混合动力车辆的重载以及爬坡状态上 都有较好的表现，所以在开关磁阻电机设计过程之中，应该突出开关磁阻 电机的串励特性，并且降低对于稀有资源的依赖程度[3]；同时结合混合 动力汽车对于开关磁阻电机设计的相关标准与设计经验，来对于目前的开 关磁阻电机设计进行优化（如表一所示）。 不仅仅要明确电机的类型，还要针对绕组槽满率、额定输出功率、最 大转矩、转矩与体积的比例、额定效率、最高效率、铜损耗、贴损耗、电