新型开关磁阻电机磁路的计算与仿真

卫鹏，张俊芳

（南京理工大学 南京 210094）

摘要：论文阐述了电机的基本类型及其原理，对比传统开关磁阻电机的基础上着重分析了一种新型开关磁阻电机的系统组成、结构特点，采用的是6/4极拓扑结构，并运用有限元法对新型开关磁阻电机的静态特性进行了分析。着重分析了不同电枢电流、不同电枢截面积、不同气隙宽度和不同永磁体厚度、不同永磁材料对电机的转矩的影响。计算出电机转矩脉动随电枢电流和永磁体厚度的变化趋势，得到了电机转矩最大条件下的结构参数，对新型开关磁阻电机的设计具有一定指导意义。 关键词： 开关磁阻电机； 电磁转矩； 有限元分析； 永磁体

Abstract：Expounds the basic type and principles of motor .On the base of comparing with SR motor，a new Switched Reluctance Motor and its structure and running principle were introduced．Take the 6/4 role model for example，the method FEM was adopted to analyze the static characteristic which was emphasize analyzed under different armature current，different material of permanent—magnet ,different armature area different length of air gap and different thickness of permanent—magnet mode．The relationship between torque ripple and PM width were pointed out，and the structure parameters was educed under the condition of the biggest torque ．And some advices were given for the new Switched Reluctance Motor design.

Keywords：Switched Reluctance Motor； Electromagnetic Torque； Finite Element Method；

Permanent magnet

0 引言

新型开关磁阻电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但它在定子上放有永磁体，所以其磁路与传统的开

关磁阻电机也不一样。从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。因此对其磁路进行计算和仿真，在提高电机的性能和效率上具有重要意义。

叠压而成，定子上装有集中绕组，空间相对的两个定子齿上的绕组串联构成一相，转子无绕组，按永磁体安放位置不同，可分为定子永磁型和转子永磁型[2]。

永磁体放在转子上的新型开关磁阻电机，当转子直径较大或高速运转时，转子表面的离心力已接近甚至超过永磁材料的抗拉强度，将使永磁体受到损坏。所以本文研

[1]

1新型开关磁阻电机的结构和工作原理

1.1 新型开关磁阻电机结构和系统组成

电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但它在转子(或定子)上放有永磁体。从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。其定、转子和均为凸极齿槽结构，定子转子铁芯由硅钢片

究的是性能更为稳定的定子安装永磁体的新型开关磁阻电机，其空间结构如图1。

图1 新型开关磁阻电机空间结构图

1.2 新型开关磁阻电机的工作原理

任一相定子绕组所交链的磁链仅与该相磁导成正比。转子极弧大于或等于定子极

图2 磁链与转子位置角的关系

从图中得出：当转子位置角为[7.5°-22.5°]，a相通入正电流，b相为零，c相通入负电流；当转子位置角为[22.5°-37.5°]，a相通入负电流，b相通入正电流，c相为零，电机由a，c相工作转入a，b相，通过控制电流的大小及导通顺序可以控制转矩的大小及方向[3][4]，这样电机在磁链上升区，下降正转矩，使电机的单位出力比开关磁阻电机增加

[6][7]

。

弧，以利于电流换相。图2为新型开关磁阻电机的工作原理图。

电动工作时，控制6个功率开关，每120电角度(机械角度15°)换相一次，磁链增加的那一相电流为正，减小的那一相电流为负，磁链最小的那一相电流为零，任何时刻两相同时导通[5]。制动工作时，同样每120°换相一次，磁链加的一相电流为负，减小的

一相电流为正，最小的一相为零，如图3所示。

图3 绕组电流与位置角的关系

2 基于Ansoft的6／4极新型开关磁阻电机磁场有限元分析

2.1 模型的搭建

图4单极永磁电机的模型

2.2 新型开关磁阻电机磁场有限元仿真

在永磁体尺寸为10*15 mm2，气隙宽度5mm的情况下，对不同的电枢电流以及不同的电枢截面积(12*30 mm2，

10*30 mm2，

8*30 mm2，6*30 mm2，4*30 mm2)的情况进行仿真，限于篇幅仅列出了电枢线圈截面积12*30mm2和6*30 mm2下不同电枢电流下的电磁力，结果如下：

图5 不同电枢线圈截面积的情况下不同电枢电流

的磁场力

由上表可以看出，电枢电流越大产生的磁场力越大，电枢线圈截面积越大磁场力也越大，电枢电流比较小时，随着电枢截面积的减小电磁力增大，但电枢电流8A时电枢饱和，从这之后，随着电枢截面积的减小电磁力反而开始减小。

考虑到以上因素在电枢电流8A，电枢线圈截面积30*10 mm2的条件下，对不同永磁体厚度

（5mmm,10mm,15mm,20mm,25mm） 以及不同气隙宽度

(0.2mm,0.3mm,0.4mm,05mm,0.6mm)的情

况进行仿真，限于篇幅仅列出了永磁体厚度为10mm和20mm下不同气隙宽度下的磁场分布，结果如下：

图6 不同永磁体截面积的情况下不同气隙宽

度的磁场力

在电枢电流8A，气隙宽度0.5mm的情况下，对不同永磁体厚度（6mm,8mm,10mm,12mm,14mm）以及不同电枢截面积(12*30 mm2，10*30 mm2，8*30 mm2，6*30 mm2，4*30 mm2)的情况进行仿真，限于篇幅仅列出了电枢截面积10*30 mm2和6*30 mm2下不同永磁体厚度下的磁场分布，结果如下：

图7 不同电枢截面积的情况下 不同

永磁体厚度的磁场力

由此看来，随着永磁体厚度的增加电磁力会增大，但是电磁力又受电枢截面积影响，当电枢截面积增大到10*30 mm2时电枢进入饱和，电磁力不在随着电枢截面积增大而减小，反而出现了最大值，在这时，永磁体厚度10mm时达到最大电磁力。

3 结论

与其它电机相比，新型开关磁阻电机具有效率高，功率密度大，可靠性、容错性能好，结构简单等特点；通过以上分析可以得出以下结论：

首先，新型开关磁阻电机的输出转矩

T包括励磁转矩Tpm和磁阻转矩T两部

分，其中励磁转矩是占主要部分。减小空气隙的厚度有利于提高电机的励磁转矩，进而，可以提高电机低速运行时的输出转矩。

其次，通过叠加原理的验证得出电枢中的磁场是由永磁体产生的磁场与电枢电流产生的磁场共同作用的结果。

第三，电枢电流越大产生的磁场力越大，电枢线圈截面积越大磁场力也越大，电枢电流比较小时，随着电枢截面积的减小电磁力增大，但电枢电流达到8A时电枢饱和，从这之后，随着电枢截面积的减小电磁力反而开始减小。

第四，永磁体截面积越大磁场力也越大，随着永磁体厚度的增加电磁力会增大，但是电磁力又受电枢截面积影响，当电枢

截面积增大到10*30 mm2时电枢进入饱和，电磁力不在随着电枢截面积增大而减小，反而出现了最大值，在这时，永磁体厚度10mm时达到最大电磁力。

参考文献

[1] 詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉:华中理工

大学出版社，1992.

[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 .

[3] 蒋全.开关磁阻电机基础理论研究[D].东南

大学博士学位论文，1991.

[4] 马西奎.电磁场理论及应用[M].西安:西

安交通大学出版社，2000.

[5] 张榴晨，徐松.有限元法在电磁计算中的

应用[M].北京:中国铁道出版社，1996. [6] 刘国强，赵凌志，蒋继娅，Ansoft工程

电磁场有限元分析[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7] 王以真. 实用磁路设计[M].北京：国防工业出

版社，2008.