开关磁阻电机和永磁电机比较(用MOTORSOLVE设计开关磁阻电机与电励磁双凸极电机对比)

【摘要】近年来电机领域出现一款新型设计软件Motorsolve，此软件将经典的解析方法和电磁场有限元分析方法结合在一起用于电机设计，并且不再需要任何初始的标准。本文采用Motorsolve设计一款55KW的开关磁阻电机，并将其与同尺寸的电励磁双凸极电机进行对比，结果显示电励磁双凸极电机在效率方面占优。主要原因是开关磁阻电机采用Motorsolve中默认外电路，不能进行全方位优化，使得输出转矩较小。

【关键字】Motorsolve，开关磁阻电机，电励磁双凸极电机，外电路。

Comparison between Switch Reluctance Motor designed by Motorsolve and Doubly Salient Electro-magnetic Motor

[Ma Xiaohan]

[Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，210002]

[Abstract] Recently there is a new motor design software named Motorsolve. It combines the classical analysis method with the way to analysis electromagnetic field to make them into application of motor design, with no need of any initial standards. We use Motorsolve to design a 55KW switch reluctance motor and to compare it with a doubly salient electro-magnetic motor which has the same size. The result shows that the doubly salient electro-magnetic motor has a better efficiency. The switch reluctance motor use the default external circuit in Motorsolve can’t be optimized very well to drive, so it outputs lower electromagnetic torque, which is the biggest reason.

[Key words] Motorsolve, Switch Reluctance Motor, Doubly Salient Electro-magnetic Motor, External Circuit.

1 引言

Motorsolve是infolytica公司最近开发的一种新产品，它有强大的集合建模功能，绕组编辑功能以及简洁的结果-驱动后处理过程，可以更加方便的对多种设计进行管理、比较和分析。文中设计了一台55KW的开关磁阻电机，对其进行仿真结果分析，优化参数设计，从而得到最优结果。并将此电机与相同参数的双凸极电励磁电机进行比较。

II 设计、分析与比较

双凸极电机的得名主要是指该类电机定转子冲片的结构形状是双凸极型[1]。作为双凸极电机的典型代表一双凸极变磁阻电机，也叫开关磁阻电机。开关磁阻电机的结构形式是多种多样的，有普通的内转子式的，也有外转子式的，还有盘式的开关磁阻电机[2]。本文为内转子结构式。

2.1开关磁阻电机设计

已知一个额定功率为55KW的24-16三相双凸极电励磁电机，其参数如表I所示。采用相同的参数设计一开关磁阻电机，通过仿真观察输出功率以及电机效率，与已知的双凸极电机作对比。

设计一台24-16开关磁阻电机，模型示意图如下图所示。

从图1中可以看到电机的定子为24极，A、B、C三相绕组分布在定子槽内，转子为16极，转子齿宽与定子齿宽相同。电机的参数表如表II所示。

电机的初始温度设为环境温度：20°。图2表示出了电机的三维立体图，将电机的结构呈现的更加直观，绕组缠绕方式明了

2.2仿真结果

给电机提供幅值为380V的电压，对电机的相电压、相电流、磁链以及输出功率进行仿真并分析。在不同电流下得到标准角时的结果如下表所示。

从表中结果可知，当电流为350A时，电机在标准角下的仿真结果相对较好，由于本设计中采用软件默认外电路，不知电路的结构，所以采用改变开关管开通关断角度的方式来对电机仿真进行优化。对电流为350A的情况下改变其开关管的控制信号[3]，由于此中只能改变开通角与关断角，不能指定不同的开关管，所以先对开通角和关断角同时提前一定角度，导通时间不发生改变，得到如表IV所示结果。

可知当电机提前角度为30°时，电机的效率为77.65%，达到最大。此时电机的功率为65.07KW，超过所要求的55KW的18.2%。降低电流幅值到320A，对电机进行在不同提前角的情况下进行仿真。

可知当提前角为30°时，电机的输出功率较大。在此角度附近改变开通关断角来达到电机的最优控制，结果如表VI所示。

可知当电机开通角为20°关断角为30°时，电机的输出功率最大，为56.44KW，开通角为20°关断角为40°时，效率最大，可达80%，且此时功率下降不大。此时电机的磁链、电压以及电流波形如图3所示。

此时电机效率仍然较低，对定子的槽满率进行修改，由原来的20%改为60%，对电机开通提前角度为30，关断角度也为30°的情况下进行仿真，结果可得此时电机的输出效率为59.53KW，输入功率为66.60KW，效率提升到89.38%。

2.3 双凸极电励磁电机仿真结果

电励磁双凸极电机的基本结构与开关磁阻电机相似，定、转子均为凸极齿槽结构，并由

硅钢片叠压而成，转子无绕组[4-6]。与之不同的是，电励磁双凸极电机在定子上除了安装三相电枢绕组外，还安装了励磁绕组，各绕组均为集中绕组。图4所示为24-16双凸极电机，由于电机中存在励磁绕组，且励磁绕组与电枢绕组在同一个槽内，所以励磁槽应比电枢槽面积大，故采用平行齿结构。

经过对电机结构的优化以及对控制方式的改变，得到电机的输出功率以及效率如下表所示。电枢绕组匝数为12时，电机在励磁为60A提前角下的电机效率可得最大[7]。

电机此时的磁链、电压、电流以及电感波形图如下图5所示。

与图3对比可知，电励磁双凸极电机的磁链较为饱满，相电流较小。

2.4 对比分析

由上文可知，在参数相同的情况下，本文中所示的开关磁阻电机与双凸极电励磁电机相比，可知在要达到相同功率的情况下，前者效率比后者低，即SRM中的损耗较大，DSEM中损耗较小。但是DSEM中存在电励磁绕组，励磁电流会产生相应的励磁损耗，使得DSEM的效率减小。而SRM与DSEM相比没有励磁绕组结构，所以损耗理应相对较小，而此文中结果与之不同。

功率的公式为

Pe=Temω为输出功率，所以功率与电磁转矩成正比。开关磁阻电机在线性模型下一相绕组瞬时电磁转矩表达式为

对于电励磁双凸极电机而言，以A相为例，电励磁双凸极电机的输出转矩方程为

Tr为磁阻转矩，它产生原理与开关磁阻电机磁阻转矩的产生原理类似，是电枢绕组随转子位置角的不同而发生变化，由相绕组自感变化而产生的；Trf为励磁转矩，是相绕组随着转子位置角的不同而变化，电枢绕组与励磁绕组的互感发生变化而产生的。

分析原因：一、由于本文中使用MOTORSOLVE软件设计开关磁阻电机时使用软件默认外电路，电路结构不够优化；二、在工作模式方面，开关磁阻电机一般工作在单拍模式[8-9]，如果工作在双拍模式或者半周期模式下，开关磁阻的功率密度会很低，一般不宜采用。而电励磁双凸极电机可以工作在上述的三种模式，本文中采用双拍工作模式，此工作模式下同时工作的两相的磁阻转矩方向相反，基本相互抵消，电机转矩输出主要为两相励磁转矩的叠加，因此其输出平均转矩较单拍模式大，而转矩脉动较单拍模式小。所以电机输出功率较高。三、电机损耗主要由铁损、铜损和杂散损耗构成[10]，其中铁损占绝大比例。铁损大小与磁密的N次方成正比（N>1），开关磁阻中相电流远大于电励磁双凸极电机中的相电流，所以前者磁密值应高于后者，则开关磁阻电机中损耗要大于电励磁双凸极电机。

III 结论

1、Motorsolve软件简洁明了，操作简单，方便设计，且可以针对多种电磁性能进行分析计算，是一款功能强大的软件。

2、本文中设计了一个55KW的开关磁阻电机，通过对电机进行优化之后得到电机在电压为380V，电流为320A，开关管开通角度提前30°导通，提前30°关断的情况下，得到电机的输出功率为59.53KW，此时电机的效率为89.38%。

3、此电机相比于同尺寸的电励磁双凸极电机效率较低，因为一：motorsolve中外电路不能优化。二：电励磁双凸极电机的输出转矩有两部分组成，即励磁转矩和磁阻转矩，因此较开关磁阻电机而言，功率密度较高。三：开关磁阻电机中铁损比电励磁双凸极电机大。

【参考文献】

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[10] 孔晓光，王凤翔，徐云龙，邢军强.高速永磁电机铁耗的分析和计算[J].电机与控制学报,2010.9,14(9):26-30。