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一种利用电磁学、有限元与实验设计分析双定子开关磁阻电机的新策略
Majid Asgar, Ebrahim Afjei, and Hossein Torkaman
Faculty of Electrical Engineering, Shahid Beheshti University, G.C., Tehran 19839-69411, Iran
双定子开关磁阻电机（DSSRM）具有比其他类型的磁阻电机每单位体积产生更多功率的潜力。本文提供了一种新的设计策略，集中于功率额定值来计算DSSRM的尺寸。新的策略是基于将DSSRM解剖成两个内转子和外转子SRM。在这方面，内转子SRM和外转子SRM分别设计，然后，结果合并在一起。使用分析来实现DSSRM的特性设计和三维有限元分析（FEA）。此外，将所得结果与双SRM进行比较。确定电机的适当性能，使用3-D模型进行磁分析。此外，实现最优操作，研究并比较两种不同的绕组配置。最后，一个平面型的原型具有分段转子的杯形DSSRM在实验室中制造和测试。分析计算结果和FEA由显示精度和设计策略的测试电机验证，并且它可以扩展到其他类型的电机。
关键词：分析模型，双定子开关磁阻电机（DSSRM），电磁分析，有限元分析（FEA），电机设计。
- 介绍
近年来，电力电子的进步设备已经允许引入SRM的可能性作为广泛的工业的有吸引力的候选人应用，如汽车和家用电器[1]-[3]。SRM的主要优点是结构简单，效率高，维护成本低，容错，高可靠性，高扭矩惯量和低价格性能[4]。 SRM的结构具有足够的灵活性，为许多所需的应用和意图产生独特的特性。在饱和条件下操作导致在该机器中具有复杂的关系和控制。与常用的感应和永磁机相比，这降低了SRM及其驱动器的总性能。一般来说，在SRM中，具体应用确定电机的几何形状，功率转换器的拓扑结构，以及所施加的控制方法[5]。因此，功率密度的提高提供了机会使用这款机器在高性能应用。
图1 6/4 SRM上施加的力之间的关系
在SRM（图1）中，转子的旋转是由于分别合成径向力和切向力矢量（FR和FT）。旋转SRM的结构通过定子与其对应的同轴转子磁极之间的相互作用来规定在旋转部件上产生的推进力。所提及的力的非对称分布导致转矩波动产生，这可能干扰定位精度，从而引起振动。在这方面，力的单调分布可以避免额外的波动。然而，有很多不同的方法来减少电机转矩纹波和增加SRM的功率密度。应该注意的是，SRM的有效设计是基于各个方面进行的，例如：
1）转子/定子形状或电机结构的修改[6]。
2）使用数值方法进行有效的设计和分析[7]-[8]。
3）智能和启发式方法，如NN[9]和GA，在增强和优化设计中起着重要的作用[10]。
4）控制器和驱动电路的布置以优化设计。
在这本文，已经进行了若干尝试来介绍的SRM的不同结构。[11]提出了SRM的新结构和分析，以提高输出功率和扭矩性能。[12]介绍了一个新的SRM系列，其具有比定子极更多的转子极数并且可以产生更高的每体积转矩。在[13]中，提出了一种用于低成本生产和大功率应用的新型SRM。 Widmer等，[14]研究了SRM的性能，SRM采用分段转子结构优于通常的齿形结构，并表明该机器比传统的SRM每体积提供超过40％的扭矩。每相分离双层并且多层SRM是通过考虑最大性能来减轻转矩波动和声学噪声的候选结构[15]-[17]。
与常规SRM相比，DSSRM[18]受益于高扭矩密度以及低径向力水平。然而，也是振动源的转矩脉动仍然存在于该电动机中，并且应该减小以提高机器的磁转矩质量,使用DSSRM的优点之一是由于每体积产生高扭矩以及使用更少的电机层压。
图2具有分段转换器的DLSRM
DSSRM的概念来自DLSRM。图2示出了具有分段转换器配置的DLSRM，其基于导出的参数被设计和研究以实现高力和高性能[19]，[20]。
与单端LSRM不同，DLSRM在气隙公差方面没有很大的自由度。DLSRM的优点之一是具有较低电感的高力密度，因为其在其通量路径中具有四个气隙。相比之下，单侧LSRM具有两个气隙，与DLSRM相比，具有更高的电感和更低的力密度[21]，[22]。 在这方面，本文提出了一种用于DSSRM的设计和分析的新策略。本文组织如下。在第二部分中，介绍了基于将DSSRM划分为两个分离的内部和外部转子SRM的DSSRM的新颖策略的概述。DSSRM分析设计与提出方法在第三部分。在第四节中分析和模拟了简化的2-D和3-D电磁模型，测试了具有引入方法的设计的DSSRM的实验原型，并且结果在第五部分中示出。最后，结论在第六部分中绘制。
图3 DSSRM设计策略的综合流程图
- 概述DSSRM设计的策略
SRM适用于各种应用。应用程序的需求决定了一组独特SRM维数，配置和参数。因此，在SRM设计过程中，静态和动态仿真（考虑应用特性）以及简单计算的结果可以验证或拒绝计算结果，并且可以在其中重复该过程允许限度，直到可接受的设计要求。显示了DSSRM的建议设计过程。电机设计的初始值和尺寸比被认为是输入参数。然后，DSSRM的设计分为两个SRM：1）内部2）外转子。这个人的基本点设计在转子上分别产生相同的扭矩内和外定子。其实，平衡的条件的转子是通过分配的额定转矩来实现的DSSRM在两个SRM之间划分为两个相等的部分。决定Din和Dout（内部和外部定子的孔径在DSSRM中）是确定尺寸的主要因素电机[23]。如图3所示，每个步骤后计算，输出结果与期望值进行比较值。在不一致的情况下，可变参数为改变了包含它们的约束到达一个集合可接受的尺寸，配置和参数设计迭代。一般来说，具体的分布磁和电负载在两个内定子和外定子上应当在转子上产生平衡的力。
- DSSRM的分析设计
开发分析设计方程以预测SRM的性能和设计。在平面型分段转子DSSRM的提出的设计过程中有三个不同的步骤。 了解下面提到的每个步骤的作用将有助于DSSRM设计方程之间的关系。
- 将DSSRM分为两个独立的SRM
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Parameter Definition Value |
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定子极对数 12对 转子极对数 8 q 相数 3 定子外径 260[mm] 总输出功率 1.2[KW] 总线电压 80[V] 峰值电流 20[A] 最大定子极距角 7.5[度] |
在DSSRM中，背靠背的转子凸极共享并安装在内定子和外定子之间。由DSSRM产生的扭矩是由内定子和外定子形成的扭矩矢量的结果。因此，通过将DSSRM分离成两个独立的SRM，一些部件，例如转子和轴，在两个SRM之间共享。外部定子和共享转子可以形成独立的内部转子SRM，并且内部定子和共享转子可以形成独立的外部转子SRM。DSSRM的四个主要部分如图4所示，部件1,2和4形成内部转子SRM，部件2,3和4形成外部转子SRM。 因此，第二节和第四节被认为是计算SRM的共同部分。
图4 DSSRM的剖面视图有四个主要部分
（1）外定子（2）转子（3）内定子（4）轴
在该结构中，转子上的净离心力和向心力是由两个定子产生的扭矩的矢量和。 表I DSSRM的初始参数
该力导致旋转运动，该旋转运动可以作为旋转内部参数的函数来计算
（1）
其中m是轴转动的质量，r是定子外侧的半径，omega;是角速度[弧度/秒]。 如第二节所述，为了在转子上产生等效力，由于孔直径的不等，两个定子被迫产生不等的功率。考虑内定子和外定子的DSSRM的功率容量可以如下计算 ：
(2)
其中vm是最大线速度[米/秒]。在SRM的设计之前，适合于特定应用的SRM配置的初始参数被定义并在表I中列出。
机器的总输出功率是与机器尺寸相关的初始参数之一。由于在我们的应用（直接驱动洗衣机）中的空间限制，一些参数，例如D0（DSSRM的外径）， 在设计趋势中被认为是具有特定值的初始值。
B.单独DSSRM设计
1）内转子SRM设计：用于分析具有内转子的SRM的设计变量如图5所示。由于提出的分段DSSRM的结构，转子磁轭已被消除（ = 0）。
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Parameter Definition Value |
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帧大小因子 0.25 常数因子 0.08225 常数因子 0.4 效率 40% 占空比 0.5 B 磁场强度 1.4[T] 轴直径 20[A] 气隙长度 0.5[mm] M 层压材料 M27 steel 磁导率 J 电流密度 |
图5 内转子SRM的尺寸参数
表II理想DSSRM设计
如图5所示，SRM的外径如下：
(3)
应该注意，SRM设计的过程具有表II中详述的一些假设和常数系数。 关于平面型SRM的设计考虑帧尺寸因子的数值。
k因子是孔径和堆叠长度之间的比率称为帧大小因子。k1是常数因子，等于pi;2/ 120。 k2是与对准和非对准电感的比率相关的常数因子。kd是开关的导通时间与时间段的比率，其被称为占空比。更多详细信息，请参见[24]。内转子SRM的孔径从功率输出方程获得：
(4)
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Parameter Definition Value |
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外定子功率 483[W] 外定子内径 200[mm] L 堆栈长度 40[mm] 外定子电子负载 19100 外定子极高 20[mm] 转子极高 30[mm] 外定子 10[mm] 最大定子极距角 0[mm] 外定子极宽 15[mm] 内定子极宽 28[mm] 外定子线圈转动 75[turn] 外定子输出转矩 5.88[N.m] |
表III 设计的内部转子SRM的尺寸和电气规格
旋转SRM的外定子电负载由下式给出
(5)
内转子SRM的输出转矩可以解释为
(6)
定子轭的厚度为
(7)
定子磁极高度计算如下
(8)
转子极的高度定义如下
(9)
磁场强度由下式给出
(10)
峰值相电流的每相匝数为
(11)
导体的横截面面积计算为
(12)
2）外转子SRM设计：用于分析具有外转子的SRM的设计变量如图6所示。
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Parameter Definition Value |
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外定子功率 739[W] 外定子内径 140[mm] L 堆栈长度 40[mm] 外定子电子负载 36380 外定子极高 40[mm]
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