外转子开关磁阻电机电磁设计与仿真

论文总字数：20275字

摘 要

开关磁阻电机具有结构简单坚固、低成本、容错性能高以及高速运行的特点，目前它被越来越广泛地应用于航空和电动自行车、电动汽车上的启动，发电系统以及工业调速领域，具有非常巨大的应用潜力与实际价值。

外转子开关磁阻电机顾名思义就是转子在外侧的开关磁阻电机，在开关磁阻电机中非常的普通和常见，它拥有出色的输出转矩、功率和效率，所以现在外转子开关磁阻电机正在被逐步开发和应用到电动汽车和电动自行车上。

本文选取电动自行车作为研究的出发点，介绍了电动自行车在我国的发展和研究现状，由此引出开关磁阻电机。之后分析介绍了开关磁阻电机的特点和基本运行原理。随后，基于有限元商业软件ANSYS，建立了开关磁阻电机参数化交互式有限元分析仿真模型，并对不同参数下电机的输出转矩进行了优化仿真，得出了在实际应用要求下的最优参数。

最后文章对电动自行车中开关磁阻电机的应用做出了总结和对今后发展的展望。

关键词：开关磁阻电机；优化设计；有限元；仿真。

ELECTROMAGNETIC DESIGN AND SIMULATION OF EXTERNAL ROTOR SWITCHED RELUCTANCE MACHINES

Abstract

Switched reluctant machine (SRM) is widely used in the areas of aviation, electric vehicle and industrial speed-variable applications with the simple and firm structure and the advantages of low cost, high-tolerance and the ability of operation at high speed. In conclusion, the use of SRM has bright prospect.

External rotor switched reluctance machine is a kind of motor whose rotor is outside, and it’s ordinary and common. It has outstanding output torque, efficiency and power, so it is widely used in electric bicycles.

This thesis chooses the electric bicycle as cut in point. Then it gives introduction to the development and present situation of electric bicycles in China and explains how SRM works. Afterwards, based on the commercial software ANSYS, this thesis exhibits a Switched reluctant machine simulation model with finite element method. Finally, this thesis gets the optimal parameters in the end.

KEY WORDS: Switched Reluctant Machine, External rotor, Optimal design, Finite-Element-Analysis, Simulation.

目 录

摘要……………………………………………………………………………………………………………...…..I

Abstract……………………………………………………………………………………………………...…. II

第一章 绪论……………………………………………………………………………….……...1

1.1引言………………………………………………………………………….………...…1

1.2电动自行车在国外和国内的发展…………………………………………………...….2

1.3目前电动自行车的相关技术…………………………………………………………....2

1.4开关磁阻电机的提出……………………………………………………………………3

1.5开关磁阻电机的发展……………………………………………………………………4

1.6开关磁阻电机的性能特点及应用领域…………………………………………………4

1.7开关磁阻电机现存问题及发展方向……………………………………………………6

1.8本文主要研究内容………………………………………………………………………7

第二章 开关磁阻电机基本原理…………………………………………………………………8

2.1开关磁阻电机的运行原理………………………………………………………….......9

2.2开关磁阻电机的基本方程…………………………………………………………......10

第三章 外转子开关磁阻电机的设计与优化仿真……………………………………………..13

3.1外转子开关磁阻电机的设计…………………………………………………………..13

3.2三相12/16电机的仿真与优化……………………………………………………..…..16

3.2.1对裂比的优化……………………………………………………………...…….…...17

3.2.2对不同转子极弧和定子极弧的优化……………………………...………….……...18

3.2.3 绕组设计与定子内径优化………………………………………..….………….…..20

3.2.4参数的终取值………………………………………………………..…………….....21

3.3对该方案的小结与思考…………………………………………………………….….22

第四章 总结与展望…………………………………………………………………………......23

致 谢………………………………………………………………………………………….….24

第一章 绪 论

1.1引言

随着城市规模的不断发展壮大，曾经大量使用的自行车已经明显不能适应新的环境，但又因为乘坐公共汽车不方便，于是摩托车、燃油助力车在许多大小城市流行一时。但是最近几年来保护环境呼声的越来越高，摩托车、燃油助力车己经变成了环境污染的主要制造者。．现在不少地方己经停止对其颁发牌照，这样的做法给无疑给新型交通工具让出了很大的市场空间，而电动自行车便从这当中脱颖而出成为中低收入者的首选代步工具。据统计，电瓶车在上世纪80年代曾经风靡一时，但是由于技术不能跟上社会发展的要求，效率低且不够环保所以很快就被市场所淘汰。我国在上世纪90年代初将电动自行车的开发列入了国家“八五”重点科技攻关项目，这让电动自行车开始受到了大家的重视。真正意义上的电动自行车在上世纪90年代末被制造出来，它也成功融合了计算机智能控制、微电子、化学电源、新材料、新型电机等诸多新技术。

1.2电动自行车在国外和国内的发展

在海外，日本、奥地利、德国、台湾等国家对电动自行车研究开始的比较早。美国在最近几年发展也相对迅速。电动自行车在国外更多的是作为一种代步及体闲健身工具。比如说，在超市、广场和旅游区等公共场所内的使用。从1994到1999年的6年间，据不完全统计，全球电动自行车的数量从3.6万辆迅速到50万辆。到了20世纪初，仅仅是日本对其需求量已经达到了50万辆。与此同时，电动自行车在亚洲的其他地区也有着广阔的市场和良好的前景。总体看来，电动自行车在全球市场的潜力依然巨大，并且上升趋势明显。

（1）欧洲

受欧洲油价上涨的影响，加上欧洲人良好的环保意识。有专家分析认为，在接下来的几年中，电动自行车将会作为欧洲下一阶段的主推产品出现。仅仅是在欧洲市场每年便可以有300万至400万的销量。欧盟执行委员会为了推动电动车辆的发展在欧盟中的10国推出了一项名为E-Tour，以电动自行车为中心的计划。拟计划通过向大城市分发上千辆电动自行车来达到刺激欧洲各大城市使用绿色的交通工具。荷兰的鹿特丹有着完善的自行车道系统，而它被分配了100辆车。除此之外，人口老龄化问题在欧洲各国变得越来越严重，大批的中老年人群将成为电动自行车的潜在买主。

目前在欧洲，德国是电动自行车消费市场的主力军，目前电动自行车平均价格大概在换算为人民币800元左右。但谁也不会相信在电动自行车刚进入德国时，曾有专家认为，超过一半的德国人依然会选择自行车作为首选代步工具，因此销售量不会太高，市场潜力也不会很大。但在1998年电动自行车的销量却迅速飙升，据不完全统计，1998年德国电动自行车一共售出1.5万辆左右。因此目前越来越多的国家和制造商开始在德国投入生产，就连原来一直以制造摩托车为主要盈利的意大利著名厂商Piaggio和Malaguti也已经加入了电动自行车的生产，这足以证明电动自行车在生产商眼中巨大的市场潜力。

（2）美国

美国政府历来提倡节减少费用和污染，提倡减少对汽车的使用，现在已经有不少人放弃汽车转而开始使用电动自行车。1999年，电动自行车在美国的拥有量仅为6.5万辆，而到了2000年，数量已经翻了一倍，以令人震惊的速度紧追欧盟市场。只要继续提高产品质量，同时政府为使用者提供安全的车道和足够的停车设施，电动自行车在美国销量还将进一步增加。

目前美国各大公司已经对电动自行车及周边产品的生产产生了浓厚的兴趣。克莱斯勒汽车公司、通用汽车公司、尤尼克公司均已经投入到电动自行车产品的开发及竞争当中。

（3）台湾

因为台湾政府前些年未对摩托车进行管制，致使摩托车数量已经达到了平均两人一辆的程度，随之而来的是严重的污染和混乱的交通。所以目前台湾大力推荐有助于环保的电动自行车。台中还特别成立了相关组织和盟约实现了统一电池标准。著名台湾企业利达和捷安特生产的电动自行车比大陆产品拥有更好的性能和更合理的价位。

（4）国内

由于巨大的需求量，近年来我国电动自行车销量一直以飞速增长。据统计，1998年全国产量仅为5.4万辆，1999年翻了一番，2000年已经达到了27万辆，是前一年的230%。 2002年达到158万辆，到2003年已经跃居世界第一，有400万辆。这六年年均增长速度超过120 %。 到了2006年产量己接近2000万辆，同比增长了61%，是1998年的361倍，速度增长令人吃惊。

不仅如此，目前已有六七百家电动自行车的生产企业，是数年前的几十倍。与之配套的周边厂商更是有数千家，产值逾千亿元。

1.3目前电动自行车的相关技术

电动机作为电动自行车的核心部件之一，有 “电动自行车的心脏”之称。所以可以说，电动自行车驱动技术的发展决定了电动自行车行业整体的发展。到目前，电动自行车有以下几种驱动方式:一是高速电机电动轮毂;二是低速无刷轮毂式电机;三是中轴驱动电机，除此以外还有摩擦轮电机，以及一些比较特殊的电机。2004年以后，无刷低速电机的控制器技术得到了革命性的改进，可靠性得到很大提高，不再出现经常烧坏的故障，同时绕组结构也发生了重大变化，大幅度提高了性能，已经和高速电机的水平相差无几。虽然在省电和整机可靠性方面有所逊色，但因为其拥有价格略低的优势，使之迅速成为国内市场的佼佼者。就目前来说，电动自行车使用的电机几乎都是外转子永磁无刷电机。无传动结构，结构简单，增加了骑行空间是其主要优点。由它的磁密波形接近梯形并且不存在“无火花换向区”的限制，其效率和功率密度都要比永磁有刷电机高，作为电机来说，它在性能上非常具有优势。从整车电力驱动系统看来，它的运行需要与控制器进行紧密配合，但这种控制器在复杂程度上却又比永磁有刷电机高出很多。控制器上的关键器件，比如说如大功率器件，是十分容易损坏的，尤其是它使用的拓扑结构为三相全桥电路，这种电路在运行过程中会发生上下桥臂直通现象，这对于控制器的可靠性来说是一种威胁。再加上电机本身有永磁体，这样既使成本增高，而且在电机高温时会有退磁可能，这在无形中缩减了电动自行车的使用时间。这些都是目前在永磁直流无刷电机的使用中需要改进的问题。

另一个问题来自电池，电池的性能也决定着电动自行车的续航能力。现在各种类型的电池层出不穷，其中铅酸，镍福，镍氢，钠硫和锌空气等电池在电动自行车中使用较多。而其中以铅酸电池尤为普遍，但它较低的比能量和能量密度导致的行程短、充电时间长、体积大质量重等问题却成为限制电动自行车发展的因素。但是即便这样，在未来10年中，铅酸蓄电池仍是电动车辆的主力军。即使有更加先进电池被研发出来，铅酸电池依然会出现在一些性能较低、价格便宜的电动车辆上，电动自行车就是其中之一。这就对电动自行车系统本身的效率提出了很高的要求。同时，如果能够回收制动过程中的动能，即在制动过程中，希望电机能把电能回收，把机械能转化为电能，重新存储到电池中，这样就能在不改变电池前提下提高电动自行车一次充电的行驶距离。经过相关测试，城市中电动自行车在使用时平均刹车次数为0.5次/分，在郊区或者农村使用时平均刹车次数为0.2次/分，而车辆的动能在刹车中受到了很大的损耗，电动自行车需要重新加速，这就会在短时间内使用大量的电能。根据估算: 假定车载10AH电池，一辆普通电动自行车加速到正常的7米/秒至少需要150安培秒，而铅酸电池总蓄电量也只有36000安培秒左右。如果能通过能量回收装置将把这些能量重新储存回蓄电池，即使效率只有一半也可以将行驶里程的延长20%左右。如果要在目前市场上占主导地位的永磁无刷电机上增加回馈制动功能，控制将变得更为繁杂，对控制系统的可靠性要求也提高了许多。

1.4开关磁阻电机的提出

既然目前永磁无刷电机存在控制难度高、退磁威胁、电池体积大质量重、铅酸蓄电池能量密度低、行驶里程短等一些问题，那么寻求一种更合适的电机才是电动自行车发展的长久之道。通过分析和查阅资料发现开关磁阻电机是一种很好的选择。

开关磁阻电机全称Switched Reluctance Machine，简称SRM。其具有结构简单坚固、低成本、容错性能高以及高速运行的特点，目前它正在越来越广泛地应用于航空、电动自行车、电动汽车上的行驶与启动，发电系统以及工业调速领域，具有非常巨大的应用潜力与实际价值。

而开关磁阻电机调速系统是上世纪80年代中期发展起来的新型调速系统，它将开关磁阻电机与电力电子技术和自动控制技术有效结合；将直流电机调速系统的特点与异步电机变频调速系统的优点有效结合，这使开关磁阻电机系统成为电力传动中一个重要的研究方面。

开关磁阻电机的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成，定子和转子同时为凸极齿槽结构。它具有结构简单坚固，优异的控制性能和高能量转化效率等特性。所以，虽然和传统的调速系统相比，开关磁阻电机的发展时间较短，但其已经凭着极高的竞争力成为了交流变频调速系统和无刷直流调速系统强有力的竞争对手。因为其特殊的结构，即转子上不加绕组，也没有永磁体，定子上有集中绕组，所以其在故障时依旧有着不错的运行能力，同时在极端环境中运行稳定。因此，SRM系统能够很好地适应恶劣的工作环境。同时SRM作为一种典型的机电一体化设备，有着控制灵活，容易实现四象限运行的优点，并且它在作发电机运行时也有着出色的表现。

1.5开关磁阻电机的发展

最早在1840年，人们就已经了解了开关磁阻电机的基本结构和其工作原理，那时的研究人员就已发现了使电动机运行的简单方法，那就是利用顺序磁拉力。1842年，最初的开关磁阻电机模型在英国人Aberdeen和Davidson手中诞生了。但却受限于当时落后的技术使得电机的运行参数不是很令人满意。在之后的很长一段时间内，开关磁阻电机的发展进程几乎停滞。到了1960年，对于开关磁阻电机的研究力度在大功率晶闸管的研制投产问世后得到了巨大的提高。

到了1967年，英国的Leeds大学开始对于开关磁阻电机展开了更深入的研究工作。6年之后英国的Nottingham大学也开始了相关研究。1975年，Leeds和Nottingham的共同研究团队参加了Chlorida Technical公司发起的蓄电池车辆驱动装置的研究课题，之后，50000W开关磁阻电机装置出现在大家的眼前，并成功应用在汽车上。它不管是单位输出功率还是效率都要比同类的异步电动机驱动装置高，这也证明了开关磁阻电机拥有着广阔的前途。

到了20世纪80年代，Leeds大学的Lawrenson教授带领他们的团队整理了这些年来的研究成果，发表了一篇题为《变速开关型磁阻电动机》的论文，这使开关磁阻电机得到了国际认可。在文章中具体分析了开关磁阻电机的基本原理、设计理论、特性以及控制方式。在这论文发表一年后，英国TASC公司取得了授权并制造了开关磁阻电机调速系统。到了1983年，名为Oulton的通用调速系列产品也出现在世人面前，它的出现在电气传动领域引起了不小的轰动。另外SRD Ltd也研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，并得到了良好的运行。这个系统的性能和指标超过了很多传统与常用的调速系统，得到了很高的评价。在这之后，美洲国家也竞相开始开发开关磁阻电机及其相关系统，并在系统一体化、电磁分析、微型计算机应用、功率元件应用、新型结构开发等方面取得喜人的成果。

1.6 开关磁阻电机的性能特点及应用领域

SRM调速系统的主要性能特点如下：

（1）结构简单、成本低

相比于鼠笼式感应电动机，开关磁阻电动机的结构要更为简单，转子上无绕组是其突出的优点，因此，在鼠笼感应电机中出现的如铸造不良和断条等问题并不会出现在开关磁阻电机中。SRM的转子有着很好的机械弹性，可以适应超高速运转。在定子上只有几个集中绕组，这使它制造简单，而可靠性更高。

（2）各相工作相互独立，系统可靠性高

从电磁结构上看，各相绕组和磁路在一定转角范围内产生电磁转矩，而它们是相互独立的。而在一般电动机中圆形旋转磁场必须靠各相绕组和磁路共同作用而产生才能使电动机正常工作。从控制器结构上看，每一相绕组各自由各相电路供电，一般工作时也是互不影响的，即各相绕组之间实现了电气隔离。所以，当电机中有一相绕组发生故障时，受影响的只有这一相，电机除了输出的总功率有所降低，而其他相不受影响，不影响电机正常的工作。因此，开关磁阻电机可以被应用于很多特殊的场合与领域，比如航天航空等等，这些都得益于它的高可靠性。

（3）功率电路简单可靠

开关磁阻电机可以实现每相一个功率开关的要求，因为它只需要单向的绕组电流。这又是因为其特有的特性，即其转矩方向只与每一相的通电顺序有关，而与绕组中电流的方向无关。与之相比，感应电机的绕组需要流过双向电流，这也就是说每一相需要的功率开关都是开关磁阻电机的两倍。所以在开关磁阻电机中需要的功率开关要少于脉冲宽度调制变频器电路。此外，SRM调速系统中所有的功率元件直接与电动机绕组相串联，这使其从根本上避免了直通短路现象的发生。因此，可以对SRM调速系统中的功率保护设计进行优化，这既有利于提高了工作的可靠性同时也能节省费用。与之相比，感应电动机中脉冲宽度调制变频器功率电路中每桥臂的两个功率元件直接分布在电源两边，这使得发生直通短路的概率大大提高，而后果就是功率元件的损毁。

（4）大起动转矩，小启动电流

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