CN107834784B - 用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法 - Google Patents

Abstract

用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法,涉及电机领域，为了满足开关磁阻电机的绕组匝数优化需求。该方法包括：步骤一、设计电机的结构尺寸；步骤二、根据电机结构尺寸计算绕组每相串联匝数N_φ；步骤三、在电动运行状态下优化绕组每相串联的匝数：在步骤二得到的每相串联匝数N_φ的基础上扫描电流，找到电流达到临界允许值且电磁转矩满足要求时的最小匝数；步骤四、在发电运行状态下优化绕组每相串联的匝数：寻找满足发电运行状态下的最大匝数，根据起动发电机额定工作状态，在最小匝数和最大匝数之间，寻找同时满足电动运行和发电运行且效率最高的匝数，该匝数即为最优匝数。本发明适用于设计开关磁阻电机的定子绕组匝数。

Description

用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法

技术领域

本发明涉及电机领域。

背景技术

起动/发电机即能当作电动机运行起动发动机，又能作为发电机将机械能转化为电能供用电设备使用，是航空与新能源汽车的关键部件。

目前可以作为起动/发电机的电磁电机有直流电机、永磁电机、同步电机、感应电机、开关磁阻电机。其中直流电机以及无刷直流电机由于自身的劣势已经很少使用；旋转整流器式同步电机是目前航空电源系统的主选发电机，这种电机包含了主发电机、交流励磁机和永磁副励磁机以及旋转整流器，用做起动机时，还必需在励磁机磁极上增加一套三相绕组，导致电机结构过于复杂，可靠性和效率较差；笼型异步机由于转子结构简单，在电力牵引以及调速场合得到广泛的应用，随着电力电子技术的发展，异步电机与电力电子变换器联合工作不仅使得其成为性能优良的变频调速系统，而且使得其起动/发电双功能一体化也成为可能，由于变频器发展较为成熟，笼型异步机－电力电子变换器起动/发电系统也是一种有潜力的起动/发电系统。开关磁阻起动/发电系统(简称SR起动/发电系统)是最新型机载起动/发电系统，它允许能量的双向传输，使得该系统无需附加任何附件就能实现起动/发电双功能，即可形成具有优良特性的开关磁阻起动/发电系统。

用作起动/发电的开关磁阻电机的设计不能单独考虑电动运行或发电运行，需要综合考虑，因为两种运行方式对电感的需求不同，目前还没有满足上述要求的用于起动/发电的开关磁阻电机的绕组匝数优化设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了满足开关磁阻电机的绕组匝数优化需求，从而提供用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法。

本发明所述的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，包括：

步骤一、设计电机的结构尺寸；

步骤二、根据电机结构尺寸计算绕组每相串联匝数N_φ；

步骤三、在电动运行状态下优化绕组每相串联的匝数：在步骤二得到的每相串联匝数N_φ的基础上扫描电流，找到电流达到临界允许值且电磁转矩满足要求时的最小匝数；

步骤四、在发电运行状态下优化绕组每相串联的匝数：判断步骤三得到的最小匝数是否满足发电要求，如果判断结果为是，则增加匝数，寻找满足发电运行状态下的最大匝数，根据起动发电机额定工作状态，在所述最小匝数和最大匝数之间，寻找同时满足电动运行和发电运行且效率最高的匝数，该匝数即为最优匝数，如果判断结果为否，则重新设计电机的结构尺寸。

优选的是，步骤二中，根据电机结构尺寸计算磁链的最大值ψ_m和齿部最大磁通φ_m；根据ψ_m和φ_m计算绕组每相串联匝数N_φ。

优选的是，步骤二中计算磁链最大值ψ_m的具体方法为：

其中，u为电源电压，ω为角速度，θ_off为关断角，θ_on为开通角。

优选的是，步骤二中计算齿部最大磁通φ_m的具体方法为：

φ_m＝B_psS；

其中，B_ps为齿部最大磁感应强度，S为齿部截面积。

优选的是，步骤二中根据ψ_m和φ_m计算绕组每相串联匝数N_φ的具体方法为：

优选的是，步骤三中，在电动运行状态下优化绕组每相串联的匝数的具体方法为：

步骤三一、扫描电流，观察电磁转矩是否符合要求：

在有限元软件中，按照电机的结构尺寸及绕组每相串联匝数进行建模，然后对电流进行从小到大进行扫描，得到不同电流对应的电磁转矩；

步骤三二、判断输出转矩满足要求时的电流是否达到电流临界允许值；如果判断结果为是则执行步骤四，如果判断结果为否，则执行步骤三三；

步骤三三、减小绕组每相串联匝，并返回步骤三一。

本发明的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，利用该设计方法可以提高电机效率，并使磁阻电机作为起动/发电机时最大限度的发挥电机的能力。

附图说明

图1是本发明的开关磁阻电机的结构示意图；

图2为电动和发电两种运行状态时电磁转矩随匝数变化趋势图；

图3是电机在电动状态时电流、磁链、电感和旋转角度的关系曲线图；

图4是电机在发电状态时电流、磁链、电感和旋转角度的关系曲线图；

图5是磁链与电流所围面积图；

图6是本发明的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，开关磁阻电机包括定子和转子，定子包括定子轭1、定子齿2和绕组3，定子采用凸极结构，定子绕组为集中绕组，转子包括转子轭4、转子齿5和转轴6，转子采用凸极结构，定转子的齿数配合包括6/4，8/6，12/8，12/10……等配合方式。起动发电机在起动时采用电流斩波控制(CCC)，发电时采用角度位置控制(APC)。

忽略漏抗、损耗等，对电机进行分析，可得电机的近似模型。

根据所述电机结构，开关磁阻电机电感L表达式如(公式1)所示：

其中，L_min为定子齿与转子槽对齐时的电感，L_max为定子齿与转子齿对齐时的电感，k为由θ₁到θ₂时电感变化率，θ为转子旋转角度，θ₁为转子齿前沿与定子齿后沿对齐时转子转过的角度，θ₂为转子齿后沿与定子齿后沿对齐时转子转过的角度，θ₃为转子齿前沿与定子齿前沿对齐时转子转过的角度，θ₄为转子齿后沿与定子齿前沿对齐时转子转过的角度；

根据电机原理，当SR电机由恒压直流电源供电时，可以写出一相电路的电压方程式：

其中，u为电源电压，R为绕组电阻，i为通过绕组的电流，ψ为磁链，t为时间；

忽略绕组电阻R简化(公式1)得：

或者

式中为转子的角速度，+用于绕组与电源接通，-用于绕组与电源断开；

整理得

其中，θ_on为开通角，θ_off为关断角，θ_p为磁链减为零时转子的角度，N_r为转子齿数；

通过绕组的电流可以通过求解微分方程(公式6-1)解出

或写成

可以求出电流表达式如下:

电磁转矩T_av的表达式如下:

其中，N_s为定子齿数，根据(公式8)，提高转矩的办法在于增加曲线积分所围的面积。

根据(公式5)、(公式7)所示，电流和磁链都随着转速的增加而减小，不考虑斩波的情况下，在电动运行的额定转速点，上述曲线积分所围面积最小，用S_min代表此时曲线积分所围面积，如图5所示，图中i_Z为电动时的斩波电流。

在额定转速之前，电机恒转矩输出，因此当S_min满足输出转矩的要求时，整个电动运行过程就都能满足输出转矩的要求。

在不采用斩波时，S_min的大小取决于磁链、电流随旋转角度的变化情况。

据(公式5)以及图3可知在开通角、关断角、电压、转速固定时磁链与角度的关系是固定的。

根据(公式9)可知，当电感减小时，最大磁链ψ_m对应的电流值变大，

根据以上所述满足输出电磁转矩要求的S_min需要更大的电流值，因此减小电感会增加电流斩波值。

大的斩波值对功率变换器件要求更高，损耗也会相应增加，整体性能下降。

因此电动运行时的电感值与系统整体性能存在优化关系。

电感的大小和匝数的平方成正比关系，因此在结构尺寸固定时，优化匝数能够提高电动运行时的系统效率。

在发电时，根据图4及下述公式，可知在额定转速时只有当i_c满足时,才会顺利发电.

其中，Ω为机械角速度、U为电源电压，i_c为发电时开始斩波或开关关断时绕组电流；

在电机结构、导通角、关断角、励磁电压、转速固定时，i_c随电感的增加而减小，若i_c不能满足上述要求，便无法顺利发电，所以发电时要求最大电感足够小。

根据以上分析，在电动运行时，增加匝数有利于减小电流，而在发电运行时，减小匝数有利于增大i_c，因此在电动运行时满足最大电流要求时的最小电感是最符合发电运行的。

如图2所示，在最小电动转矩对应匝数到最小发电转矩对应匝数之间存在使效率最高的匝数，该匝数便是最终需要的匝数。

电机设计初期，根据输出转矩的要求，可以计算出电机的结构尺寸以及定子极弧系数、转子极弧系数、第一气隙、第二气隙、开通角、关断角。

用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，包括：

步骤一、设计电机结构尺寸；

步骤二、根据电机结构尺寸初步设计计算绕组每相串联匝数N_φ；

计算最大磁链：

根据电机原理，当SR电机由恒压直流电源供电时，可以写出一相电路的电压方程式：

其中，u为电源电压，R为绕组电阻，i为通过绕组的电流，ψ为磁链，t为时间；

忽略绕组电阻R得：

或者

式中为转子的角速度，+用于绕组与电源接通，-用于绕组与电源断开；

整理可得磁链的最大值ψ_m如下:

计算齿部最大磁通：

在电机设计的初始阶段，预估了定子齿部最大磁感应强度B_ps

齿部磁通φ_m＝B_psS

S为齿部截面积，在电机尺寸设计时得出。

计算每相串联匝数：

绕组每相串联匝数

根据上述原理，对匝数进行优化设计，步骤如下：

步骤三一、扫描电流，观察电磁转矩是否符合要求；

在有限元软件中，按照计算所得电机的结构尺寸，绕组匝数进行建模，然后对电流进行从小到大每隔一段间隔进行扫描计算，得到不同电流对应的电磁转矩。

步骤三二、判断电流是否达到临界允许值；

根据电机的冷却方式、槽满率以及功率变换器件、过载能力的限制，电流不能大于满足上述限制的临界值。

根据步骤三一所述计算结果，对比满足输出转矩要求时的电流是否达到上述的电流临界允许值。

步骤三三优化每相串联匝数

根据步骤三一和步骤三二所得电流比较结果，若电流未达到临界允许值，则减小匝数，重新扫描，即找到满足输出电磁转矩要求的前提又不大于电流限制值时电流所对应的最小匝数。

一般情况，满足电动时的电磁转矩的匝数也会满足发电时的转矩要求。因为电机功率一定，发电时转速较高，因此转矩较低，本方法先找到满足电动时的电磁转矩的最小匝数,在此匝数基础上找到满足发电的最大匝数，最后考虑起动发电机的工作状态依照损耗最小的原则进行优化。

步骤四、根据损耗优化匝数：

根据步骤三得到的绕组匝数是满足电动运行的最小匝数，根据图2所示，判断步骤三得到的最小匝数是否满足发电要求，如果判断结果为是，则增加匝数，通过有限元软件找到满足发电运行状态下的最大匝数，根据起动发电机额定工作状态，在所述最小匝数和最大匝数之间，寻找同时满足电动运行和发电运行且效率最高的匝数，该匝数即为最优匝数，如果判断结果为否，则重新设计电机的结构尺寸。

本实施方式中，开关磁阻电机定子齿数N_S＝6，凸极转子齿数Nr＝4，电机相数m＝3，相对齿上的绕组或串联或并联构成一个电枢绕组。

本发明通过对开关磁阻电机电动状态输出转矩与电感的关系以及发电时励磁电流与电感的关系进行分析，得到了一种绕组匝数的优化方法，利用该种优化方法可以提高电机效率，并使磁阻电机做为起动/发电机时最大限度的发挥电机的能力。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，其特征在于，包括：

步骤一、设计电机的结构尺寸；

步骤二、根据电机结构尺寸计算绕组每相串联匝数N_φ；

步骤三、在电动运行状态下优化绕组每相串联的匝数：在步骤二得到的每相串联匝数N_φ的基础上扫描电流，找到电流达到临界允许值且电磁转矩满足要求时的最小匝数；

步骤四、在发电运行状态下优化绕组每相串联的匝数：判断步骤三得到的最小匝数是否满足发电要求，如果判断结果为是，则增加匝数，寻找满足发电运行状态下的最大匝数，根据起动发电机额定工作状态，在所述最小匝数和最大匝数之间，寻找同时满足电动运行和发电运行且效率最高的匝数，该匝数即为最优匝数，如果判断结果为否，则重新设计电机的结构尺寸。

2.根据权利要求1所述的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，其特征在于，步骤二中，根据电机结构尺寸计算磁链的最大值ψ_m和齿部最大磁通φ_m；根据ψ_m和φ_m计算绕组每相串联匝数N_φ。

3.根据权利要求2所述的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，其特征在于，步骤二中计算磁链最大值ψ_m的具体方法为：

其中，u为电源电压，ω为角速度，θ_off为关断角，θ_on为开通角。

4.根据权利要求3所述的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，其特征在于，步骤二中计算齿部最大磁通φ_m的具体方法为：

φ_m＝B_psS；

其中，B_ps为齿部最大磁感应强度，S为齿部截面积。

5.根据权利要求2所述的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，其特征在于，步骤二中根据ψ_m和φ_m计算绕组每相串联匝数N_φ的具体方法为：

6.根据权利要求1所述的用于起动/发电机开关磁阻电机定子绕组匝数的设计方法，其特征在于，步骤三中，在电动运行状态下优化绕组每相串联的匝数的具体方法为：

步骤三一、扫描电流，观察电磁转矩是否符合要求：

在有限元软件中，按照电机的结构尺寸及绕组每相串联匝数进行建模，然后对电流进行从小到大进行扫描，得到不同电流对应的电磁转矩；

步骤三二、判断输出转矩满足要求时的电流是否达到电流临界允许值；如果判断结果为是则执行步骤四，如果判断结果为否，则执行步骤三三；

步骤三三、减小绕组每相串联匝，并返回步骤三一。