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如何更新新能源汽车用SRM的定子铁心结构?

针对开关磁阻电动机(switched reluctance motor, SRM)转矩脉动大及振动噪声明显的特性,提出一种改进定子外接正12边行的定子新结构。通过有限元方法对一台三相12/8极SRM进行固有频率评估,分别得到了两种定子铁心结构前六阶固有模态振型。

结果表明,两种定子结构均存在两个频率接近的固有频率,其振型的振动方向是反向的,此两种振型可转化成一个模态;通过外接正12边行结构,改变了定子铁轭的形状,提高了定子铁心的固有频率,前六阶固有频率分别提高47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%,改进后的定子铁心结构能有效降低因共振而引起的电磁振动与噪声。

通常将铅酸或锂电池作为新能源汽车驱动电源,受到电池容量的影响,若要增加新能源汽车的续航能力,则需配备节能、高效的电动机调速系统。开关磁阻电动机(switched reluctance motor, SRM)为目前发展较为迅速且高效的一类新型调速电动机。

SRM驱动系统具有功率密度高的特点:①减小了电动机的重量及体积,进而节省新能源汽车的有效空间;②SRM可控参数多,具有优异的调速特性,尤其适用于频繁起停场合;③SRM能在较宽功率区间及转速范围内持续高效运行,能有效提高新能源汽车的续航行驶里程。

但SRM电磁转矩脉动大,在特定频率下会产生谐振现象,使得SRM振动及噪声问题较为突出,因此如何降低及控制SRM的振动和噪声是目前SRM设计过程当中的重要环节。

电动机的电磁振动噪声一方面与气隙磁场中电磁力波频率及幅值有关,另一方面还与电动机自身固有频率有关。电动机电磁振动噪声是因为径向电磁力波频率与电动机固有频率相接近,从而引发共振现象。为了降低电动机振动及噪声应使这两者频率错开以防发生共振,因此研究电动机的固有频率特性对减弱电磁振动与噪声具有十分重要的意义。

文献[11]提出在转子齿部位置开孔以改变磁力线的走向,从而有效控制了电动机的振动问题。文献[12]采用电流整流器(CSR)作为输入级的两极功率变换器,降低了SRM的振动。文献[13]通过对不同定子结构优化设计得到了电动机其固有频率,同时将这一结果和瞬态场下的计算结果进行了对比。文献[14]采取对转子齿部位置开槽的方法控制了电动机的径向力波。

本文以一台三相12/8极SRM为对象,首先利用有限元方法对其进行了固有频率计算;为提高电动机的固有频率,降低SRM因振动产生的噪声。考虑在原有定子铁心的基础上对其结构进行改进,定子外圆环外接正12边行,对比分析了两种定子铁心结构其固有频率分布。

如何更新新能源汽车用SRM的定子铁心结构?
图4  改进后的铁心结构

如何更新新能源汽车用SRM的定子铁心结构?
图5  改进后定子铁心及有限元模型

改进后定子结构的SRM样机前六阶振型位移结果如图6所示,其中位移量均以毫米为单位。

如何更新新能源汽车用SRM的定子铁心结构?
图6  改进后定子铁心前六阶振型位移云图

结论
本文以三相12/8极SRM为研究对象,采用有限元分析方法对SRM定子铁心分别采用传统结构及改进后结构的固有频率进行了分析,得到以下结论:

1)无论是传统定子结构还是改进后的定子铁心结构,总是存在两个接近的固有频率,此两个固有频率所对应振型的振动方向为反向状态,但定子铁心呈对称结构,因此可将这两种模态转变成一个模态。

2)相比传统定子结构而言,改进后的定子铁心结构定子外圆环外接正12边行,改变了定子铁轭部位的形状,使得12边形角落位置的轭厚得到增加,提高了定子铁心的固有频率,其1阶到6阶固有频率分别提高47.38%、48.14%、9.70%、12.63%、20.59%、28.03%,改进后的定子铁心结构能有效降低因共振而引起的电磁振动与噪声,为开关磁阻电机振动噪声优化设计提供了一定的参考依据。
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