基于定转子开窗的混合励磁双定子BSRM振动抑制_项倩雯.pdf

2023，50(7)控制与应用技术EMCA收稿日期:2022-11-13;收到修改稿日期:2023-03-27*基金项目:江苏省重点研发计划项目(BE2021094)作者简介:项倩雯(1982)，女，博士，副教授，研究方向为特种电机电磁设计及优化。彭振德(1996)，男，硕士研究生，研究方向为特种电机电磁设计优化和特种电机振动噪声分析。孙玉坤(1958)，男，教授，博导，研究方向为特种电机设计、控制系统等。基于定转子开窗的混合励磁双定子 BSM振动抑制*项倩雯1，彭振德1，欧钰1，孙玉坤2，袁野1(1江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江212013;2南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京211167)摘要:无轴承开关磁阻电机(BSM)由于容错性高、损耗小、效率高等优点在工业领域已得到广泛应用，但电机运行时振动会限制其在某些领域的应用。以混合励磁双定子 BSM 为研究对象引入一种在定转子齿部开窗的方法，通过改变外定子或转子铁心磁阻大小，可以减小气隙中的磁密大小，达到减小电磁振动的目的。采用电磁有限元法与正交试验法优化窗口的位置和尺寸，验证转子开窗对外定子径向力和转矩的影响，最后通过模态叠加法验证转子开窗对振动响应的影响。结果表明，该方法对混合励磁双定子 BSM 电磁振动有较好的抑制效果但对电机转矩有一定影响。关键词:无轴承开关磁阻电机;电磁振动;定转子开窗;磁阻;磁密中图分类号:TM352文献标志码:A文章编号:1673-6540(2023)07-0043-08doi:1012177/emca2023067Vibration Suppression of Hybrid Excitation Double-Stator BSMBased on Stator-otor Fenestrating*XIANG Qianwen1，PENG Zhende1，OU Yu1，SUN Yukun2，YUAN Ye1(1School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013 China;2School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China)Abstract:Bearingless switched reluctance motor(BSM)has been widely used in industry due to its high faulttolerance，low loss and high efficiency，but the vibration during motor operation can affect its application in certainfields Taking BSM as the research object，a method of opening the window at the stator-rotor teeth is introduced Bychanging the reluctance of stator or rotor core，the magnetic flux density in the air gap can be reduced，to achieve thepurpose of reducing electromagnetic vibration The position and size of windows are optimized by electromagnetic finiteelement method and orthogonal experimental method Verify the impact of rotor window opening on radial force andtorque of the external stator Finally，the influence of rotor window opening on vibration response is verified by modalsuperposition method The results show that the proposed method has a good suppression effect on the electromagneticvibration of hybrid excitation double-stator BSM，but has a certain influence on the torque of the motorKey words:bearingless switched reluctance motor(BSM);electromagnetic vibration;stator-rotorfenestrating;reluctance;magnetic fluex density34控制与应用技术EMCA2023，50(7)0引言无轴承开关磁阻电机(BSM)具备磁轴承与开关磁阻电机(SM)的优点，因功率密度大、临界转速高、体积小、效率高，故在飞轮储能、磁悬浮列车、航空航天等领域的应用前景广阔13。但BSM 双凸极结构、电流非连续性的特点使其在运行过程中具有较高的振动噪声，限制了其在某些对电机性能要求高的场合的应用，因此如何降低 BSM 振动噪声成为目前该领域的重要研究方向之一。BSM 运行时定子受径向电磁力作用发生形变从而产生振动噪声辐射，定子径向力频率和固有频率越接近，振动噪声就越强烈。目前国内外降低 BSM 振动噪声的研究从控制策略和电机本体结构角度出发。文献 410分别采用两相控制、换相角优化、模糊控制、神经网络、线性化控制等方法降低振动，这些降振措施大多从降低转矩脉动和减小径向力幅值的角度出发抑制振动。文献 11 提出一种平滑电压脉冲宽度调制(PWM)策略，通过降低关断换流角期间的电压变化率从而降低振动噪声。文献 12引入电流高次谐波使电流波形的均方根值达到最低，控制电机加速度从而减弱振动。文献 13表明不同绕组结构对电机振动噪声有影响。文献 14提出改变定子轭形状对振动有抑制效果。文献 15通过改变散热筋结构降低了 SM 的振动。文献 16 提出在转子齿两侧开槽有助于减弱径向力从而减小振动。上述控制策略减振会产生较高的开关损耗和较低的转矩密度，改变电机结构从而降低振动但同时会降低电机效率。目前针对双定子 BSM 振动研究较少，混合励磁双定子 BSM 有内外两个定子，在飞轮电池等领域应用时产生的振动也不可忽略，但是由于双定子电机转子与内定子闭合，并且混合励磁双定子 BSM 内定子通过定向控制电流产生悬浮力，外定子三相轮流导通产生转矩，振动主要是由外定子形变振动并与壳体相连引起，混合励磁双定子 BSM 电磁振动主要源于外定子所受径向力发生形变产生的振动噪声辐射1719。本文提出混合励磁双定子 BSM 在外定子和转子齿开窗以增大铁心磁阻，减小磁通，降低径向力，最终减弱电磁振动。通过 2D 有限元法计算不同开窗位置及不同窗口尺寸时电磁转矩和外定子径向力大小，验证在转子齿铁心开窗时可减弱电磁振动。采用正交试验法确定最优电机最优开窗参数，通过 3D 结构场模态叠加法进行电机振动加速度和振动响应分析，验证本方案对电机振动抑制的有效性。1电机运行机理与振动抑制方法11电机运行机理混合励磁双定子 BSM 由 24 极外定子、12极转子、8 极混合内定子构成，电机运行机理如图1 所示。外定子分 A、B、C 三相与转子根据磁阻最小原理产生转矩，以 A 相为例，励磁后产生磁力线在外定子、气隙、转子构成闭合回路，磁场形变产生切向磁拉力从而产生转矩。内定子与永磁体共同励磁产生稳定悬浮力，以 x 方向为例，转子向 x 负方向偏移时，浅色路径为永磁体产生偏置磁通，深色路径为 x 方向绕组励磁产生控制磁通，在 x 正方向控制磁通和偏置磁场相互叠加产生正向悬浮力，转子回到平衡位置，实现转矩与悬浮自解耦的同时降低转矩脉动提高悬浮力。图 1电机运行机理图混合励磁双定子 BSM 的设计目标如表 1所示。表 1混合励磁双定子 BSM 设计目标参数名称参数值额定功率 PN/kw16效率/%75轴径 Disi/mm10最大悬浮力 Fmax/N150额定转速 n/(r min1)7 000额定电压 U/V220表 2 为电机主要结构参数。442023，50(7)控制与应用技术EMCA表 2电机的主要参数参数名称参数值转子外径 Dro/mm72轴长 lz/mm375内定子占空率 fi2/3悬浮气隙 lgm/mm03转矩气隙长度 lt/mm03外定子内径 Dosi/mm726转子齿高 hcr/mm96转子极弧 r/()9转子极宽 br/mm565外定子轭厚 hos/mm399转子轭厚 hr/mm396外定子外径 Doso/mm113转矩绕组每相匝数 Nt37内定子外径 Diso/mm44412基于定转子齿开窗的电磁振动削弱方法混合励磁双定子 BSM 电磁振动源于外定子气隙磁场产生的电磁力，外定子径向电磁力的幅值和力波频率对电机振动影响较大，当外定子径向电磁力和电机模态固有频率接近时会发生共振现象。根据麦克斯韦张量法，外定子表面所受径向力 Fr和切向力 Ft与磁密 B 的关系分别为17 Ft=10(Bn)Bds=10BrBtdsFr=120B2nds=120(B2r B2t)ds(1)式中:0为真空磁导率，其大小为 4107H/m;n为单位法向量;Br和 Bt分别为外定子与转子气隙径向磁密和切向磁密。定义 为转子位置角，A 相外定子与转子齿极对齐时=0 此时外定子所受径向力最大，在=15时径向力最小，作用在转子极上的转矩 Tt表达式为Tt=pFtDro2=Dro2sftds=Dro20sBrBtds(2)式中:Dro为转子外径;p 为转子极数;ft为切向力。不开窗时外定子与转子极铁心磁阻可定义为s=lssteelSsr=lrsteelSr(3)式中:ls和 lr分别为外定子与转子磁通路径有效长度;steel为铁心磁导率;Ss和 Sr分别为外定子和转子极通过磁通截面积。若选择外定子与转子开窗，如图 2 所示，其中窗宽为 a1=a2=a，窗高为 b1=b2=b，窗口与齿尖距离为 h1=h2=h。图 2定转子开窗示意图加窗后的外定子与转子极磁阻可表示为s_h=ls+ls_hsteel(Ss Ss_h)r_h=lr+lr_hsteel(Sr Sr_h)(4)式中:ls_h、lr_h分别为外定子和转子变化的等效磁路长度;Ss_h、Sr_h分别为外定子和转子窗口的截面积。由图 2 可知，外定子与转子开窗会影响磁通路径有效长度和横截面积，由式(3)和式(4)可知开窗增加了外定子与转子中铁心的磁阻，降低了磁通，由式(1)可知降低外定子所受径向电磁力，从而减小由外定子所受径向力产生的电磁振动。结合式(2)可知，开窗还会降低外定子所受切向电磁力，影响转矩。因此，提出一种在转子和外定子齿部开窗的方法，既能获得足够的电磁转矩，又能减小外定子径向电磁力达到抑制电磁振动的目的。54控制与应用技术EMCA2023，50(7)综上所述，在外定子与转子齿部位置选择开窗，如图 2 所示，可以削弱电机外定子所受径向力产生的振动但同时会影响电磁转矩。在保证机械强度的前提下，选取定转子齿窗口参数:a=2 mm，b=15 mm，h=05 mm，初步验证开窗对抑制电磁振动的可行性。开窗前后混合励磁双定子BSM 单相通电时，在 t=0 时外定子气隙磁密沿圆周方向径向分量和切向分量分布如图 3 所示，可以看出，在磁密绝对值最大位置=45处，开窗后外定子径向磁密减小了 10%，切向磁密减小了60%，此时径向力为 083 N，转矩为 12 N m。图 3磁密对