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电动车用开关磁阻电机设计与优化方法

摘要：随着人们生活水平日益提高，人均汽车占有量大幅度提升，传统汽车

产生的尾气对环境造成了严重威胁，因此发展绿色交通工具成为当今社会的一个

热点话题。电动汽车具有噪音低、无污染和能源利用率高等特点，是比较理想的

交通工具。近年来电力电子技术不断发展，微电子、电机学、现代计算机技术和

控制理论也开始完善，这都促使开关磁阻电机系统得到了飞速的发展。目前已成

功应用于电动车用驱动系统、家用电器、高速驱动、泵及风机等众多领域中，创

造了巨大的经济效益，是直流电机调速系统、交流电机调速系统、无刷直流电机

调速系统强有力的竞争者。

关键词：开关磁阻电机；设计；优化

目前国家正大力发展新能源技术，电动车因势而起，得到了快速的发展，电

动车作为一种新兴的代步用车，不仅绿色环保而且在未来有极大的发展潜力。目

前电动车驱动电机主要有永磁电机、异步电机、直流电机等。作为一种新型电机，

开关磁阻电机SRM由于其结构简单、制造成本低、调速范围宽、控制灵活且效率

高等优点，与传统的电动车驱动电机相比有较大的竞争力，而且能满足电动车起

动转矩大、起动电流小的需求，所以在电动车驱动领域中有较大的发展潜力。

一、开关磁阻电机基本原理

开关磁阻电机依靠定、转子之间磁阻变化运行，当给定子其中一相绕组通电

时，若定子极轴线和转子极轴线不重合，就会有磁阻力作用在转子上，使转子运

动，直到两者轴线重合，磁阻力消失，在惯性作用下继续旋转一定角度，然后换

相邻绕组通电，使转子继续转动[1]。如图。

图中定子极上为定子线圈，标有箭头的绕组表示该相绕组通电，虚线表示磁

力线，转子起动前的转角为0°。在初始位置，A相绕组通电，在磁力的作用下，

距A相最近的转子极受力开始逆时针转动，使磁阻变小，转子旋转到5°，又

旋转了10°，直到15°为止，转子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续

转动，必须在转子不受力时切断A相电源，同时接通B相，于是B相产生磁

通，磁力线沿磁路最小的磁极通过转子，在磁力的作用下继续转动，直到转到

30°之前，关断B相绕组电源并开通C相绕组，使转子继续转动，在转到45°

之前接通A相绕组电源，以此类推，电机就会运行下去。三相绕组轮流通电一

次，转子逆时针转动π/4（即一个极距角），定子磁场顺时针转动π/2。只要

各相按照一定的顺序导通，电机就能正常工作，与磁力线方向无关，即与电流方

向无关，通电顺序与旋转方向相反。

二、SRM的定转子齿极结构优化

1、定子结构优化设计。利用上节优化电机尺寸参数后的SRM进行定转子

结构优化设计。在SRM线性模型中，电机转矩的表达式为：

由式SRM的转矩是电机转子旋转过程中气隙磁导发生变化而产生的。转矩的

大小主要取决于相电感相对于转子位置角的变化率，相电感相对转子位置角的变

化率越大则电机转矩值将越大。此变化率可通过改变定子磁极和转子磁极之间的

气隙形状来控制。本设计提出了一种具有非圆形的定子磁极极面，这种定子磁极

表面将会使电机转子在转动过程与定子磁极之间产生非均匀的气隙，以此来改变

相电感对转子位置角的变化率。

如图所示，半径R的长度等于定子内径的二分之一，即以转子内径的圆心

为圆心，二分之一定子内径为圆的半径。通过改变原始圆心的横坐标的数值，得

到新的圆心。以新圆心作为圆心，新圆心到定子磁极的距离作为半径画圆弧，利

用此圆弧切割SRM定子磁极，得到新的定子磁极。在定转子磁极刚进入重叠区

域时，原始SRM定转子磁极间的气隙突然减小，气隙磁场能量发生突变，磁力

线集中且径向磁力线分量较大。而改进定子磁极后的SRM在定转子磁极刚进入

重叠区域时，由于具有非圆形的定子磁极极面，气隙的变化相对缓和，磁力线较

原始SRM稀疏且径向磁力线分量较小。保持新的圆心纵坐标恒定不变，增加圆

心横坐标，增加量由0.8mm到4.8mm。得到SRM在瞬态场下，圆心横坐标取不

同值时，电机平均转矩、最大转矩和转矩脉动分别与不同值的圆心横坐标之间关

系。

当圆心横坐标增量的取值从0.8mm增加到4.8mm时，电机平均转矩、最大

转矩和转矩脉动均呈增大趋势。曲线各点的斜率基本不变，说明平均转矩、最大

转矩和转矩脉动值均呈线性增大。这