密级：内部三相6/4极开关磁阻电机转矩特性分析与优化设计Analysis and Optimal Design of Torque Characteristics of Three-phase 6/4 Pole SwitchReluctance Motor学院：电气工程学院专业班级：电气工程及其自动化1003班姓名：陈运楷指导教师：张殿海（讲师）2014年6月摘要近年来随着电力电子技术和控制技术的发展，诞生了一种新的特种电机—开关磁阻电机。
该电机具有结构简单、调速性能优良、成本低廉、可靠性高、起动转矩大、效率高等优点。
因此，被广泛应用于牵引传动、通用工业、家用电器等众多领域。
然而，由于开关磁阻电机的双凸极结构所引起的磁路非线性和饱和效应以及特殊的供电方式，与传统的电机相比存在着振动和噪声大的缺点，这就大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域的拓展。
因此为了得到更好的开关磁阻电机的动静态性能，如何降低转矩脉动和抑制噪声已经成为今后开关磁阻电机控制系统的研究重点。
首先根据开关磁阻电机的运行机理，以三相6/4极开关磁阻电机作为分析模型，利用ANSOFT软件中的Maxwell模块完成电机的建模和分析。
其次通过修改开关磁阻电机转子极弧系数以及在转子表面开口的方法，改善电机的输出转矩特性。
结合MATLAB软件分析修改转子对平均转矩和转矩脉动的影响。
最后利用实验室自行开发的多目标优化软件对平均转矩和转矩脉动进行多次优化，经过比较后找到最佳解，得到平均转矩提高、转矩脉动下降的结果，达到优化设计的最终目的。
关键词：开关磁阻电机；转矩脉动；平均转矩；优化设计AbstractIn recent years, with the development of power electronic technology and control technology, a new motor called switch reluctance motor, which has so many advantages such as simple structure, excellent performance of speed adjustment, low cost, high reliability, and large starting torque, high efficiency was developed. Therefore, it was applied in many fields such as traction drive, general industrial, and household appliances etc.However, due to the double salient structure of switch reluctance motor which caused nonlinearity of the magnetic circuit and saturation effect as well as the special power supply pattern, compared with the traditional motor the vibration and noise is significant. This feature greatly limited the application of switch reluctance motor to more fields. Therefore, in order to achieve the better dynamic and static performance for the switch reluctance motor, how to reduce the torque ripple and noise has become the hot spot of the future research of switch reluctance motor and its control system.Firstly, according to the operating mechanism of the switch reluctance motor, a three-phase 6/4 pole switch reluctance motor is taken as the analysis model, the torque characteristics is analyzed by utilizing the ANSOFT Maxwell module.Secondly, in the optimization model, the rotor pole arc coefficient and sub-slot on the surface of rotor are taken as the design variables, the torqueripple and average torque are taken as two objective functions. The MATLAB software is applied to calculate the average torque and torque ripple from the Maxwell results.Finally, a multi-objective optimization algorithm which was developed by the laboratory is applied to find out the optimal solution. In order to determine the global optimal solution, the optimization procedure was carried out twice. From the results, the average torque and torque ripple characteristic were improved.Keywords：Switch reluctance motor; torque ripple; average torque; optimal design目录摘要 (I)A bstract........................................................................................................................ I I 第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2课题国内外研究现状及趋势 (3)1.2.1国内发展趋势 (3)1.2.2国外发展趋势 (4)1.3课题主要研究内容 (5)1.4本章小结 (6)第2章开关磁阻电机特点与设计方法 (7)2.1三相6/4极开关磁阻电机的结构与原理分析 (8)2.1.1三相6/4极开关磁阻电机的结构 (8)2.1.2三相6/4极开关磁阻电机的运行原理 (9)2.2开关磁阻电机分析与设计方法 (11)2.2.1 基于Ansoft 的开关磁阻电机有限元分析介绍 (11)2.2.2 转矩脉动、噪声和振动产生的根源 (13)2.2.3 采用的设计方法 (13)2.3本章小结 (14)第3章开关磁阻电机建模 (15)3.1创建电机几何模型 (15)3.1.1创建项目 (15)3.1.2建模过程 (16)3.2材料定义及分配 (21)3.3激励源与边界条件定义及加载 (23)3.4运动选项设置 (27)3.5求解选项参数设定 (28)3.6磁力线与磁密云图 (31)3.7外电路与有限元连接 (33)3.8本章小结 (34)第4章开关磁阻电机优化设计 (35)4.1优化与设计 (35)4.1.1多目标优化简介 (35)4.1.2响应表面的应用 (36)4.2修改转子极弧系数及结构 (37)4.3求解转矩 (38)4.4利用MATLAB求解平均转矩和转矩脉动 (41)4.5优化过程 (44)4.5.1一次优化 (45)4.5.2 二次优化 (46)4.6本章小结 (50)第5章结论 (51)参考文献 (53)致谢 (56)第1章绪论1.1课题背景及意义开关磁阻电机（Switch Reluctance Motor简称SR电机）具有结构简单、转子无绕组、无永磁体、可靠性高等特点，且有控制方式灵活、调速性能好等许多优点。
因此逐渐应用于牵引传动、通用工业、家用电器等各个领域[1]。
目前越来越多地研究开关磁阻电机在航空及汽车起动、发电机领域的应用[2]，它们对起动转矩的要求很高，特别是汽车起动和发电机。
十九世纪四十年代,开关磁阻电机的基本结构和原理现世，英国的Aberdeen和Davidson相互合作，经过漫长的研究一起设计出了开关磁阻电机的雏形[3]。
在二十世纪六七十年代，英国的Leeds(里兹)大学和Nottingham(诺丁汉)大学相继开始对开关磁阻电机进行深入研究[4]。
二十世纪八十年代，随着现代电子技术、计算机辅助设计、现代控制理论以及微机控制技术的不断进步，开关磁阻电机得到了进一步发展。
1983年，英国的TASC Drives 有限公司在世界的瞩目下研制出了世界上第一台开关磁阻电机OUITON(7.5kW，1500r/min)，并将其投放市场。
1984年，又推出了4～22kW四个规格的系列产品。
原联邦德国在1984年至1986年期间也先后完成了lkW、1.2kW、5kW样机的研制[5]。
开关磁阻电机以其调速性能好、电机结构简单、效率高、成本低、高容错性能等特点，问世不久便引起了各国电气领域的广泛关注，美国、加拿大、前南斯拉夫、埃及、土耳其等许多国家也竞相发展。
从1984年开始，我国许多著名单位开始SRM的研究、开发工作，如北京纺织机械研究所、原华中理工大学、南京航空航天大学、浙江大学等[6]。
2005年山东科汇电气公司率先在全国实现开关磁阻电机的批量化生产，2007年成立了山东省开关磁阻电机调速工程技术研究中心。
正是由于开关磁阻电机在调速范围、效率及成本方面有着比较明显的优势。
因此，正逐步应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业，呈现强大的发展潜力，成为今后电机领域的研究重点。
然而，由于SR电机的双凸极结构以及特殊的供电方式，与传统的电机相比却存在着振动和噪声大的缺点，这大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域(如家用电器等)的发展。