摘 要

同步磁阻电机定子与一般异步电机的定子相同，转子与异步电机相比没有绕组，与永磁同步电机相比没有永磁体，因此其优点表现在效率高、成本低和无弱磁困难等方面。然而，同步磁阻电机也存在着一些问题，如功率因数偏低和输出转矩偏小。为了提高同步磁阻电机的性能，本文采用取向硅钢作为同步磁阻电机的转子铁芯材料，利用取向硅钢片的各向异性，进一步增大电机的直交轴电感差值和凸极比，达到提高电机的输出转矩和功率因数的目的。

首先分析了同步磁阻电机的运行原理和结构特点，建立了同步磁阻电机在dq轴下的数学模型，推导出电磁转矩和功率因数方程，结果表明直交轴电感差值直接影响同步磁阻电机的输出转矩，而功率因数则与凸极比相关，同时分析和提出了同步磁阻电机的直交轴电感值的计算方法。接着,借助电磁仿真软件ANSYS Maxwell 2D对同步磁阻电机进行建模和仿真。结合参考文献里对于转子磁障层数和气隙占空比等参数的优化设计，选取合适的参数，建立转子铁芯采用无取向硅钢片时的电机模型并进行仿真，得到输出转矩等性能指标。然后，转子铁芯改用取向硅钢片并进行仿真，将结果与转子铁芯采用无取向硅钢片的方案进行比较分析，结果显示采用取向硅钢制作转子铁芯，可以提高同步磁阻电机的输出转矩和功率因数。

关键词：同步磁阻电机；凸极比；取向硅钢片；有限元分析

Abstract

The stator of synchronous reluctance motor (SynRM) is the same as that of common asynchronous motor.Compared with asynchronous motor,the rotor of SynRM has no windings.And compared with permanent magnet synchronous motor, the rotor of SynRM has no permanent magnet.So SynRM has the advantages of high efficiency,low cost and no weak magnetic difficulty.However,SynRM has the problems of low power factor and small output torque.In order to improve the performance of SynRM, oriented silicon steel is adopted as the rotor core material of SynRM,and the anisotropy of oriented silicon steel is used to further increase the salient pole ratio of the motor and improve the output torque and power factor of the motor.

The operation principle and structural characteristics of SynRM are analyzed at first,the mathematical model of SynRM under dq axis is established,and the electromagnetic torque and power factor equations are deduced.The results show that the difference of direct cross-axis inductance directly affects the output torque of SynRM,and the power factor is related to the salient-pole ratio.At the same time,the calculation method of direct cross-axis inductance value of SynRM is analyzed and put forward.Then,the modeling and simulation of SynRM are carried out by means of electromagnetic simulation software ANSYS Maxwell 2D.Combining with the optimization design of rotor magnetic barrier layer number and air gap duty ratio and other parameters in the reference,selecting appropriate parameters,establishing the motor model when rotor core adopts non-oriented silicon steel sheet and simulating it,and obtaining performance indicators such as output torque and the like.Then,the rotor core is changed into oriented silicon steel and simulated,and the results are compared and analyzed with the scheme that the rotor core adopts non-oriented silicon steel.The results show that using oriented silicon steel to make the rotor core can improve the output torque and power factor of SynRM.

Key Words:Synchronous Reluctance Motor；Saliency Ratio；Grain-Oriented Silicon Steel；Finite Element Analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 同步磁阻电机研究现状 1

1.3 本文主要内容 2

第2章 同步磁阻电机基本原理 4

2.1 同步磁阻电机结构特点 4

2.2 同步磁阻电机运行原理 5

2.3 同步磁阻电机数学模型 6

2.3.1 dq坐标系下同步磁阻电机数学模型 6

2.3.2 电磁转矩计算 7

2.3.3 功率因数计算 7

2.3.4 直交轴电感计算 9

第3章 取向硅钢特性及应用 10

3.1 取向硅钢简介 10

3.2 取向硅钢应用 11

3.3 取向硅钢电磁特性 12

第4章 同步磁阻电机有限元分析 13

4.1 电机有限元分析基本理论 13

4.1.1 电机电磁场基本理论 13

4.1.2 二维有限元基本理论 13

4.2 同步磁阻电机仿真 14

4.2.1 电机建模 14

4.2.2 设置材料 15

4.2.3 添加激励源和边界条件 19

4.2.4 运动设置 19

4.3 仿真结果 20

4.3.1 电磁转矩比较 20

4.3.2 直交轴电感比较 21

4.3.3 功率因数比较 22

第5章 结论及展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

为了适应我国经济的快速发展，选择合适的电机对于电动动力系统至关重要，因此对高性能和低成本电机的需求不断增长。就目前来说，常见的电机可以分为直流电机、异步电机、同步磁阻电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。直流电机易于控制，调速平滑而且范围广，多用于对调速性能要求较高的领域，但也存在着换向问题。随着电力电子技术的快速发展，交流电机设计及其控制技术得到巨大发展，开始显现出独特的优势。目前，工业上应用得最多的电机是异步电机，优点在于易于制造、运行可靠和成本低廉，但是功率因数和效率比较低^[1]，与之相比，同步磁阻电机转子没有绕组，也就没有转子铜耗，所以效率更高。永磁同步电机效率和功率因数都很高，但转子结构中需要永磁体，而永磁材料的主要问题是高温失磁和成本高，限制了其在工业领域的大规模应用，与之相比，同步磁阻电机转子无永磁体，所以成本低，而且不存在弱磁难和高温失磁的问题^[2]。开关磁阻电机作为一种新型电机，目前处于研究开发阶段，在工业上应用不多。

同步磁阻电机定子结构与异步电机相同，转子无鼠笼条和永磁体，根据磁阻最小原理产生磁阻转矩，依靠磁阻转矩驱动电机^[3]。同步磁阻电机体现了直流电机、异步电机等各类电机的诸多优点，而且由于可控变频调速技术和控制理论的应用，同步磁阻电机的控制可以实现同步控制。然而，目前同步磁阻电机普遍存在着功率因数偏低和输出转矩偏小的问题。这些问题限制了同步磁阻电机在工业上的广泛应用，所以使其主要停留在研发阶段。因此，本文对同步磁阻电机进行了研究，选取合适的转子结构和参数设置，提出采用取向硅钢片作为同步磁阻电机转子铁芯材料以提高同步磁阻电机输出转矩和功率因数的设计方案，研究结果对于提高同步磁阻电机性能以推广其工业应用具有十分重要的意义。

1.2 同步磁阻电机研究现状

1874年，有人意外发现同步电机在励磁绕组断开的情况下还在转动，这是关于同步磁阻电机的最早记录。磁阻电机的概念最早是在1926年由教授M.Doherty和Nickle所提出，他们认为通过d轴与q轴磁阻的差异可以产生转矩来驱动电机，此后许多专家和学者受到这一概念的启发，开始展开对磁阻电机转子结构和控制方法等方面的深入研究^[4]。1991年，美国威斯康星大学的T.A.Lipo教授发表文章提出了一种可能性，即在交流驱动系统中用同步磁阻电机来替代异步电动机的作用，这一问题引起了工业界和学术界许多人士的广泛关注^[5-6]。根据同步磁阻电机的原理，其性能与凸极比有着紧密的联系，为此国内外许多专家和学者重点研究提高同步磁阻电机凸极比的方法，其中对轴向叠片转子结构的研究很多。1993年，英国T.J.E.Miller教授和他的课题组采用轴向叠片转子，将研究重点放在优化叠片层数以及气隙占比上，通过大量的实验和改进，最后结果显示功率因数达到了0.7左右^[7-8]。文献[9]和[10]提出了有限元和罚函数法，文中同步磁阻电机采用的是横向叠压式转子结构，利用自动绘图、模型分解和数据分析来优化转子结构，重点比较凸极比和直交轴电感差值，最后达到提高电机的力学性能的目的。

由于科技水平和资料文献等限制，国内对同步磁阻电机的研究相比国外而言要落后很多，所以目前可查的研究成果不多。1994年，在华中科技大学辜承林教授和他的课题组的研究和不断试验下，国内第一台两极轴向叠压式同步磁阻电机问世，而且值得一提的是，这种电机的凸极比达到了11，功率因数更是上升到了0.85左右，但问题是转子加工工艺繁琐^[11-12]。文献[13]介绍了一种同步磁阻电机的转子设计方法，电机转子结构采用的是栅格叠片，结果与异步电机相比，具有效率高和降低电机成本等优点，同时电机运行的可靠性得到提升，电机的应用领域也得到了扩大。

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