摘 要

近年来，同步磁阻电机（synchronous reluctance motor，SynRM）由于成本低，构造简单、转子不存在电磁损耗等优势，逐渐引起了研究学者的关注和兴趣。与传统交直流电机、永磁电机相比，同步磁阻电机最大的特点在于转子上并既没有绕组也没有永磁体，通过在其转子上开设对称分布的磁障使转子d、q轴磁阻不同，从而产生磁阻转矩。在节能减排的大趋势下，除了成本，电机效率在工业应用中被广泛关注。如何合理选择电机参数，设计出高能效的同步磁阻电机也成为目前研究者面临的难点。

本文主要针对一台3kW工业流程用同步磁阻电机展开研究，首先，分析了同步磁阻电机的运行原理和设计特点；其次，结合性能要求，采用等效磁路法进行了电机电磁结构方案的设计与性能参数的计算；最后，借助有限元仿真软件ANSYS Maxwell对该电机进行了磁路建模与仿真，通过仿真结果与设计计算结果的比较分析，论证了设计方案的合理性。

关键词：同步磁阻电机；电磁设计；有限元仿真；ANSYS；

Abstract

In recent years, synchronous reluctance motor (SynRM) has attracted more and more attention and interest of researchers because of its low cost, simple structure and no electromagnetic loss of the rotor. Compared with traditional AC/DC motors and permanent magnet motors, the biggest characteristic of synchronous reluctance motors is that there are neither windings nor permanent magnets on the rotor. By opening symmetrically distributed magnetic barriers on the rotor, the d-axis and q-axis reluctance of the rotor are different, resulting in reluctance torque. In the trend of energy saving and emission reduction, besides cost, motor efficiency has been widely concerned in industrial applications. How to reasonably select the motor parameters and design a high energy efficiency synchronous reluctance motor has become a difficult problem facing researchers at present.

In this paper, a 3 kW industrial process of synchronous reluctance motor is studied. Firstly, the operation principle and design characteristics of synchronous reluctance motor are analyzed. Secondly, the design of electromagnetic structure scheme and the calculation of performance parameters are carried out by using equivalent magnetic circuit method combined with performance requirements. Finally, the magnetic circuit of the motor is modeled and calculated by using finite element simulation software ANSYS Maxwell. The rationality of the design scheme is demonstrated by comparing the simulation results with the design results.

Key Words：Synchronous Reluctance Motor; Electromagnetic Design; Finite Element Simulation; ANSYS

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2同步磁阻电机研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本文研究内容及章节安排 4

第2章 同步磁阻电机原理概述 5

2.1 SynRM运行原理 5

2.2 SynRM数学模型 6

2.3本章小结 8

第3章 同步磁阻电机的电磁设计 9

3.1额定数据及尺寸 9

3.1.1额定数据 9

3.1.2电机尺寸 10

3.2定子槽及绕组参数 12

3.3转子磁障参数 14

3.4本章小结 16

第4章 同步磁阻电机的电磁场有限元仿真 17

4.1 Maxwell电磁软件 17

4.2 SynRM有限元仿真 17

4.2.1 RMxprt中的SynRM搭建 18

4.2.1.1 SynRM定子模型搭建 18

4.2.1.2 SynRM转子模型搭建 20

4.2.2 Maxwell 2D中的SynRM仿真 21

4.3 同步磁阻电机仿真结果 22

4.4 同步磁阻电机仿真分析 24

4.5本章小结 27

第5章 结论与展望 28

5.1研究结论 28

5.2研究展望 28

致谢 29

参考文献 30

附录A 导线规格表 32

附录B 电动机能效等级 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着控制理论的成熟、电力电子和计算机技术的进步以及材料的不断创新，电机在人们日常生活和工业生产中应用的领域日益广泛，有数据显示2017年我国电机就已经达到4亿多千瓦装机容量，我国总用电量的60%、工业总用电量的80%均由电机消耗，耗电量达到一万多亿kWh，可见电机节能对节约电力资源的积极作用无疑是巨大的。目前，设计者们主要是通过研究新型电机设计方法、使用新型材料和采用新的制造工艺等手段，来减少电机的机械摩擦损耗、电磁损耗、热能损耗，优化电机效率，从而达到节能的目的。在电机性能方面，虽然我国已达到了生产超高效节能电机的技术水准，电机的制造量近年来逐步增加，正逐渐成为电机制造行业的大国，但从我国电机行业的整体现状来看，平均水平还是远远低于前沿技术的。我国投入使用的电机中，只有不到十分之一能达到2级能效指标，容量大、能效低是目前我国电机产业的尴尬现状。在高效电机研发和生产方面，我国近年来基本跟上国际前沿水平，技术方面愈加成熟，但遗憾的是我国生产的能达到超高效的电机基本都用于出口，国内使用的很少。综上所述，我国高效电机的生产和普及仍存在很大不足。

工业应用中使用较多的电机主要是异步电机，当下较受关注的热门电机有永磁同步电机等。这两种电机与同步磁阻电机进行对比：首先从电机的制造工艺上来看，同步磁阻电机转子通过冲压叠片即可得到，而异步电机还需要绕制线圈或者插入导条，可见同步磁阻电机制造更简单，电机自身的成本也低于异步电机。此外，对于同步磁阻电机来说转子上不存在绕组，没有转子损耗，而异步电机转子绕组会产生感应电流，进而产生的转子损耗降低了异步电机的输出效率，所以同步磁阻电机损耗较小，相应的温升也更低；永磁同步电机的高输出性能使之成为当下电机研究的热门，但永磁同步电机转子加入了昂贵的稀土永磁材料，随着材料价格的上升，永磁同步电机的成本随之增加，远远高于同步磁阻电机。永磁材料不仅价格昂贵，在高温条件下还存在高温失磁问题，这些都限制了永磁同步电机的应用。

基于以上的对比，同步磁阻电机在不增加成本的条件下，具备结构简单、效率高、温升低、可广泛应用等优点，更加符合国家节能减排的号召。但同步磁阻电机通过磁阻转矩驱动，定子电流中励磁分量较大，导致功率因数较低，输出转矩较小，这些就是制约同步磁阻电机使用的因素，如果能改善这些劣势，同步磁阻电机在工业应用中将会发挥更大的作用。所以，本次研究基于同步磁阻电机的原理，通过合理的参数选择，设计满足工业应用的同步磁阻电机。

1.2同步磁阻电机研究现状

1.2.1国外研究现状

上世纪初，就有学者发表了反应式同步电机的理论^[1]，磁阻电机的概念被提出。最早的同步磁阻电机的定子与普通异步电机相同，转子设计成几何凸极转子，在d轴位置开设空气层，使d轴磁阻更大，通过d轴和q轴的磁阻差产生磁拉力驱动电机。为了启动电机，还需要在转子周插上鼠笼条形成的异步转矩，然而这又会引起转子震荡，电机不能稳定运行。

六十年代有学者提出了第二代同步磁阻电机，转子设计为块状结构，可以增加dq轴磁阻差提高电机输出性能。第二代同步磁阻电机通过变频器直接启动，大大降低了转子震荡^[2]，但是所需磁阻转矩大，所以电流励磁分量大，造成同步磁阻电机功率因数和效率都很低，而且该电机加工过程复杂，电机的推广使用困难。

七十年代初期，出现了第三代同步磁阻电机，为了尽量增大电机凸极比，该电机转子采用轴向多层叠片结构，导磁和非导磁材料沿着电机轴向按一定厚度比交替叠加，以获得最大的d轴电感和最小的q轴电感，得到最大磁阻转矩，同时减小了励磁分量^[3]。采用该转子结构后，电机凸极比可达20，第三代同步磁阻电机输出功率可与同尺寸异步电机相匹敌。

1991年，Lipo教授针对同步磁阻电机进行了深入的研究，探究更优同步磁阻电机结构。他还发表了未来同步磁阻电机可以取代异步电机，完成交流调速的看法^[4][5]，这也引起了众多学者的关注。

1993年，英国的T.J.E.Miller教授为了提高同步磁阻电机的凸极比，继续对转子结构进行了优化，主要通过对比同步磁阻电机ALA转子的不同结构来研究叠片层数、绝缘层占有率对电机性能的影响，优化后同步磁阻电机功率因数可以达到0.7 ^[6][7]。

2005年，Kwon S B提出了运用有限元和罚函数法，比较同步磁阻电机凸极比和交、直轴电感差值，通过自动CAD绘图、剖分和数据存储，快速优化转子结构进而提高同步磁阻电机性能的方法^[8]。

2007年，Mun S J对冲片叠压式同步磁阻电机转子磁障进行了深入研究，总结磁障占有率、磁障的分布及层数、气隙大小以及饱和程度与同步磁阻电机输出的关系。通过具体的实验研究更优同步磁阻电机转子结构，最终样机功率因数达到了0.72^[9]。

2011年，ABB公司在同步磁阻电机的转子设计方面取得重大成果，如今该公司在工业应用中已投入了成熟的商业化同步磁阻电机产品。

1.2.2国内研究现状

我国对同步磁阻电机的研究时间较短，相对于国际同步磁阻电机研究还有一定差距，直到1994年才完成第一台同步磁阻电机的制造。设计者是华中科技大学辜承林教授领导的团队，这台凸极比11的2极的轴向叠压式样机，功率因数达0.85，但电机结构和加工工艺复杂^[10]-[14]。

2002年，吴汉光教授就同步磁阻电机交、直轴电感以及凸极比K展开分析。并指出:电机是电能与机械能的转化机械，这个过程中能量是守恒的，所以对于一个确定的电机载体，凸极比是有限制的。在电机相电压相电流不变的情况下，若根据过载能力选定了功角，则对于该电机的某一个功率因数，对应有唯一合适的dq轴电感值。换句话说，对于确定的K存在最大的功率因数与之对应；反之要达到确定的功率因数，理论上有最小的K值与之对应。在进行转子设计时，K值应该在电机本身的性能和所要达到的目标参数这两个限制下进行选择，仅仅追求电机的高凸极比是不正确的。吴汉光教授还指出，对于功率因数低于0.85、容量低于10kW的电机应用场合，同步磁阻电机可与异步电机匹敌^[15]。

2012年，陈兰等教授对同步磁阻电机进行研究并发表了一种新型结构。该电机采用栅格叠片的转子结构，通过电流矢量控制器驱动控制，这种控制原理简单，控制器易于搭建。将该同步磁阻电机与相同功率的感应电机和永磁同步电机性能对比，指出相对于感应电机，同步磁阻电机效率和功率密度均占优势；与等功率条件下永磁同步电机相比，电机材料成本低，同时更加耐高温即电机的运行可靠性更高^[16]。

2016年，浙江大学沈建新、蔡顺等教授学者，根据电机设计的流程，对同步磁阻电机的分析与设计进行了系统的总结，指出同步磁阻电机相对于其他电机的优势，表明其可应用的广泛性。首先在分析上提出一种计算输出转矩的方法并验证其可靠性，为电机的初步优化提供了快捷途径；在设计方面，根据同步磁阻电机设计的流程，对电机参数进行了对比，包括绕组形式、转子磁障、加工误差等等，总结出在不同情况下设计者的最优选择^[17]。

1.3本文研究内容及章节安排

本文研究的基本内容为同步磁阻电机的磁路设计，根据额定参数及同步磁阻电机原理计算该电机设计参数，通过有限元仿真软件ANSYS搭建模型进行仿真，使输出结果满足工业要求。本论文主要结构和研究内容如下：

第一章，主要阐述了同步磁阻电机的研究背景和意义，此外调研了目前关于同步磁阻电机的国内外研究现状，对已有的研究进行总结和学习，明确了设计的目标和难点，给出了本文的研究内容。

第二章，对同步磁阻电机的原理进行了说明，通过物理模型说明同步磁阻电机的运动原理，并通过dq矢量图对同步磁阻电机各个参数之间的关系进行了分析。

第三章，根据要设计的目标电机（3kW小功率工业流程用同步磁阻电机）的已知性能要求，进行电磁方案的设计和参数计算，主要包括电机尺寸参数、绕组参数、转子磁障参数等。

第四章，根据第三章计算得到的电机参数，借助有限元仿真软件ANSYS Maxwell, 开展同步磁阻电机的建模与仿真研究，重点阐述了有限元仿真的过程和应注意到的问题，并给出最终的仿真结果。接着对仿真结果进行分析，说明输出性能是否达到设计要求。

第五章，对本次设计的结论进行总结，归纳同步磁阻电机磁路设计时注意的问题，同时指出本次设计仍可优化的不足之处，由不足之处提出了需要完善的工作，也即本文设计研究的展望。

第2章 同步磁阻电机原理概述

2.1 SynRM运行原理

同步磁阻电动机本质上是磁阻性质的同步电机，遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，与传统感应电机的基本运行原理完全不同。传统电机通过定、转子磁场相互作用形成转矩，而同步磁阻电机利用特殊的转子结构，调整转子的位置，使dq轴磁阻不同，在定子绕组通电形成的磁场作用下产生磁拉力，转子在磁拉力的作用下被带动旋转。

同步磁阻电机转子结构如图2.1所示，转子上开设了很多空气层，空气的磁导率小即磁阻很大，转子材料一般采用硅钢片材料磁阻小，所以电机转子d轴磁阻远大于q轴（其中d轴为磁障中心轴线方向，q轴为相邻两极磁障连接处中心轴线方向），交直轴磁路的磁阻相差很大，造成转子的凸极性显著，产生磁阻性质的驱动转矩。

图2.1 SynRM转子结构示意图

由于同步磁阻电机转子呈现强烈的凸极性，可以将转子简化为图2.2所示，如图是同步磁阻电机转子旋转在不同位置时产生磁阻转矩示意图。当定子绕组上通入电流时，产生的磁通从定子的一端通过气隙、转子，在定子的另一端闭合。如状态（a）所示，可以看到当转子在这个位置时，定子电流产生磁场的中心轴线与q轴重合，磁路符合磁阻最小，此时磁场对转子不产生磁拉力，即不存在磁阻转矩；当转子旋转到状态（b）所示位置时，定子磁场的轴线与q轴出现了偏差，存在一个夹角，但是磁通趋向于沿q轴方向进入转子，所以其路线发生了扭曲，此时转子在磁场驱使下，存在往最小磁阻状态即状态（a）靠近的趋势，产生磁阻力驱动转子旋转，使磁路的磁阻最小。由此也可以看出，当转子q轴相对于定子磁极的相对位置不同时，产生的磁拉力大小也是不同的，相应的磁阻转矩就会不一样，所以在同步磁阻电机设计和控制时，这个相对位置的确定和控制尤为重要。

（a） （b）

图2.2 SynRM转子位置示意图

2.2 SynRM数学模型

假设同步磁阻电机铁耗忽略不计，将同步磁阻电机各个参数关系转化到dq同步旋转坐标下，得到的矢量图如图2.3所示。

图2.3 SynRM矢量图

——三相合成电流矢量

——三相合成电压矢量

——定子电阻

、——交、直轴电抗

、——交、直轴电流分量

ψ——功率因数角

γ——电流矢量角

根据矢量图，同步磁阻电机在dq坐标系下各个参数之间的关系可用数学方程表示如下。

电压方程：

磁链方程：

转矩方程：

由式（2.5）可知，同步磁阻电机的输出电磁转矩T与成正比关系，交直轴电感差值越大，产生的电磁转矩也就越大。所以在磁路设计中，寻求更优的转子结构来增大转子d轴与q轴电感差值，是同步磁阻电机设计的要点。

同步磁阻电机定子绕组电阻相对于dq电抗很小，忽略不计，则同步磁阻电机的功率因数可表示为：

分析上式可得，增加凸极比K（d，q轴电感比值）能有效提高同步磁阻电机的功率因数。

此外，可以看出电流角γ的大小也会影响电机的电磁转矩和功率因数，而γ角确定的就是定子磁极与转子dq轴的相对位置，这也验证了前面物理模型中的结论。

2.3本章小结

本章对同步磁阻电机的原理进行了详细说明，首先通过电机结构等物理模型，描述了同步磁阻电机的转矩性质及其如何产生，对电机的运行原理进行了解释和分析。接着通过数学模型，将电机运行参数转化到dq轴矢量图中，对同步磁阻电机的各个参数之间的数学关系进行了分析，并得到结论：同步磁阻电机的设计要点是通过提高dq轴电感差值和比值来提高输出转矩和功率因数；且电流角γ的确定和控制对同步磁阻电机的输出及稳定运行尤为重要。

本章主要明确了设计对象，了解了同步磁阻电机的基本原理和参数关系，为本文之后的电机参数计算提供了理论基础。

第3章 同步磁阻电机的电磁设计

同步磁阻电机的参数计算是电机设计的重要步骤，根据已知的设计要求，通过原理公式及经验公式，结合实际情况计算出电机设计参数的初始值，然后通过软件进行模型搭建仿真，对比是否达到要求，如果偏差太大不满足要求，则需要进行参数修改。参数计算常常使用到经验公式，这些都是设计者慢慢总结传承下来的，为其他设计者提供了参照，但是因电机参数不同可能存在偏差^[18]。可见进行电机参数的计算，是电机设计的基本前提，作用是为电机设计提供数据参照。

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