【正文】 ：是不等邊四邊形槽的等效為矩形槽的系數(shù)， ()其中，g是氣隙的總長(zhǎng)度。通過(guò)計(jì)算研究，現(xiàn)在就能夠設(shè)計(jì)一系列不同額定功率，極對(duì)數(shù)和變化頻率的電機(jī)，并能計(jì)算出頻率。近似的計(jì)算頻率為[12]（以NEMAB系列電機(jī)為基礎(chǔ)） ()當(dāng)然也可以通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的損耗來(lái)獲得效率。然而損耗的評(píng)述計(jì)算不必要使尺寸關(guān)系式概念變的復(fù)雜。 尺寸方關(guān)系式在AFRSM電機(jī)中的運(yùn)用對(duì)于橫向磁通電機(jī),尺寸方程式仍然可以應(yīng)用,但要采取不同的形式。,電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)[14]為: ()其中,:表示每相氣隙磁鏈；:每相匝數(shù)。 ()其中,:表示電機(jī)的內(nèi)徑。由()式,有[12] Kruse R. Pfaffer flux reluctance motor for direct servodirive applications[C].Proceeding of : 655662.[14] Staton D A. Soong W L. Unified theory of torque production in switched reluctance and synchronous reluctance motors [J]. IEEE Trans. on Industry Applications. 1995. 32 (2): 329337. ()由上節(jié)知識(shí)可知,系數(shù)為： ()其中,是與定子電負(fù)荷有關(guān)的相電流有效值。對(duì)于橫向磁通電機(jī),具有衍射性,其平均值為： ()氣隙的平均直徑為： ()通常情況下,總的電負(fù)荷包括和。 ()綜合式(),(),(),(),以在尺寸方程式中的作為跟蹤,橫向磁通電機(jī)具有以下關(guān)系式 ()實(shí)現(xiàn)以為目標(biāo)的尺寸關(guān)系式,應(yīng)該定義,考慮到橫向磁通與徑向磁通電機(jī)的對(duì)偶性，則有： ()其中,:定子橫向長(zhǎng)度；:轉(zhuǎn)子橫向長(zhǎng)度；：永磁體的橫向長(zhǎng)度；：氣隙的橫向長(zhǎng)度。當(dāng)研究這類(lèi)特殊的電機(jī)或結(jié)構(gòu)時(shí),確定,需要對(duì)程序進(jìn)行改進(jìn),程序應(yīng)該結(jié)合電機(jī)的溫度,損耗和效率等。在大多數(shù)橫向磁通電機(jī)中,是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)參數(shù),它對(duì)電機(jī)的特征具有明顯的作用,優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行性能,必須仔細(xì)的選擇值。近幾年,在產(chǎn)生最佳的電磁負(fù)荷基礎(chǔ)上,在選擇的優(yōu)化值方面興起了一股研究熱潮。1974年,直流電機(jī)中,為獲得最大的電樞功率選擇。1994年,=。實(shí)際上,對(duì)于不同的優(yōu)化目的,有不同的優(yōu)化值。甚至,對(duì)于給定的電負(fù)荷永磁密,當(dāng)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)一樣時(shí),的優(yōu)化值也會(huì)隨著額定功率,極對(duì)數(shù),變換頻率等的不同而不相同。最終,得到特定的尺寸方程式為如下形式： ()功率密度為： ()其中,為電機(jī)總的直徑。對(duì)特定的電機(jī)類(lèi)型,通過(guò)測(cè)試自感電勢(shì)和電流的波形,可以被確定。 總結(jié)對(duì)于AFSRM電機(jī),通過(guò)本章研究表明λ=Di/Do對(duì)功率密度有強(qiáng)烈影響,而對(duì)電機(jī)的效率影響較小,對(duì)的優(yōu)化將獲得最大的功率密度,同時(shí)也能最大限度的接近最高效率。這種結(jié)果意味著,與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比,基于尺寸關(guān)系式的優(yōu)化方法具有截然不同的好處,特別是對(duì)于橫向磁通電機(jī)。的優(yōu)化值取決于電負(fù)荷,磁密,頻率,材料和電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。目前公認(rèn)的是的優(yōu)化值不能被減少為一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值,在本章中亦說(shuō)明了橫向磁通電機(jī)比傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī),尤其是在使用了稀土材料時(shí),具有更高的功率密度,是IM電機(jī)的3倍。第6章 橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩理論研究 引言橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（TFSRM）是一種新型逆變器供電的調(diào)速電機(jī)結(jié)構(gòu)型式，它既具有開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、轉(zhuǎn)子損耗小、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，又具有橫向磁通電機(jī)的特點(diǎn)，即主磁路與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向垂直，實(shí)現(xiàn)了磁路與電路結(jié)構(gòu)上的解耦，可以通過(guò)電機(jī)極數(shù)和相數(shù)的增加提高輸出轉(zhuǎn)矩，具有較高的轉(zhuǎn)矩密度，因此在低速直接驅(qū)動(dòng)和直線驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著較好的發(fā)展前景。但是進(jìn)一步的研究表明，TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩并不與極數(shù)成正比，這主要是由于隨著極數(shù)和繞組電流的增加，極間距離減小，鐵心飽和程度增加，導(dǎo)致TFSRM的漏磁增加，磁阻轉(zhuǎn)矩減小，輸出轉(zhuǎn)矩降低，因此減小漏磁是進(jìn)一步提高橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的關(guān)鍵所在。對(duì)此，有些學(xué)者提出一種屏蔽TFSRM漏磁通的方法，它是在電機(jī)的定子側(cè)裝設(shè)永磁體，利用與漏磁通方向相反的永磁體磁通屏蔽漏磁通，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明采用永磁屏蔽能大大提高TFSRM電機(jī)的輸出功率。但是設(shè)計(jì)中并沒(méi)有進(jìn)行TFSRM電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩提升的理論分析，并且其磁場(chǎng)計(jì)算主要是基于TFSRM電機(jī)簡(jiǎn)化的二維場(chǎng)物理模型進(jìn)行的，而由于橫向磁通電機(jī)本身磁路的特殊性，二維場(chǎng)計(jì)算只能作為部分定性分析，作為定量計(jì)算誤差較大，因此轉(zhuǎn)矩計(jì)算曲線等不盡合理。在下面的章節(jié)中我們將從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換角度闡述TFSRM電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩提升的工作原理，分析漏磁通產(chǎn)生原因以及對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)定、轉(zhuǎn)子雙邊屏蔽的外轉(zhuǎn)子低速直接驅(qū)動(dòng)橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)樣機(jī)，采用三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了三維磁場(chǎng)分析，討論永磁屏蔽對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。 橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升原理開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換角度根據(jù)磁共能計(jì)算得到: （）式中W：為電機(jī)的磁共能，它是電流i和磁鏈y(cè)的函數(shù)；θ：為轉(zhuǎn)子的位置角。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力可由iΨ特性曲線來(lái)反映。圖中直線OA表示轉(zhuǎn)子齒中心線與定子槽中心線重合位置（即交軸初始位置）時(shí)的特性，對(duì)應(yīng)于最大磁阻位置，此時(shí)由于定、轉(zhuǎn)子極間氣隙較大，磁路不飽和，所以是直線；而曲線OCB代表定、轉(zhuǎn)子齒中心線對(duì)齊位置時(shí)的特性，即最小磁阻位置；AB表示限流段。因此m相電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為: （）式中m：為電機(jī)相數(shù)；Nr：為轉(zhuǎn)子極數(shù)；W：為區(qū)域OABCO所包圍的面積。從式()可以看出，在同樣磁共能下，增加電機(jī)的相數(shù)以及轉(zhuǎn)子極數(shù)能有效提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。但對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，由于流過(guò)磁通的齒部與流過(guò)電流的線圈都需占用同一截面，因此極數(shù)和相數(shù)的增加將導(dǎo)致磁共能的減小，即三者之間存在相互制約關(guān)系，很難再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上提高輸出轉(zhuǎn)矩，采用橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)可以有效地解決這一矛盾；同時(shí)從式()還可以看出，增加磁共能W的面積，即降低A點(diǎn)磁鏈值以及提高B點(diǎn)磁鏈值也能夠有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩提升，永磁屏蔽技術(shù)就是基于這一原理進(jìn)行的。 磁能曲線圖中直線OA表示轉(zhuǎn)子齒中心線與定子槽中心線重合位置（即交軸初始位置）時(shí)的特性，對(duì)應(yīng)于最大磁阻位置，此時(shí)由于定、轉(zhuǎn)子極間氣隙較大，磁路不飽和，所以是直線；相應(yīng)地，磁鏈ψ與電流I的比值為常數(shù)，也就是交軸電感，即 ()而曲線OCB代表定、轉(zhuǎn)子齒中心線對(duì)齊位置時(shí)的特性，即最小磁阻位置；相應(yīng)地，磁鏈ψ與電流的比值為直軸電感，不是常數(shù)，與電流和磁路的飽和程度有關(guān)，即 ()AB表示限流段。 永磁屏蔽的橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定子由凹字形鐵心和環(huán)形集中繞組組成，轉(zhuǎn)子由與定子鐵心數(shù)目相同的倒凹字形鐵心組成，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。TFRM電機(jī)按照磁阻最小原則運(yùn)動(dòng):當(dāng)環(huán)形繞組通入電流，就會(huì)在每個(gè)定子鐵心中形成磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子鐵心形成閉合磁路(每對(duì)定、轉(zhuǎn)子鐵心成為一對(duì)極)，按照磁阻最小原則，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直至定轉(zhuǎn)子極對(duì)齊。若要電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，TFSRM電機(jī)應(yīng)至少兩相，二相TFSRM電機(jī)具有自起動(dòng)能力，且相鄰相之間依次錯(cuò)開(kāi)角度。 外轉(zhuǎn)子橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖為說(shuō)明永磁屏蔽的原理，首先分析沒(méi)有屏蔽TFSRM電機(jī)的磁場(chǎng)情況。，其中中間部分代表轉(zhuǎn)子鐵心，可以看出相鄰齒極的漏磁通將會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，并且電流越大，極數(shù)越多(極間距離越小)，極間漏磁影響越顯著，這將極大地影響TFSRM電機(jī)的出力。為此采用了永磁屏蔽技術(shù)，即在定子與轉(zhuǎn)子極間分別放置永磁體，使永磁體產(chǎn)生的磁通方向與漏磁通方向相反，則永磁磁通將阻止漏磁通在極間通過(guò)，從而提高輸出轉(zhuǎn)矩。 TFSR電機(jī)簡(jiǎn)化的二維磁路物理模型，此時(shí)假設(shè)鐵心的磁通方向向上。顯然，為使永磁體起到屏蔽作用，永磁體的磁通方向應(yīng)與定子、轉(zhuǎn)子鐵心中的漏磁方向相反，因此定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁通必須是固定方向的，即環(huán)形線圈中只能通單一方向的電流，這正適合于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。 永磁體極性示意圖 磁場(chǎng)分析由于AFSRM電機(jī)磁場(chǎng)是三維場(chǎng),因此磁場(chǎng)分析的難度較大。通過(guò)閱讀大量的相關(guān)資料，本設(shè)計(jì)引用了一種三維場(chǎng)分析的有效方法三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法(3DEMN),這是一種標(biāo)量磁位求解方法,具有網(wǎng)格剖分方便、直觀、求解的收斂性好等優(yōu)點(diǎn)。～、轉(zhuǎn)子齒極對(duì)齊位置時(shí)的氣隙磁密分布情況。為便于比較，圖中同時(shí)給出了二維沿切向的氣隙磁場(chǎng)分布,其中X 軸為電機(jī)橫向,Y 軸為切向(即電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向),可以看出永磁屏蔽TFSRM電機(jī)的極間漏磁通明顯減小,而主磁通有所增加,。（a）三維氣隙磁場(chǎng)分布 （b）沿切向氣隙的磁場(chǎng)分布 電流10A時(shí)無(wú)屏蔽橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)三維氣隙磁密分布(a)三維氣隙磁場(chǎng)分布 （b）沿切向氣隙的磁場(chǎng)分布 電流10A時(shí)永磁屏蔽橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)三維氣隙磁密分布對(duì)不同轉(zhuǎn)子位置、不同電流分別進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算,可以得到樣機(jī)的磁能特性曲線,。顯然,永磁屏蔽TFSRM電機(jī)所包圍的磁共能面積(JKGFEDJ)更大,因此具有更高的輸出轉(zhuǎn)矩。 TFSRM樣機(jī)特性曲線 樣機(jī)的試驗(yàn)研究我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了兩臺(tái)同樣外形尺寸的外轉(zhuǎn)子橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其中一臺(tái)無(wú)屏蔽，另外一臺(tái)帶永磁屏蔽，樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下，,，極數(shù)，相數(shù)m=3。可以看出，在相同的電樞電流時(shí)永磁屏蔽樣機(jī)的靜態(tài)平均轉(zhuǎn)矩提高近一倍，永磁屏蔽效果明顯。 樣機(jī)的矩角特性試驗(yàn)曲線 結(jié)論本課題設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升的新方法，即在定、轉(zhuǎn)子極間裝設(shè)永磁體，利用與鐵心中漏磁方向相反的永磁磁通能有效地屏蔽漏磁通，提高輸出轉(zhuǎn)矩。本設(shè)計(jì)從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換角度出發(fā)討論了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩提升的原理和方法，分析了極間漏磁對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)了具有永磁屏蔽的外轉(zhuǎn)子低速橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，用三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了磁場(chǎng)分析，樣機(jī)的計(jì)算結(jié)果和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)比試驗(yàn)表明，在相同額定電流下采用永磁屏蔽能大大提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、永磁體用量少、轉(zhuǎn)矩提升效果顯著，不僅適合于上述結(jié)構(gòu)形式的低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而且對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻形式的直線電機(jī)同樣適用，因此具有較高的理論研究和實(shí)用推廣價(jià)值。結(jié)論經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)和資料查閱，特別是關(guān)于橫向開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相關(guān)資料,本課題已經(jīng)完成了對(duì)橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)理論的研究，并進(jìn)一步分析研究了SRM的基本工作原理和結(jié)構(gòu)。在研究了傳統(tǒng)的SR電機(jī)結(jié)構(gòu)之后,針對(duì)目前的市場(chǎng)和技術(shù)要求,本課題提出了橫向開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的改良結(jié)構(gòu),及設(shè)計(jì)思路,同時(shí)對(duì)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了深入的闡述。電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩能力對(duì)于電機(jī)的研究方面是舉足輕重的,論文也在第四章從理論方面加強(qiáng)了這兩方面的說(shuō)明,并由一般到特殊,由淺入深,由表及里的著重的論述了問(wèn)題。由于某些特殊的用途,需要電機(jī)以大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng),由于傳統(tǒng)的方法很難達(dá)到目的,因此研究了一種實(shí)現(xiàn)橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電極轉(zhuǎn)矩提升的方法。根據(jù)本課題研究結(jié)果及SRM的發(fā)展趨勢(shì),為了進(jìn)一步發(fā)揮橫向開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)越性,進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,改善電機(jī)運(yùn)行性能,我認(rèn)為今后還須在以下幾個(gè)方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。對(duì)于橫向開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)研究還需要在今后的實(shí)際工作中從理論上完善,特別是要經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件的嚴(yán)格計(jì)算和通過(guò)樣機(jī)的精密實(shí)驗(yàn),才能真正的證明這種理論的可行性和實(shí)用性。除此之外本課題還只是從理論上闡述了尺寸關(guān)系式和磁密在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)方面的應(yīng)用,其他還有很多更加具體的設(shè)計(jì)，這還需要在以后的工作學(xué)習(xí)中加以學(xué)習(xí)和檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1] 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