三峡大学贲彤、王进等：考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

非晶合金用于电机铁心可极大提高电机效率，然而，其较大的磁致伸缩系数和极强的应力敏感性（即磁致伸缩逆效应）增大铁心振动噪声的同时，限制电信号对铁心磁性能的精确控制能力。为抑制非晶合金开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor with Amorphous Alloy Cores , 简称 SRMA)电磁振动，三峡大学电气与新能源学院的研究人员贲彤、王进、陈龙、井立兵等人，在2023年第10期《电工技术学报》上撰文，提出采用磁致伸缩逆效应对铁心磁化状态进行调制的减振思路，设计了SRMA定子齿加压结构，可有效降低SRMA的电磁振动，在非晶合金开关磁阻电机减振研究方面具有重要意义。

研究背景

开关磁阻电机具有结构简单、启动转矩大，调速范围宽、成本低、轻量化等优势，是国家863计划电动汽车项目备选电机之一，近年来在新能源电动汽车、航天和机械制造等领域得到了广泛应用。而非晶合金作为一种新型导磁材料，具有高磁导率、低矫顽力、高饱和磁密、低损耗等特点，用其替代传统硅钢应用于电机铁心，可显著降低铁心的损耗和温升，提高电机效率。但SRMA的电磁振动较高，限制了其进一步的推广应用。

论文所解决的问题及意义

现有的SRMA减振方法均以材料的基本磁化曲线为数据基础，电机运行中脉动的激励会在铁心不同位置产生脉动电磁应力，铁心材料的磁化状态会随着脉动电磁应力发生动态变化，其磁导率也会以应力为变量发生改变，而现有方法均未考虑脉动电磁应力和磁致伸缩力对材料磁导率的反向动态影响。因此，在SRMA减振设计时，应考虑磁致伸缩逆效应，以提高减振设计的精确性。

论文方法及创新点

（1）考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金力-磁耦合本构关系

为解决SRMA减振结构设计的精度问题，本文构建了准确的考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金材料力-磁耦合本构关系，可考虑应力对材料磁特性的非线性影响。

图1 不同应力下非晶合金磁致伸缩应变特性

图2 不同应力下非晶合金相对磁导率特性

（2） SRMA减振结构设计

SRMA电磁振动的主要来源为定转子铁心间的径向电磁力，本文利用非晶合金的磁致伸缩逆效应，设计了定子齿加压结构，通过对定子铁心径向施加压应力，降低定子铁心的磁饱和程度，达到减小电磁振动的目的。

图3 SRMA定子加压结构

（3）仿真分析

为了准确的模拟应力对SRMA定子非晶合金材料磁特性的影响，即磁致伸缩及其逆效应，本文通过外加初值磁场的方法建立SRMA力-磁双向耦合的有限元模型。结果显示改进后电机结构场、磁场均可保证电机正常运行，非螺栓区域的气隙径向磁密、径向电磁应力显著减小，减振结构的可行性和有效性得到验证。

图4 SRMA力-磁双向耦合模型流程图

图5 改进前后SRMA磁通密度及磁力线分布

图6 SRMA定子铁心应力及形变

图7 改进前后气隙径向磁密分布

图8 改进前后气隙径向电磁应力分布

（4）实验验证

本文制作了与仿真参数一致的SRMA样机并搭建振动位移测量平台，在SRMA内部的定子铁心上径向粘贴单轴应变片，对比仿真与实验数据，验证了仿真模型的准确性。

图9 应变片安装示意图

图10 径向振动位移

结论

本文提出非晶合金材料的力-磁耦合本构关系，并设计一种新型的开关磁阻电机定子齿加压结构，利用非晶合金的磁致伸缩逆效应，对开关磁阻电机进行减振研究，得出以下结论：

（1）提出的非晶合金材料力-磁耦合本构关系，可描述应力对材料相对磁导率的非线性影响，可用于模拟非晶合金的磁致伸缩及其逆效应；

（2）提出考虑开关磁阻电机的力-磁双向动态耦合模型，模型仿真结果表明：磁致伸缩力在电机动态力中的占比最高可达42.4%，其对开关磁阻电机电磁振动的影响不可忽略；

（3）提出的定子齿加压结构相较于传统电机，气隙的径向磁密和电磁应力分别减小26.3%、44.5%，为非晶合金开关磁阻电机的减振研究提供了新思路。

团队介绍

（1）团队简介

团队合影

本文由三峡大学电动汽车能源互联关键技术团队完成，本团队拥有教授1名，副教授2名，讲师1名，其中湖北省级人才工程入选者1人，在读博士、硕士研究生共计60名。团队围绕电动汽车驱动电机的电磁振动减振与节能降耗优化设计、电动汽车充电系统的无线电能传输问题、电动汽车电机铁心材料磁特性测量与模拟开展研究，充分发挥驱动电机对电动汽车发展的主动支撑作用，缓解燃油车对环境整治造成的压力。团队承担科研项目30余项，发表SCI/EI检索论文120余篇，专利30余件；获得教学、科研各类奖项10余项；培养的研究生均进入国家电网、南方电网、三峡集团和长江电力等大型企事业单位。

（2）实验室介绍

本团队已完成非晶合金开关磁阻电机快速控制原型与测振实验平台、软磁材料服役条件综合实验平台的搭建，设备主要包括NI高频数据采集系统、AE宽频功率放大器、非晶合金开关磁阻电机、快速控制原型(Rapid Control Prototype, RCP)控制器、驱动器、转矩传感器、磁粉制动器、张力控制器、爱泼斯坦方圈、动态应变仪、单片测量仪、加速度传感器、上位机等，可实现开关磁阻电机的控制算法快速验证与振动测量，可获取软磁材料在标准正弦、谐波、直流偏磁以及应力工况下的磁滞特性参数及损耗特性参数。

团队实验平台

上位机操作界面

（3）作者简介

贲彤

1991年生，博士，副教授，博士生导师，湖北省人才工程入选者，中国电工技术学会无线电能传输技术专委会委员，三峡大学智能电网信息工程系主任。担任电工技术学报、IEEE Transactions on Power Electronics、IEEE Transactions on Magnetics等国内外期刊会议审稿人。主持国家级项目1项，省部级项目2项，参与完成国家、省部级科研项目3项。目前主要从事新能源电动汽车驱动电机电磁特性研究、电工装备减振降噪技术研究、无线电能传输系统研究。

陈龙

1989年生，博士，硕士生导师，IEEE磁学学会会员、中国电工技术学会会员、International COMPUMAG Society(ICS)会员。担任电工技术学报、IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement、IEEE Transactions on Magnetics、COMPUMAG、COMPEL等国内外期刊会议审稿人。主持国家级项目1项，省部级项目1项，参与完成国家、省部级科研项目4项。目前主要从事变压器剩磁预测及其在电力系统中励磁涌流抑制的应用、软磁材料磁特性测量与模拟、新能源电动汽车效能提升、无线电能传输研究。

井立兵

1982年生，博士（后），副教授，博士生导师，IEEE Member。担任IEEE TIE、IEEE TEC、IEEE TIA、IEEE TMAG、IEEE TAS、IET EPA等期刊审稿人，SCI期刊Journal of Electrical Engineering & Technology的副编辑。主持和参与国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、博士后科学基金、湖北省重点实验室开放基金等10项。目前主要从事特种电机设计与电机电磁场分析计算、磁力齿轮设计等研究。

王进

1993年生，硕士研究生，三峡大学优秀毕业生；研究方向为非晶合金开关磁阻电机减振。

本工作成果发表在2023年第10期《电工技术学报》，论文标题为“考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法”。本课题得到国家自然科学基金和省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）开放课题基金的支持。

引用本文

贲彤, 王进, 陈龙, 井立兵, 闫荣格. 考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(10): 2648-2660. Ben Tong, Wang Jin, Chen Long, Jing Libing, Yan Rongge. Vibration Reduction Method of Switched Reluctance Motor with Amorphous Alloy Cores Based on Inverse-Magnetostriction Effect. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2648-2660.

【原】三峡大学贲彤、王进 等：考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

【原】三峡大学贲彤、王进等：考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法