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開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Machine, SRM）作為一種無(wú)稀土類(lèi)電機(jī)，相比于其他類(lèi)型的電機(jī)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

①可靠性高。兼具起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；其各相可獨(dú)立工作，具有一定的容錯(cuò)性；轉(zhuǎn)子無(wú)永磁體，對(duì)環(huán)境工作溫度要求低，不存在退磁風(fēng)險(xiǎn)。

②成本較低。定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅采用硅鋼片疊成，無(wú)需稀土永磁材料，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組。

③高效率平臺(tái)較寬。雖然在額定點(diǎn)附近低于永磁電機(jī)，但是SRM可以在很寬的速度范圍和不同負(fù)載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

然而，由于SRM驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成，加之其驅(qū)動(dòng)運(yùn)行依靠的是磁阻轉(zhuǎn)矩，存在著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、功率密度低的固有缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了SRM在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。因此，亟需研究開(kāi)發(fā)一種在提高功率密度的同時(shí)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新型結(jié)構(gòu)SRM，以加快其在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為了提高傳統(tǒng)SRM在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域中的競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)者們常采用優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和改變電機(jī)鐵磁材料等方法提高傳統(tǒng)SRM的功率密度。此外，還有學(xué)者通過(guò)改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換率對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出定子分塊式、轉(zhuǎn)子分塊式、軸向磁通式、混合勵(lì)磁式等電機(jī)結(jié)構(gòu)。

上述方法均在一定程度上提高了電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度，但是由于基于傳統(tǒng)單定子電機(jī)在尺寸固定情況下較大幅度提升電機(jī)的功率密度存在一定難度，有學(xué)者嘗試在傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)部增加一個(gè)內(nèi)定子的雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨從理論上能大幅度提升電機(jī)的功率密度。無(wú)稀土同心式雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Double Stator Switched Reluctance Machine, DSSRM）最早于2010年提出，內(nèi)外定子均采用燕尾齒結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用分塊結(jié)構(gòu)；接著從電機(jī)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、繞組配置等方面開(kāi)展了較為深入的研究，并將其與永磁同步電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，DSSRM的轉(zhuǎn)矩輸出能力與永磁同步電機(jī)相當(dāng)，但是單位材料成本轉(zhuǎn)矩要優(yōu)于永磁同步電機(jī)。

有學(xué)者提出了另外一種結(jié)構(gòu)新穎的DSSRM，內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)SRM相同，但轉(zhuǎn)子齒為分塊結(jié)構(gòu)；有學(xué)者對(duì)該電機(jī)的定轉(zhuǎn)子極弧進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

上述兩種新結(jié)構(gòu)雙定子電機(jī)在增加電機(jī)功率密度的同時(shí)，由于內(nèi)外定子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的疊加，也增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。有學(xué)者則提出一種新型的DSSRM，通過(guò)轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯(cuò)開(kāi)一定機(jī)械角度降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是在內(nèi)外定子同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，由于轉(zhuǎn)子軛部極易飽和，導(dǎo)致該電機(jī)的功率密度不高。

通過(guò)對(duì)上述文獻(xiàn)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們不僅采用優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和改變鐵磁材料等方法，還從混合勵(lì)磁、定子分塊、轉(zhuǎn)子分塊、軸向磁通、雙定子等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提高電機(jī)的功率密度。研究發(fā)現(xiàn)，雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可以顯著提升電機(jī)的功率密度，使其轉(zhuǎn)矩輸出能力與永磁同步電機(jī)相當(dāng)。

因此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院的研究人員從改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換率角度，設(shè)計(jì)了一種磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Magnetic Field Decoupled- Double Stator Switched Reluctance Machine, MFD- DSSRM），以提升電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度，并對(duì)兩種常用的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對(duì)比。

圖1 樣機(jī)及其測(cè)試平臺(tái)

他們得出的結(jié)論如下：

1）所提出的雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)外定子磁場(chǎng)具有較強(qiáng)的磁場(chǎng)解耦特性。

2）所提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略能夠很好地抑制雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3）在勵(lì)磁電流較低時(shí)，兩種電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)幾乎相等，但是隨著勵(lì)磁電流的增加，16/18/16 MFD-DSSRM的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始逐漸大于16/14/16 MFD-DSSRM的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。

4）在低速時(shí)，16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)；在高速時(shí)，16/14/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力優(yōu)于16/18/16結(jié)構(gòu)，但是16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)。

以上研究成果發(fā)表在2021年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“不同轉(zhuǎn)子極數(shù)下磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究”，作者為閆文舉、陳昊 等。