- 頭條中國礦大學者提出新電機結構，促進開關磁阻電機在電動汽車的應用2022-03-16 作者：閆文舉、陳昊 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語開關磁阻電機具有可靠性高、成本較低、高效平臺較寬等優點，但其轉矩脈動大、功率密度低的固有缺點嚴重限制了其在電動汽車領域的應用推廣。為了解決上述問題，中國礦業大學電氣與動力工程學院、中國礦業大學信息與控制工程學院的研究人員閆文舉、陳昊 等，在2021年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種磁場解耦型雙定子開關磁阻電機新結構，內外定子均采用U型分塊結構，通過優化內外定子磁場的極性分布，使內外定子磁場解耦。 在此基礎上，通過轉子內外齒錯開一定機械角度降低轉矩脈動。首先介紹新型電機的工作原理及其設計方法；然后綜合比較兩種不同轉子極數下的靜、動態運行性能；最后試制一臺4相16/18/16結構的樣機，通過實驗驗證其工作原理的實際可行性和兩種電機性能比較的正確性，為新型電機在電動汽車驅動系統領域的推廣應用奠定一定的理論基礎。
開關磁阻電機（Switched Reluctance Machine, SRM）作為一種無稀土類電機，相比于其他類型的電機，具有以下優勢：
①可靠性高。兼具起動轉矩大、起動電流小、過載能力強等優點；其各相可獨立工作，具有一定的容錯性；轉子無永磁體，對環境工作溫度要求低，不存在退磁風險。
②成本較低。定轉子結構簡單，僅采用硅鋼片疊成，無需稀土永磁材料，轉子無繞組。
③高效率平臺較寬。雖然在額定點附近低于永磁電機，但是SRM可以在很寬的速度范圍和不同負載狀態下實現高效運行。
然而，由于SRM驅動轉矩是由各相轉矩疊加而成，加之其驅動運行依靠的是磁阻轉矩，存在著轉矩脈動大、功率密度低的固有缺點，嚴重限制了SRM在電動汽車領域的應用推廣。因此，亟需研究開發一種在提高功率密度的同時降低電機轉矩脈動的新型結構SRM，以加快其在電動汽車驅動系統中的應用。
為了提高傳統SRM在電動汽車應用領域中的競爭力，學者們常采用優化電機結構參數、優化電機拓撲結構和改變電機鐵磁材料等方法提高傳統SRM的功率密度。此外，還有學者通過改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機電能量轉換率對電機結構進行改進，提出定子分塊式、轉子分塊式、軸向磁通式、混合勵磁式等電機結構。
上述方法均在一定程度上提高了電動汽車驅動電機的功率密度，但是由于基于傳統單定子電機在尺寸固定情況下較大幅度提升電機的功率密度存在一定難度，有學者嘗試在傳統內轉子電機內部增加一個內定子的雙定子電機結構設計，旨從理論上能大幅度提升電機的功率密度。無稀土同心式雙定子開關磁阻電機（Double Stator Switched Reluctance Machine, DSSRM）最早于2010年提出，內外定子均采用燕尾齒結構，電機轉子采用分塊結構；接著從電機設計、數學模型、繞組配置等方面開展了較為深入的研究，并將其與永磁同步電機進行對比，結果表明，DSSRM的轉矩輸出能力與永磁同步電機相當，但是單位材料成本轉矩要優于永磁同步電機。
有學者提出了另外一種結構新穎的DSSRM，內外定子結構與傳統SRM相同，但轉子齒為分塊結構；有學者對該電機的定轉子極弧進行優化，在一定程度上降低了電機的轉矩脈動。
上述兩種新結構雙定子電機在增加電機功率密度的同時，由于內外定子產生轉矩的疊加，也增加了電機的轉矩脈動。有學者則提出一種新型的DSSRM，通過轉子內外齒錯開一定機械角度降低了轉矩脈動，但是在內外定子同時導通時，由于轉子軛部極易飽和，導致該電機的功率密度不高。
通過對上述文獻的總結發現，學者們不僅采用優化電機結構參數、拓撲結構和改變鐵磁材料等方法，還從混合勵磁、定子分塊、轉子分塊、軸向磁通、雙定子等新型結構設計角度提高電機的功率密度。研究發現，雙定子開關磁阻電機可以顯著提升電機的功率密度，使其轉矩輸出能力與永磁同步電機相當。
因此，中國礦業大學信息與控制工程學院的研究人員從改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機電能量轉換率角度，設計了一種磁場解耦型雙定子開關磁阻電機（Magnetic Field Decoupled- Double Stator Switched Reluctance Machine, MFD- DSSRM），以提升電動汽車驅動電機的功率密度，并對兩種常用的電機結構進行性能對比。
圖1 樣機及其測試平臺
他們得出的結論如下：
1）所提出的雙定子開關磁阻電機內外定子磁場具有較強的磁場解耦特性。
2）所提出的轉矩脈動抑制策略能夠很好地抑制雙定子開關磁阻電機的轉矩脈動。
3）在勵磁電流較低時，兩種電機的靜態轉矩曲線幾乎相等，但是隨著勵磁電流的增加，16/18/16 MFD-DSSRM的靜態轉矩開始逐漸大于16/14/16 MFD-DSSRM的靜態轉矩。
4）在低速時，16/18/16結構的轉矩輸出能力和轉矩脈動優于16/14/16結構；在高速時，16/14/16結構的轉矩輸出能力優于16/18/16結構，但是16/18/16結構的轉矩脈動優于16/14/16結構。
以上研究成果發表在2021年第14期《電工技術學報》，論文標題為“不同轉子極數下磁場解耦型雙定子開關磁阻電機的研究”，作者為閆文舉、陳昊 等。
