開關磁阻電機(Switched Reluctance Machine, SRM)具有結構堅固、成本低、可靠性高、調速范圍廣以及容錯性較高等優點,近年來在國內外工業界受到越來越廣泛的關注,并逐步在家用電器、伺服系統、牽引電機、高速電機、風力發電、航空航天及電動汽車等領域顯示出強大的市場競爭力。但同時,傳統開關磁阻電機(Conventional SRM, CSRM)也有轉矩脈動大、噪聲大和功率密度低等缺點。
為了解決這些問題,提高傳統開關磁阻電機的性能,人們將永磁材料(Permanent Magnet, PM)嵌入傳統開關磁阻電機的定子中,形成新的混合勵磁開關磁阻電機(Hybrid- excitation SRM, HSRM)。
這種新型電機既保留了傳統開關磁阻電機的優點,又將高性能稀土永磁材料應用于電機之中,使得電機的磁場由線圈和永磁體混合勵磁產生,該電機的電磁轉矩一部分來自原來的磁阻轉矩;另一部分來自新加入的永磁體的永磁轉矩。
因此,相比于傳統開關磁阻電機,混合勵磁開關磁阻電機的輸出轉矩明顯增大,提高了電機的功率密度,減小了電機的轉矩脈動,從而在一定程度上克服了傳統開關磁阻電機的缺點,這種新型電機在航空航天、電動汽車等領域具有顯著的研究和應用價值。
國內外高校、科研院所及企業對混合勵磁開關磁阻電機開展了大量的研究。國外針對混合勵磁開關磁阻電機的研究主要集中于兩類:一是在定子軛部安裝永磁體并加入輔助繞組;二是在定子槽口或定子極中安裝永磁體。國內針對混合勵磁開關磁阻電機的研究主要集中于兩方面:其一是在定子槽口處安裝永磁體;其二是在定子齒上安裝永磁體。
以上研究的混合勵磁開關磁阻電機都是傳統開關磁阻電機的基礎上加入永磁體實現的,電機的結構仍然和傳統開關磁阻電機類似,定、轉子鐵心采用整片硅鋼片疊壓而成。
為了提高傳統開關磁阻電機(CSRM)的輸出轉矩、功率密度,降低電機的轉矩脈動,西安交通大學電氣工程學院的研究人員丁文、李可、付海剛,在2022年第8期《電工技術學報》上撰文,提出一種新型的三相12/10極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機(MHSRM)。
該電機定子由6個U型定子模塊組成,每個U型定子塊兩極之間的槽口處嵌入永磁體。相比于傳統開關磁阻電機,由于采用了分塊定子結構,該電機所用硅鋼片材料更少、質量更輕;每個定子塊構成獨立的磁路,提高了電機的容錯性,同時由于永磁體的加入,擁有更大輸出轉矩和功率密度。
圖1 三相12/10極MHSRM拓撲結構示意圖
研究人員介紹了模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機的拓撲結構、工作原理。為了驗證該電機的良好性能,他們運用有限元方法對相同結構尺寸的模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機、傳統開關磁阻電機和無永磁體的分塊定子開關磁阻電機(SRM)的靜態電磁場和電磁特性進行對比,并分析了永磁體對模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機電磁轉矩的影響。
圖2 MHSRM和傳統開關磁阻電機樣機
研究人員最后制作相同尺寸的模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機和傳統開關磁阻電機樣機各一臺,對兩種電機的靜態電磁特性、穩態和動態性能進行實驗測試,并與6/5極結構的模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機進行部分性能對比。
圖3 兩種電機系統實驗平臺
實驗結果表明,在相同情況下,相比于傳統開關磁阻電機和6/5極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機,該12/10極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機具有更大的輸出轉矩、更小的轉矩脈動、更大的轉矩密度、更強的起動響應和帶載能力等。
本文編自2022年第8期《電工技術學報》,論文標題為“一種12/10極模塊化定子混合勵磁開關磁阻電機分析”。