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近年來，在稀土材料價格昂貴與資源短缺的情況下，相較于永磁電機，研究減少利用永磁體甚至去除永磁體的電機顯得越來越重要。同步磁阻電機（Synchronous Reluctance Machine, SynRM）不應(yīng)用永磁體材料，電機轉(zhuǎn)矩與效率均較高，目前已在機床、軌道交通、電動汽車以及紡織設(shè)備等場合得到應(yīng)用。

另外，由于其電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較簡單，所以裝配維護方便。因為同步磁阻電機僅采用電樞勵磁，在高速運行時電機不需要弱磁，因而調(diào)速范圍廣。在相同功率等級下，相較于感應(yīng)電機，同步磁阻電機的效率更高、轉(zhuǎn)子損耗更小、轉(zhuǎn)矩密度更高；與開關(guān)磁阻電機相比，同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩脈動小、振動噪聲小、效率也更高、魯棒性稍差。

一些學(xué)者在同步磁阻電機所體現(xiàn)出的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，將少量的永磁體加入同步磁阻電機的定轉(zhuǎn)子上，增加除磁阻轉(zhuǎn)矩外的永磁轉(zhuǎn)矩，雖然這樣能夠提高電機的轉(zhuǎn)矩密度，但是加入永磁體會出現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩、永磁體退磁、永磁材料成本高、制造難度大等問題。

目前，在同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制的研究中，根據(jù)極槽比以及繞組類型的不同，可以通過增加定子的繞組層數(shù)以減小磁動勢的諧波幅值達到降低轉(zhuǎn)矩脈動的目的。同時，有學(xué)者指出，采用分布式集中繞組能夠有效縮短繞組端部纏繞長度，降低電機銅耗，減小機器的體積。

在結(jié)合兩電機定子與轉(zhuǎn)子方面，采用同步磁阻電機的定子與開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子可以作為下一步研究的側(cè)重點?？紤]加工難易程度以及驅(qū)動方式，有學(xué)者嘗試將同步磁阻電機與開關(guān)磁阻電機結(jié)合仿真，有學(xué)者將同步磁阻電機的三相正弦電流驅(qū)動方式應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機中，利用同步磁阻電機驅(qū)動優(yōu)勢，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動。

在同步磁阻電機的定子設(shè)計中，根據(jù)電機繞組結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化選擇定子齒冠的輔助槽數(shù)目可以有效降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，同時平均轉(zhuǎn)矩也會因為輔助槽附近局部磁路飽和而下降。有學(xué)者首次提出在同步磁阻電機轉(zhuǎn)子磁通屏障與定子齒部采用不對稱設(shè)計的可行性，有學(xué)者運用不對稱設(shè)計思想在凸極轉(zhuǎn)子中提出電機不對稱設(shè)計的一般規(guī)律，并應(yīng)用于傳統(tǒng)的同步磁阻電機中，其不對稱設(shè)計體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的相鄰極之間。通過敏感度分析，同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩脈動很大程度受到定子與轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)以及電流相位的影響。與此同時，在電機優(yōu)化過程中，常用響應(yīng)面法與田口法，同時，改進的田口法能夠更有效快速地優(yōu)化一類電機。

為了降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，河北工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員將不對稱設(shè)計應(yīng)用于傳統(tǒng)同步磁阻電機轉(zhuǎn)子，得到不同功率等級電機降低轉(zhuǎn)矩脈動的一般規(guī)律，并對同步磁阻電機簡化，利用開關(guān)磁阻電機加工制造簡單的優(yōu)勢，提出一種采用同步磁阻電機定子與開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子相結(jié)合的類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機，在凸極轉(zhuǎn)子邊緣加一層較薄的肋部，在相關(guān)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上采用序貫田口穩(wěn)健優(yōu)化方法與有限元法對電機定子與轉(zhuǎn)子各參數(shù)依次優(yōu)化，得到一般性的不對稱規(guī)律，以得到性能更優(yōu)的磁阻電機。

圖1 類凸極轉(zhuǎn)子同步磁組電機四種結(jié)構(gòu)

他們通過研究傳統(tǒng)同步磁阻電機與類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機兩類不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機性能，得到更加深刻的理解。表1選擇性能較好的三種電機在平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、鐵心損耗與效率四個方面進行對比，可以得出相同電流密度與電機功率等級下，傳統(tǒng)同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩更大、轉(zhuǎn)矩脈動最低，而類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機在該類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下采用集中式繞組結(jié)構(gòu)時鐵心損耗較低、效率較高。在電機制作成本與裝配方面，類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機優(yōu)勢較大。

表1 不同結(jié)構(gòu)同步磁阻電機對比

研究人員表示，傳統(tǒng)同步磁阻電機不對稱設(shè)計主要在同一極與相鄰極的磁通屏障張角，以及每一極的寬度方面做處理，并得出明顯的不對稱設(shè)計規(guī)律，采用不對稱轉(zhuǎn)子設(shè)計對于抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動具有良好的效果。另外，類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機結(jié)構(gòu)更加簡單、制作成本更低。采用不同繞組結(jié)構(gòu)對四種電機進行設(shè)計，對氣隙磁通密度的諧波分析可知，采用分布式繞組結(jié)構(gòu)更能降低電機轉(zhuǎn)矩脈動，采用雙層集中式繞組更能有效降低電機的鐵心損耗、提高電機效率。

從傳統(tǒng)同步磁阻電機與類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機作對比分析可得，相同電流密度與電機功率等級時，傳統(tǒng)電機的輸出轉(zhuǎn)矩明顯高于類凸極轉(zhuǎn)子電機，通過轉(zhuǎn)矩脈動分析，電機的振動噪聲差異不大，采用最優(yōu)的兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機鐵心損耗差距較小，但是傳統(tǒng)同步磁阻電機的效率要更高。

他們最后指出，采用不對稱轉(zhuǎn)子設(shè)計與序貫田口穩(wěn)健優(yōu)化方法相結(jié)合的方式，對傳統(tǒng)同步磁阻電機與類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機進行有限元計算，通過性能對比與制作成本分析，找到了類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機在制作成本、鐵心損耗等方面較傳統(tǒng)同步磁阻電機的優(yōu)勢。在對輸出轉(zhuǎn)矩要求較低的場合，類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機具有代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步磁阻電機的可能性。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1，論文標(biāo)題為“基于不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與序貫田口穩(wěn)健優(yōu)化方法的同步磁阻電機設(shè)計”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金的支持。