- 頭條河北工大學者提出結構更簡單、制造成本更低的新型同步磁阻電機2022-12-20 作者：劉成成、王珂霖 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語目前，傳統同步磁阻電機三層磁通屏障的轉子設計性能較好、制造簡易，得到行業的認可。討論轉子的不對稱磁通屏障結構與磁通屏障結構變形對全面掌握同步磁阻電機的特性至關重要。因此，省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室、悉尼大學電氣與信息工程學院的研究人員劉成成、王珂霖、王韶鵬、汪友華、朱建國，在2022年《電工技術學報》增刊1上撰文，研究了在不同功率等級下同步磁阻電機不對稱設計規律，以及基于序貫田口穩健優化方法的類凸極轉子同步磁阻電機。
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）不應用永磁體材料，電機轉矩與效率均較高，目前已在機床、軌道交通、電動汽車以及紡織設備等場合得到應用。
另外，由于其電機轉子結構比較簡單，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，因而調速范圍廣。在相同功率等級下，相較于感應電機，同步磁阻電機的效率更高、轉子損耗更小、轉矩密度更高；與開關磁阻電機相比，同步磁阻電機的轉矩脈動小、振動噪聲小、效率也更高、魯棒性稍差。
一些學者在同步磁阻電機所體現出的優勢基礎上，將少量的永磁體加入同步磁阻電機的定轉子上，增加除磁阻轉矩外的永磁轉矩，雖然這樣能夠提高電機的轉矩密度，但是加入永磁體會出現齒槽轉矩、永磁體退磁、永磁材料成本高、制造難度大等問題。
目前，在同步磁阻電機轉矩脈動抑制的研究中，根據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以減小磁動勢的諧波幅值達到降低轉矩脈動的目的。同時，有學者指出，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。
在結合兩電機定子與轉子方面，采用同步磁阻電機的定子與開關磁阻電機的轉子可以作為下一步研究的側重點。考慮加工難易程度以及驅動方式，有學者嘗試將同步磁阻電機與開關磁阻電機結合仿真，有學者將同步磁阻電機的三相正弦電流驅動方式應用到開關磁阻電機中，利用同步磁阻電機驅動優勢，有效降低了轉矩脈動。
在同步磁阻電機的定子設計中，根據電機繞組結構合理優化選擇定子齒冠的輔助槽數目可以有效降低電機的轉矩脈動，同時平均轉矩也會因為輔助槽附近局部磁路飽和而下降。有學者首次提出在同步磁阻電機轉子磁通屏障與定子齒部采用不對稱設計的可行性，有學者運用不對稱設計思想在凸極轉子中提出電機不對稱設計的一般規律，并應用于傳統的同步磁阻電機中，其不對稱設計體現在轉子的相鄰極之間。通過敏感度分析，同步磁阻電機的轉矩脈動很大程度受到定子與轉子幾何結構以及電流相位的影響。與此同時，在電機優化過程中，常用響應面法與田口法，同時，改進的田口法能夠更有效快速地優化一類電機。
為了降低電機的轉矩脈動，河北工業大學等單位的研究人員將不對稱設計應用于傳統同步磁阻電機轉子，得到不同功率等級電機降低轉矩脈動的一般規律，并對同步磁阻電機簡化，利用開關磁阻電機加工制造簡單的優勢，提出一種采用同步磁阻電機定子與開關磁阻電機轉子相結合的類凸極轉子同步磁阻電機，在凸極轉子邊緣加一層較薄的肋部，在相關學者研究的基礎上采用序貫田口穩健優化方法與有限元法對電機定子與轉子各參數依次優化，得到一般性的不對稱規律，以得到性能更優的磁阻電機。
圖1 類凸極轉子同步磁組電機四種結構
他們通過研究傳統同步磁阻電機與類凸極轉子同步磁阻電機兩類不同轉子結構的電機性能，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矩、轉矩脈動、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，傳統同步磁阻電機的轉矩更大、轉矩脈動最低，而類凸極轉子同步磁阻電機在該類型轉子結構下采用集中式繞組結構時鐵心損耗較低、效率較高。在電機制作成本與裝配方面，類凸極轉子同步磁阻電機優勢較大。
表1 不同結構同步磁阻電機對比
研究人員表示，傳統同步磁阻電機不對稱設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計規律，采用不對稱轉子設計對于抑制電機轉矩脈動具有良好的效果。另外，類凸極轉子同步磁阻電機結構更加簡單、制作成本更低。采用不同繞組結構對四種電機進行設計，對氣隙磁通密度的諧波分析可知，采用分布式繞組結構更能降低電機轉矩脈動，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。
從傳統同步磁阻電機與類凸極轉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，傳統電機的輸出轉矩明顯高于類凸極轉子電機，通過轉矩脈動分析，電機的振動噪聲差異不大，采用最優的兩種轉子結構的電機鐵心損耗差距較小，但是傳統同步磁阻電機的效率要更高。
他們最后指出，采用不對稱轉子設計與序貫田口穩健優化方法相結合的方式，對傳統同步磁阻電機與類凸極轉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，找到了類凸極轉子同步磁阻電機在制作成本、鐵心損耗等方面較傳統同步磁阻電機的優勢。在對輸出轉矩要求較低的場合，類凸極轉子同步磁阻電機具有代替傳統同步磁阻電機的可能性。
本文編自2022年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“基于不對稱轉子結構與序貫田口穩健優化方法的同步磁阻電機設計”。本課題得到了國家自然科學基金和河北省自然科學基金的支持。
