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

另外，由于其電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以裝配維護(hù)方便。因?yàn)橥酱抛桦姍C(jī)僅采用電樞勵(lì)磁，在高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)不需要弱磁，因而調(diào)速范圍廣。在相同功率等級(jí)下，相較于感應(yīng)電機(jī)，同步磁阻電機(jī)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(jī)相比，同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、振動(dòng)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(jī)所體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，將少量的永磁體加入同步磁阻電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，但是加入永磁體會(huì)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(wèn)題。

目前，在同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(guò)增加定子的繞組層數(shù)以減小磁動(dòng)勢(shì)的諧波幅值達(dá)到降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。同時(shí)，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(zhǎng)度，降低電機(jī)銅耗，減小機(jī)器的體積。

在結(jié)合兩電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子方面，采用同步磁阻電機(jī)的定子與開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以作為下一步研究的側(cè)重點(diǎn)。考慮加工難易程度以及驅(qū)動(dòng)方式，有學(xué)者嘗試將同步磁阻電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)合仿真，有學(xué)者將同步磁阻電機(jī)的三相正弦電流驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機(jī)中，利用同步磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

在同步磁阻電機(jī)的定子設(shè)計(jì)中，根據(jù)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)平均轉(zhuǎn)矩也會(huì)因?yàn)檩o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(jī)轉(zhuǎn)子磁通屏障與定子齒部采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)的可行性，有學(xué)者運(yùn)用不對(duì)稱設(shè)計(jì)思想在凸極轉(zhuǎn)子中提出電機(jī)不對(duì)稱設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，并應(yīng)用于傳統(tǒng)的同步磁阻電機(jī)中，其不對(duì)稱設(shè)計(jì)體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的相鄰極之間。通過(guò)敏感度分析，同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(shí)，在電機(jī)優(yōu)化過(guò)程中，常用響應(yīng)面法與田口法，同時(shí)，改進(jìn)的田口法能夠更有效快速地優(yōu)化一類電機(jī)。

為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，河北工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員將不對(duì)稱設(shè)計(jì)應(yīng)用于傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，得到不同功率等級(jí)電機(jī)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一般規(guī)律，并對(duì)同步磁阻電機(jī)簡(jiǎn)化，利用開關(guān)磁阻電機(jī)加工制造簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，提出一種采用同步磁阻電機(jī)定子與開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子相結(jié)合的類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)，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(duì)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子各參數(shù)依次優(yōu)化，得到一般性的不對(duì)稱規(guī)律，以得到性能更優(yōu)的磁阻電機(jī)。

圖1 類凸極轉(zhuǎn)子同步磁組電機(jī)四種結(jié)構(gòu)

他們通過(guò)研究傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)與類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)兩類不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)性能，得到更加深刻的理解。表1選擇性能較好的三種電機(jī)在平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、鐵心損耗與效率四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，可以得出相同電流密度與電機(jī)功率等級(jí)下，傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩更大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最低，而類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)在該類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下采用集中式繞組結(jié)構(gòu)時(shí)鐵心損耗較低、效率較高。在電機(jī)制作成本與裝配方面，類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)優(yōu)勢(shì)較大。

表1 不同結(jié)構(gòu)同步磁阻電機(jī)對(duì)比

研究人員表示，傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)不對(duì)稱設(shè)計(jì)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(duì)稱設(shè)計(jì)規(guī)律，采用不對(duì)稱轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)對(duì)于抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有良好的效果。另外，類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、制作成本更低。采用不同繞組結(jié)構(gòu)對(duì)四種電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，采用雙層集中式繞組更能有效降低電機(jī)的鐵心損耗、提高電機(jī)效率。

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

他們最后指出，采用不對(duì)稱轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與序貫田口穩(wěn)健優(yōu)化方法相結(jié)合的方式，對(duì)傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)與類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算，通過(guò)性能對(duì)比與制作成本分析，找到了類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)在制作成本、鐵心損耗等方面較傳統(tǒng)同步磁阻電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩要求較低的場(chǎng)合，類凸極轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)具有代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步磁阻電機(jī)的可能性。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“基于不對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金的支持。