- 頭條沈陽工業大學科研人員提出削弱開關磁阻電機尖峰電流的新方法2022-12-28 作者：孫宇亮、彭兵 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語由文獻研究可知，提高開關磁阻電機抗飽和能力是降低電機換相尖峰電流的一種有效方法。沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員孫宇亮、彭兵，在2022年第7期《電氣技術》上撰文，提出定子階梯齒結構，通過較窄的一級齒保證輸出轉矩，較寬的二級齒降低磁極飽和程度。
低速永磁同步電動機因稀土永磁材料消耗量大、成本高，限制了其應用范圍。而開關磁阻電機（switched reluctance motor, SRM）結構簡單、成本低、可靠性高、起動轉矩高，已成為一些低速驅動場合的可選方案。為獲得更高轉矩密度，開關磁阻電機通常工作在鐵心磁通密度過飽和的情況下，但開關磁阻電機的雙凸極結構及磁路高飽和，會導致較大的換相尖峰電流問題。
為降低開關磁阻電機的換相尖峰電流并進一步提高其效率，已有眾多學者從控制方面和電機本體設計方面做了大量研究。
在控制方面，有學者提出一種基于電流軟斬波的分段脈寬調制（PWM）變占空比控制方法，解決了開關磁阻電機傳統電流軟斬波控制策略電流脈動大的問題，并通過仿真和實驗證明了該控制方法能有效限制電流峰值、改善電機性能，但采用電流斬波控制增加了開關頻率和開關損耗。
在電機本體設計方面，可以通過提高電機鐵心抗飽和能力來削弱換相尖峰電流。馬霽旻等以軸向開關磁阻電機為研究對象，將有取向硅鋼材料應用于定子齒上，利用有取向硅鋼材料的高導磁性能，提高定子齒抗飽和能力，降低峰值電流，但為了使取向硅鋼片的軋制方向與磁通方向一致，需要將硅鋼片分割成多塊并粘接在定子盤上，增加了加工難度與生產成本。
陳軍等提出永磁輔助外轉子開關磁阻電機，通過在定子槽口處添加永磁體，來增強氣隙磁通密度、降低定子磁通密度，該方法雖然提高了定子鐵心抗飽和能力，但稀土永磁材料的引入，增加了電機成本和結構復雜性。井立兵等通過在傳統開關磁阻電機平行轉子齒兩側添加半橢圓形輔助鐵心，緩解了雙凸極結構造成的勵磁極和轉子磁極磁路局部飽和問題，提高了轉子鐵心抗飽和能力。
LI G. J.等提出一種互感耦合型開關磁阻電機，磁通分布于多個定子齒中，使互耦合型開關磁阻電機抗飽和能力高于傳統開關磁阻電機，但電機磁通路徑過長，繞組端部也較長。李哲等提出的定子齒單側帶極靴結構SRM，利用極靴結構改變磁通路徑，可以有效緩解邊緣磁通效應和磁路局部飽和，但單側極靴結構僅能使電機工作在一個旋轉方向下。
由文獻研究可知，提高開關磁阻電機抗飽和能力是降低電機換相尖峰電流的一種有效方法。沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員孫宇亮、彭兵，在2022年第7期《電氣技術》上撰文，提出定子階梯齒結構，通過較窄的一級齒保證輸出轉矩，較寬的二級齒降低磁極飽和程度。
圖1 階梯齒結構及尺寸參數
他們首先研究階梯齒結構對降低鐵心磁通密度飽和程度的可行性；然后，利用有限元軟件分析階梯齒尺寸對輸出轉矩和換相尖峰電流的影響；最后，基于工程問題，提出帶極靴結構階梯齒開關磁阻電機的設計方法。仿真結果表明，階梯齒結構可以提高電機抗飽和能力，有效削弱換相尖峰電流。
圖2 帶極靴的定子階梯齒結構
表1 電機性能對比
研究人員進一步指出，階梯齒結構的開關磁阻電機可以在保持輸出轉矩不變的情況下，較好地削弱換相尖峰電流，它可將換相尖峰電流由原始開關磁阻電機的113.2A削弱到87.7A，降低了22.5%。另外，階梯齒開關磁阻電機帶極靴結構時，可以適當減小一級齒相對極弧，削弱極靴結構對電機輸出轉矩的影響。它通過將一級齒相對極弧由無極靴結構階梯齒SRM的0.5減小到0.485，使電機輸出轉矩、轉矩脈動、平均電流和電流峰值與無極靴結構階梯齒的開關磁阻電機基本相同。
本文編自2022年第7期《電氣技術》，論文標題為“基于階梯齒的開關磁阻電機尖峰電流削弱方法”，作者為孫宇亮、彭兵，本課題得到國家自然科學基金項目的支持。
