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低速永磁同步電動(dòng)機(jī)因稀土永磁材料消耗量大、成本高，限制了其應(yīng)用范圍。而開關(guān)磁阻電機(jī)（switched reluctance motor, SRM）結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，已成為一些低速驅(qū)動(dòng)場合的可選方案。為獲得更高轉(zhuǎn)矩密度，開關(guān)磁阻電機(jī)通常工作在鐵心磁通密度過飽和的情況下，但開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)及磁路高飽和，會(huì)導(dǎo)致較大的換相尖峰電流問題。

為降低開關(guān)磁阻電機(jī)的換相尖峰電流并進(jìn)一步提高其效率，已有眾多學(xué)者從控制方面和電機(jī)本體設(shè)計(jì)方面做了大量研究。

在控制方面，有學(xué)者提出一種基于電流軟斬波的分段脈寬調(diào)制（PWM）變占空比控制方法，解決了開關(guān)磁阻電機(jī)傳統(tǒng)電流軟斬波控制策略電流脈動(dòng)大的問題，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該控制方法能有效限制電流峰值、改善電機(jī)性能，但采用電流斬波控制增加了開關(guān)頻率和開關(guān)損耗。

在電機(jī)本體設(shè)計(jì)方面，可以通過提高電機(jī)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(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，將有取向硅鋼材料應(yīng)用于定子齒上，利用有取向硅鋼材料的高導(dǎo)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(chǎn)成本。

陳軍等提出永磁輔助外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)，通過在定子槽口處添加永磁體，來增強(qiáng)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(jī)成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。井立兵等通過在傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)平行轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)添加半橢圓形輔助鐵心，緩解了雙凸極結(jié)構(gòu)造成的勵(lì)磁極和轉(zhuǎn)子磁極磁路局部飽和問題，提高了轉(zhuǎn)子鐵心抗飽和能力。

LI G. J.等提出一種互感耦合型開關(guān)磁阻電機(jī)，磁通分布于多個(gè)定子齒中，使互耦合型開關(guān)磁阻電機(jī)抗飽和能力高于傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)，但電機(jī)磁通路徑過長，繞組端部也較長。李哲等提出的定子齒單側(cè)帶極靴結(jié)構(gòu)SRM，利用極靴結(jié)構(gòu)改變磁通路徑，可以有效緩解邊緣磁通效應(yīng)和磁路局部飽和，但單側(cè)極靴結(jié)構(gòu)僅能使電機(jī)工作在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下。

由文獻(xiàn)研究可知，提高開關(guān)磁阻電機(jī)抗飽和能力是降低電機(jī)換相尖峰電流的一種有效方法。沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員孫宇亮、彭兵，在2022年第7期《電氣技術(shù)》上撰文，提出定子階梯齒結(jié)構(gòu)，通過較窄的一級(jí)齒保證輸出轉(zhuǎn)矩，較寬的二級(jí)齒降低磁極飽和程度。

圖1 階梯齒結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)

他們首先研究階梯齒結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)輸出轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)階梯齒開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明，階梯齒結(jié)構(gòu)可以提高電機(jī)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(jié)構(gòu)

表1 電機(jī)性能對(duì)比

研究人員進(jìn)一步指出，階梯齒結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)可以在保持輸出轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電機(jī)的113.2A削弱到87.7A，降低了22.5%。另外，階梯齒開關(guān)磁阻電機(jī)帶極靴結(jié)構(gòu)時(shí)，可以適當(dāng)減小一級(jí)齒相對(duì)極弧，削弱極靴結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。它通過將一級(jí)齒相對(duì)極弧由無極靴結(jié)構(gòu)階梯齒SRM的0.5減小到0.485，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、平均電流和電流峰值與無極靴結(jié)構(gòu)階梯齒的開關(guān)磁阻電機(jī)基本相同。

本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于階梯齒的開關(guān)磁阻電機(jī)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(xué)基金項(xiàng)目的支持。