• 头条西安交通大学科研团队在混合励磁开关磁阻电机领域取得新研究进展
    2022-08-19 作者:丁文、李可 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语为了提高传统开关磁阻电机(CSRM)的输出转矩、功率密度,降低电机的转矩脉动,西安交通大学电气工程学院的研究人员丁文、李可、付海刚,在2022年第8期《电工技术学报》上撰文,提出一种新型的三相12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机(MHSRM)。

    开关磁阻电机(Switched Reluctance Machine, SRM)具有结构坚固、成本低、可靠性高、调速范围广以及容错性较高等优点,近年来在国内外工业界受到越来越广泛的关注,并逐步在家用电器、伺服系统、牵引电机、高速电机、风力发电、航空航天及电动汽车等领域显示出强大的市场竞争力。但同时,传统开关磁阻电机(Conventional SRM, CSRM)也有转矩脉动大、噪声大和功率密度低等缺点。

    为了解决这些问题,提高传统开关磁阻电机的性能,人们将永磁材料(Permanent Magnet, PM)嵌入传统开关磁阻电机的定子中,形成新的混合励磁开关磁阻电机(Hybrid- excitation SRM, HSRM)。

    这种新型电机既保留了传统开关磁阻电机的优点,又将高性能稀土永磁材料应用于电机之中,使得电机的磁场由线圈和永磁体混合励磁产生,该电机的电磁转矩一部分来自原来的磁阻转矩;另一部分来自新加入的永磁体的永磁转矩。

    因此,相比于传统开关磁阻电机,混合励磁开关磁阻电机的输出转矩明显增大,提高了电机的功率密度,减小了电机的转矩脉动,从而在一定程度上克服了传统开关磁阻电机的缺点,这种新型电机在航空航天、电动汽车等领域具有显著的研究和应用价值。

    国内外高校、科研院所及企业对混合励磁开关磁阻电机开展了大量的研究。国外针对混合励磁开关磁阻电机的研究主要集中于两类:一是在定子轭部安装永磁体并加入辅助绕组;二是在定子槽口或定子极中安装永磁体。国内针对混合励磁开关磁阻电机的研究主要集中于两方面:其一是在定子槽口处安装永磁体;其二是在定子齿上安装永磁体。

    以上研究的混合励磁开关磁阻电机都是传统开关磁阻电机的基础上加入永磁体实现的,电机的结构仍然和传统开关磁阻电机类似,定、转子铁心采用整片硅钢片叠压而成。

    为了提高传统开关磁阻电机(CSRM)的输出转矩、功率密度,降低电机的转矩脉动,西安交通大学电气工程学院的研究人员丁文、李可、付海刚,在2022年第8期《电工技术学报》上撰文,提出一种新型的三相12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机(MHSRM)。

    该电机定子由6个U型定子模块组成,每个U型定子块两极之间的槽口处嵌入永磁体。相比于传统开关磁阻电机,由于采用了分块定子结构,该电机所用硅钢片材料更少、质量更轻;每个定子块构成独立的磁路,提高了电机的容错性,同时由于永磁体的加入,拥有更大输出转矩和功率密度。

    图1 三相12/10极MHSRM拓扑结构示意图

    研究人员介绍了模块化定子混合励磁开关磁阻电机的拓扑结构、工作原理。为了验证该电机的良好性能,他们运用有限元方法对相同结构尺寸的模块化定子混合励磁开关磁阻电机、传统开关磁阻电机和无永磁体的分块定子开关磁阻电机(SRM)的静态电磁场和电磁特性进行对比,并分析了永磁体对模块化定子混合励磁开关磁阻电机电磁转矩的影响。

    图2 MHSRM和传统开关磁阻电机样机

    研究人员最后制作相同尺寸的模块化定子混合励磁开关磁阻电机和传统开关磁阻电机样机各一台,对两种电机的静态电磁特性、稳态和动态性能进行实验测试,并与6/5极结构的模块化定子混合励磁开关磁阻电机进行部分性能对比。

    图3 两种电机系统实验平台

    实验结果表明,在相同情况下,相比于传统开关磁阻电机和6/5极模块化定子混合励磁开关磁阻电机,该12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机具有更大的输出转矩、更小的转矩脉动、更大的转矩密度、更强的起动响应和带载能力等。

    本文编自2022年第8期《电工技术学报》,论文标题为“一种12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机分析”。