IEEETrans|轴向径向混合磁通开关磁阻电机不同定子结构的研究

1、研究背景

与永磁电机和同步电机相比，开关磁阻电机（SRM）凭借其结构简单、转子无绕组和永磁体、启动转矩大、容错能力强以及调速范围广等优点，已在航空航天、家用电器、电动汽车等多个工业领域成功应用。电力电子器件的迅速发展使得推广开关磁阻电机（SRM）的应用提供了更多机会。然而，包括降低转矩脉动和噪声以及提高功率密度等一些挑战仍需克服，才能使其在工业中得到更广泛的应用。

随着对开关磁阻电机（SRM）的进一步研究，许多学者从抑制转矩脉动和提高功率密度的角度对优化电机设计方法进行了大量研究。目前针对所提出的 SRM 拓扑结构的大多数研究仅使用了单向磁路，而关于轴向 - 径向磁通的组合则相关文献相对较少。轴向-径向磁通磁滞电机 的结果优于传统的轴向磁通磁滞电机和径向磁通磁滞电机。对于轴向-径向电机，也存在一些挑战，例如制造精度要求高、热管理及热设计困难以及工艺复杂导致成本较高。然而，随着现代加工工艺的不断改进以及电机新材料的研究，这些挑战所带来的问题将逐渐得到解决。    

2、新型电机拓扑结构

所研究的轴向径向混合结构开关磁阻电机是轴向磁通与径向磁通的三维组合结构。具有两种不同定子结构的电机拓扑分别如图 1 和图 2 所示。径向磁通部分包括转子铁芯、径向定子和径向定子绕组。与传统开关磁阻电机不同，轴向径向混合结构开关磁阻电机还具有一个额外的轴向磁通部分，由转子铁芯、两个轴向定子和轴向定子绕组组成。一台三相 12/10/12 宽窄极轴向径向混合结构开关磁阻电机

宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机结构如图 1 所示。在该电机中，宽定子极与窄定子极沿圆周交替排列。电枢绕组仅绕在最宽的定子极上，称为励磁极。窄定子极不绕电枢绕组，仅提供磁通路径的电路，称为辅助极。为了使轴向定子和转子齿在不同半径组合下满足槽满率要求，其极槽设计为平行槽，同时确保内径和外径相等。左右轴向定子结构相同，并与外径向定子共用一个转子结构。转子结构由十个分段转子均匀放置在非导电转子套筒中组成。转子套筒采用环氧树脂材料制成，具有磁隔离作用，可减少涡流损耗并降低电机整体重量。    

图 2 展示了三相 12/10/12 等宽极面轴向磁通旋转磁阻电机的结构。其轴向定子也采用了平行槽结构。转子结构与 宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 相同。其定子部分与传统磁阻电机类似，每个定子极上都绕有电枢绕组。相邻齿极的两个电枢绕组串联连接形成一相，与分段式转子共同构成一个相对较短的磁路。

论文所提方案设计流程如图5所示。

3、性能对比（宽窄极-轴向径向混合结构与宽极面轴向磁通结构）

1）尽管这两种结构都采用了短磁路，但宽窄极结构所需的绕组比等宽极结构要少。这意味着宽窄极式无刷永磁直线同步电机所需的铜量更少，从而减轻了电机的重量，提高了其利用率。

2）在不同的电流激励下，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 的最大电感与最小电感之比大于 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机 的相应比值，这表明 宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 具有较高的能量传递比。因此，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 具有更高的磁链。在相同的电流激励下，其转矩和力矩均大于 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机。    

3）在高速范围内，宽极面轴向磁通旋转磁阻电机 的转矩脉动小于 宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机。然而，在低速范围内，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 的转矩脉动明显优于 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机。在任何速度范围内，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 的平均转矩都高于 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机。综上所述，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 的性能优于 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机。宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 在启动状态下上升时间快，但 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机 的最终稳态速度更高。此外，在速度变化时，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 的调节时间比 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机 短。

4、结论

在本文中，利用轴向磁通开关磁阻电机和径向磁通开关磁阻电机结构的特点，提出了两种具有不同定子结构的轴向径向混合磁通开关磁阻电机。介绍了 轴向径向混合结构开关磁阻电机 的工作原理和设计原则，包括绕组配置、磁路以及定子和转子的一些设计规则。对这两种电机的静态特性和动态性能进行了分析。最后，通过实验验证了混合磁通的可行性。基于仿真和实验结果，可以得出以下结论。

1）尽管采用了不同的定子结构，但分段式转子结构和绕组连接方式使得 宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 和 宽极面轴向磁通旋转磁阻电机 获得了新的短磁路。轴向和径向磁路仅通过相邻的定子极和分段式转子。    

2）与宽极面轴向磁通旋转磁阻电机相比，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机的最大电感与最小电感之比更大。仿真结果表明，在相同电流运行条件下，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 能够实现更高的磁链和静态转矩。

3）在任何速度范围内，宽窄极-轴向径向混合结构开关磁阻电机 的负载转矩都更高。在高速范围内，宽极面轴向磁通旋转磁阻电机 能够表现出更低的转矩脉动。

这两种电机具有径向 - 轴向磁通结构，其设计和制造难度比传统的开关磁阻电机更大。不过，基于先进的加工技术，本文所述电机的复杂性正在逐步得到解决。振动和温升等因素是评估电机质量的主要指标。同时，由于转矩脉动过大而产生的振动噪声是开关磁阻电机运行过程中固有的问题。后续工作中将进一步对这些方面进行研究。

EVH原创文章

1.蔚来电驱动开发集成化思路的探讨

2.2025年度长城Hi4/Hi4-Z/Hi4-T超级混动深度剖析

3.小鹏汽车动力总成部门总监顾捷:智能化趋势下的出行生态融合

4.高性能稀土永磁新材料研究进展

5.汽车智能化背景下线控制动系统的冗余设计

扫描二维码｜关注我们 ●  电动车千人会  ●

扫码关注智能汽车 ●  EVH1000智能汽车  ●