一種新型混合勵(lì)磁分段轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)

黃朝志, 宋秀西, 郭桂秀, 劉細(xì)平

(江西理工大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院, 贛州 341000)

近年來(lái)，隨著電力電子設(shè)備的進(jìn)步，開關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motors，SRM)在汽車、油田、礦山、鍛壓、紡織機(jī)械、家用電器等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。SRM的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、容錯(cuò)性好、可靠性高、性價(jià)比高[4]。但是開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大、功率密度相對(duì)較低，與常用的感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)相比飽和程度較高，降低了SRM及其驅(qū)動(dòng)的總體性能[5]。為了改善電機(jī)性能，獲得更高的轉(zhuǎn)矩性能和功率密度，眾多學(xué)者提出獨(dú)立的定/轉(zhuǎn)子模塊化結(jié)構(gòu)或加入永磁體輔助構(gòu)成混合勵(lì)磁磁阻電機(jī)。獨(dú)立的定/轉(zhuǎn)子模塊化結(jié)構(gòu)主要分為分段定子模塊和分段轉(zhuǎn)子模塊。其中分段定子結(jié)構(gòu)主要分為C型和E型定子。在文獻(xiàn)[6]中提出了一種具有C形模塊的新型分段SRM用于風(fēng)力發(fā)電，由于質(zhì)量較輕，因此更容易啟動(dòng)。在文獻(xiàn)[7-8]中提出了一種帶有C形分段定子鐵心的SRM，該電機(jī)具有較好的容錯(cuò)性，鐵損也低于傳統(tǒng)SRM。在文獻(xiàn)[9]中，對(duì)具有E形磁芯定子的新型兩相模塊SRM進(jìn)行了分析、優(yōu)化、原型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，這種新型SRM與傳統(tǒng)SRM相比，銅節(jié)省20%，鋼材節(jié)省20%，鐵芯損耗更低，平均轉(zhuǎn)矩更高。

分段轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motors with segmental rotor, SSRM)的研究最先開始于英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Mecrow教授,他提出一種具有整距繞組的12/8極SSRM結(jié)構(gòu)，該電機(jī)磁路較短，且沒(méi)有反向磁通，在相同銅耗下其輸出轉(zhuǎn)矩比同等尺寸普通SRM大41%[10]。文獻(xiàn)[11]研究了定子為勵(lì)磁極和輔助極的分段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提高了對(duì)稱位置的電感和磁鏈，增加了瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，平均轉(zhuǎn)矩提高11.6%，但磁鏈變化加劇，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更加明顯。

混合磁阻電機(jī)(hybrid reluctance motor,HRM)一般在定子上增加永磁體，在不影響電機(jī)的可靠性和高速運(yùn)行性能的前提下，增加了平均轉(zhuǎn)矩，降低了銅耗[12]。

文獻(xiàn)[13]將永磁體連接在三相6/5極電機(jī)的兩個(gè)定子極之間，該電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是磁路短、鐵損小、齒槽轉(zhuǎn)矩幾乎為零、有較高的功率密度和效率。然而，因?yàn)閮H有3個(gè)U形硅鋼片，產(chǎn)生了單邊的徑向不平衡的磁吸力，引起了較大的振動(dòng)和噪聲。在此基礎(chǔ)上，西安交通大學(xué)的丁文博士用6個(gè)U形的定子極硅鋼片，并在兩個(gè)定子槽口增加永磁體，該電機(jī)在平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、效率和啟動(dòng)性能上都有較大提高[14]。然而該電機(jī)定子分段需要將定子嵌入高磁阻的定子套中，勢(shì)必增加電機(jī)尺寸，從而減低電機(jī)功率密度。若采用分段轉(zhuǎn)子式混合勵(lì)磁則可避免此缺點(diǎn)。

在SSRM定子槽口加入12塊永磁體，實(shí)現(xiàn)了混合勵(lì)磁方式，構(gòu)成一種新型混合勵(lì)磁分段轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)(hybrid excitation switched reluctance motor with segmental rotors, HESSRM)。采用等效磁路法分析永磁體的增磁原理?；谟邢拊浖嗀nsoft仿真分析其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。結(jié)果表明，新型電機(jī)飽和程度變低，操作范圍變大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能得到提高，電機(jī)利用系數(shù)變大。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)以及工作原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1所示為12/8 HESSRM的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)分段SSRM有所不同，HESSRM轉(zhuǎn)子由8個(gè)扇形硅鋼片組成，并嵌入在高磁阻的鋁制轉(zhuǎn)子套中。定子有12個(gè)定子齒，在相鄰的兩定子齒之間加入永磁體，磁極方向?yàn)閳D1中箭頭方向。HESSRM中永磁體的N、S極方向與繞組通電方向一致，二者產(chǎn)生的磁鏈疊加。這相當(dāng)于在繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)永磁體磁源。每個(gè)定子齒的齒尖采用極靴設(shè)計(jì)，為定子槽口的永磁體提供結(jié)構(gòu)支撐。電機(jī)有三相，每相包括兩個(gè)串聯(lián)繞組，繞組采用整距繞組，即每個(gè)繞組跨越3個(gè)定子齒，且每個(gè)定子槽只加有一相繞組。

圖1 12/8 HESSRM的結(jié)構(gòu)Fig.1 Construction of 12/8 HESSRM

1.2 電機(jī)工作原理

HESSRM和普通SRM一樣遵循磁阻最小原理。各相輪流通電，轉(zhuǎn)子從磁阻最大的位置轉(zhuǎn)向磁阻最小位置從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩[15]。普通12/8極SRM磁通路徑如圖2所示，其流經(jīng)定子、氣隙、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軛，再到另一邊的轉(zhuǎn)子、氣隙、定子、定子軛，最后回到定子，占據(jù)1/4圓面積。普通12/8極SSRM和HESSRM的磁通路徑一樣，如圖3所示，磁通在相鄰的定子齒和對(duì)應(yīng)的一個(gè)扇形轉(zhuǎn)子之間形成回路，僅占據(jù)小于1/8的圓面積。相對(duì)于傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)HESSRM磁通路徑更短，從而損耗更小。

圖2 普通12/8極SRM磁路Fig.2 Conventional 12/8 SRM

1.3 HESSRM的增磁原理

HESSRM磁通由電勵(lì)磁和永磁體一起產(chǎn)生，為了簡(jiǎn)化推理，只考慮在兩定子齒間加入永磁體，其工作模式如圖4所示。

圖4(a)為普通SSRM磁通路徑，單相通電且定子齒間沒(méi)有永磁體，根據(jù)右手定則產(chǎn)生紅色實(shí)線所示的磁通。圖4(b)為在定子齒間加入永磁體，繞組未通電只有永磁體產(chǎn)生磁通，磁通路徑藍(lán)色虛線表示。圖4(c)為在定子槽口加入永磁體，繞組通入電流很小，勵(lì)磁產(chǎn)生的磁路用紅色實(shí)線表示，永磁體產(chǎn)生的磁路用藍(lán)色虛線表示。兩者產(chǎn)生的磁鏈方向相反。此時(shí)電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)是永磁體的磁動(dòng)勢(shì)減去勵(lì)磁產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。圖4(d)為在定子槽口加入永磁體，繞組通入較大電流時(shí)，電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁通路徑為紅色實(shí)線表示。永磁體產(chǎn)生磁通路徑為藍(lán)色虛線所示，方向和圖4(c)情況下相反。在此情況下HESSRM磁動(dòng)勢(shì)為永磁體磁動(dòng)勢(shì)和電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)二者之和，從而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增加。

圖3 12/8極HESSRM磁路Fig.3 12/8 HESSRM

圖4 不同勵(lì)磁方式下的磁鏈曲線Fig.4 Magnetic circuit under different excitation modes

2 數(shù)學(xué)模型與分析方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

為了建立HESSRM電機(jī)數(shù)學(xué)模型，忽略電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)生的銅耗、鐵耗和摩擦損耗，把系統(tǒng)看成一個(gè)無(wú)損系統(tǒng)。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換僅認(rèn)為通過(guò)磁場(chǎng)儲(chǔ)能這一媒介[16]完成。該物理系統(tǒng)表示為

(1)

(2)

dWfld=idψ-fflddx

(3)

對(duì)于HESSRM，在僅有一相繞組通有電流時(shí)，電流會(huì)快速上升，快速越過(guò)小電流下[圖4(c)]的工作模式到達(dá)大電流下[圖4(d)]的工作模式，此時(shí)磁鏈ψx由一相電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁鏈ψix和永磁體產(chǎn)生的磁鏈ψpmx兩者產(chǎn)生的磁鏈總和。其中電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁鏈為電感L和電流i的乘積。磁鏈、電感都是轉(zhuǎn)子位置和電流的函數(shù)，因此此時(shí)磁鏈為

ψx=ψix(ix,θ)+ψpmx(ix,θ)=

Li+ψpmx(ix,θ)

(4)

對(duì)于磁場(chǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)損線圈的端電壓就是線圈磁鏈對(duì)時(shí)間的變化率：

Ux=dψ/dt

(5)

將式(4)帶入式(5)可得：

(6)

激發(fā)x相的磁共能為

W′x=W′ix(ix,θ)+W′pmx(ix,θ)

(7)

式中:Wix(ix,θ)為勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁共能；Wpmx(ix，θ)為永磁體產(chǎn)生的磁共能。因此單相產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為

(8)

式(8)中：Trx為勵(lì)磁電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；Tpmx為永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。即HESSRM轉(zhuǎn)矩是電勵(lì)磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和。

2.2 等效磁路法

等效磁路模型已被用于模擬各種電磁裝置中的飽和磁場(chǎng)分析[17]。HESSRM和傳統(tǒng)的SRM一樣，其一般工作在高飽和狀態(tài)，電磁特征有很強(qiáng)的非線性，很難定量對(duì)磁鏈進(jìn)行分析。為了定性分析磁鏈，建立HESSRM等效磁路模型如圖5所示。

圖5 HESSRM等效磁路Fig.5 Magnetic equivalent circuit model of HESSRM

提出線性假設(shè)，忽略相間互感和漏感，且僅研究單繞組通電和通電相間對(duì)應(yīng)的永磁體作用的情況。在圖5中,Fe代表電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)m代表永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì),Φm為永磁體產(chǎn)生的磁通，Φe為通電繞組產(chǎn)生的磁通,Rstd代表定子齒與永磁體連接部分的磁阻，Rstu代表定子齒上除去Rstd剩下的磁阻，Rm代表永磁體內(nèi)部磁阻，Rδ代表氣隙磁阻，Rry代表定子軛磁阻，Rrt代表扇形轉(zhuǎn)子磁阻。在電機(jī)實(shí)際工作中Rδ1和Rδ4所在回路磁阻值比較大，而且磁路中其他回路磁阻也較大，因此忽略圖5磁路虛線框外的其他部分，只考慮圖中虛線部分磁路，對(duì)磁路列方程得

(9)

進(jìn)一步化簡(jiǎn)磁路得到簡(jiǎn)化的等效磁路如圖6所示。在圖6中Re為Rstu1、Rsy2、Rstu2三者之和，Rm1為永磁體磁阻，R為Rstd1、Rδ2、Rrt2、Rδ3、Rstd2五者之和。Fm1為永磁體磁動(dòng)勢(shì)，Φm是其產(chǎn)生的磁鏈，F(xiàn)e1為單相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，Φe是其產(chǎn)生的磁鏈。對(duì)磁路列寫磁路方程為

(10)

解得

(11)

圖6 HESSRM簡(jiǎn)化等效磁路Fig.6 Simplified magnetic circuit of HESSRM

3 新型電機(jī)的工作特性

3.1 永磁體厚度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響

電機(jī)永磁體的放置位置和尺寸參數(shù)將對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能產(chǎn)生影響?？紤]到加工工藝以及實(shí)際工作情況，在定子齒距離氣隙0.8 mm的位置放置永磁體，并分析電機(jī)在不同永磁體尺寸下靜態(tài)平均轉(zhuǎn)矩。

圖7所示為不同永磁體厚度下的轉(zhuǎn)矩?？梢钥闯鲭S著永磁體厚度的增加，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩隨之增加，但是永磁體厚度在超過(guò)2.5 mm之后這種增加趨勢(shì)變緩，此外電機(jī)在槽口加永磁體影響電機(jī)槽滿率。選取合適的永磁體厚度大小，是電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能和槽滿率之間的平衡。為此這里選取厚度為2.5 mm的永磁體加入HESSRM的定子槽口。

圖7 不同永磁體厚度下的轉(zhuǎn)矩Fig.7 Torque at different thicknesses of permanent magnet

3.2 電勵(lì)磁和永磁體轉(zhuǎn)矩占比

HESSRM總轉(zhuǎn)矩Tx是勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩Trx與永磁體轉(zhuǎn)矩Tpmx兩者之和，兩者高度耦合，而且在大電流和小電流情況下轉(zhuǎn)矩耦合的形式也不相同。圖8顯示在一個(gè)周期位置下不同電流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以及占比情況。圖8(a)～圖8(c)依次分別是HESSRM產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩Tx、勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩Trx和永磁體轉(zhuǎn)矩Tpmx。圖8(d)是在單相通以0～24 A電流時(shí)，Tx、Trx和Tpmx的平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。在i=4 A時(shí)Tpmx占比7.3%，i=12 A時(shí)占比為11%，在i=20 A時(shí)占比為14.2%，i=24 A占比為15.3%。

圖8 3種靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的比較Fig.8 Comparison of static average torque profiles for three types of torque

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩指的是在沒(méi)有通電的情況下永磁體與不同角度位置的轉(zhuǎn)子之間相互作用產(chǎn)生的電磁吸引力。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于定轉(zhuǎn)子齒槽的存在，磁場(chǎng)能量不均勻分布[18]產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Tcog。具體可表示為

(12)

式(12)中：W為磁場(chǎng)能量，J；θ為定于和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)機(jī)械角度。

沒(méi)有永磁體的開關(guān)磁阻電機(jī)不存在齒槽轉(zhuǎn)矩。加入永磁體后開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)有較低的齒槽轉(zhuǎn)矩，這樣轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小，電機(jī)性能更好。齒槽轉(zhuǎn)矩是評(píng)價(jià)具有永磁的電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。圖9中齒槽轉(zhuǎn)矩為-0.000 75～0.000 75 N·m，幾乎可以忽略不計(jì)。說(shuō)明在沒(méi)有電勵(lì)磁的情況下沒(méi)有磁力線穿過(guò)氣隙，而在定子齒或者定子軛加入永磁體在沒(méi)有電勵(lì)磁的情況下，磁力線經(jīng)過(guò)氣隙，在定轉(zhuǎn)子極之間閉合。齒槽轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)比在定子槽口加入永磁體產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩大。就齒槽轉(zhuǎn)矩來(lái)看，HESSRM優(yōu)于其他的在定子齒或者定子軛加永磁體的SRM。

圖9 HESSRM齒槽轉(zhuǎn)矩Fig.9 Cogging torque of HESSRM

4 HESSRM與SSRM的比較

HESSRM樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Parameters of the HESSRM prototype motor

4.1 飽和程度與操作范圍比較

加入永磁體后，HESSRM與SSRM磁鏈的飽和程度并不相同。而且因?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)原有的雙凸極結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部各個(gè)位置點(diǎn)的飽和程度也不相同，在不同電流激勵(lì)下，這里在HESSRM和SSRM氣隙中心，定子齒尖、定子齒和定子軛，分別取圖10所示的1、2、3、4這4個(gè)位置點(diǎn)分析其飽和程度。

圖10 4個(gè)位置點(diǎn)Fig.10 Four location points

選取對(duì)準(zhǔn)位置分別比較4個(gè)點(diǎn)磁通密度，各點(diǎn)氣隙磁密如圖11所示，在位置點(diǎn)1，小電流下，HESSRM永磁鐵產(chǎn)生的磁鏈在兩定子齒和定子軛之間閉合[圖4(c)]，不經(jīng)過(guò)氣隙，由于永磁體磁鏈方向與勵(lì)磁磁鏈方向相反，此時(shí)相對(duì)于SSRM，合成磁鏈略?。辉诖箅娏飨?，永磁體磁鏈經(jīng)過(guò)氣隙和扇形轉(zhuǎn)子，與勵(lì)磁磁鏈方向相同[圖4(d)]，合成磁鏈增加，磁密變大，相同電流下產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)能量。

在位置點(diǎn)2，電流為零時(shí)，HESSRM僅有永磁體產(chǎn)生磁鏈，磁密為0.742 6 T，如圖11(b)所示。小電流下，由于電勵(lì)磁的磁鏈方向與永磁體相反，磁鏈相互抵消，經(jīng)過(guò)位置點(diǎn)2的磁密變小，但是位置點(diǎn)2靠近永磁體，始終受永磁體較大的磁場(chǎng)影響，故該點(diǎn)磁密不能減小到0；在大電流下，永磁體和電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁鏈方向相同，在A點(diǎn)時(shí)磁密曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)A點(diǎn)電流為1 A，磁密為0.5 T。1～20 A時(shí)，由于永磁體的偏置作用，飽和程度延遲，此時(shí)HESSRM飽和程度低于SSRM磁鏈。隨電流的繼續(xù)增大，由于位置點(diǎn)2處于極靴位置，是電機(jī)飽和最嚴(yán)重的位置，通電電流大于20 A以后兩電機(jī)的磁密大小接近，電機(jī)飽和程度相當(dāng)。

在位置點(diǎn)3、4時(shí)，當(dāng)電流為零時(shí)，HESSRM僅有永磁體產(chǎn)生磁鏈，磁密分別為0.402 1 T、0.228 7T，如圖11(c)和圖11(d)所示；小電流下，由于電勵(lì)磁的磁鏈方向與永磁體相反，且勵(lì)磁鏈磁鏈產(chǎn)生的磁鏈逐漸增大，直至相互抵消，經(jīng)過(guò)位置點(diǎn)2的磁密變小，直至為零。由于永磁體磁場(chǎng)偏置，飽和延遲，HESSRM磁密低于SSRM。

圖11 4個(gè)位置點(diǎn)飽和程度Fig.11 Comparisons of saturation degrees at four location points

事實(shí)上磁密的數(shù)值只有大小沒(méi)有方向。在圖11(c)和圖11(d)中，小電流下，即磁密B等于零的左邊，其磁鏈方向與大電流下相反。此時(shí)如果定義在大電流下磁密數(shù)值為正值，則相比大電流下電流下的磁密可定義為負(fù)值。傳統(tǒng)的SRM的操作范圍通常限于B-H平面的第一象限。通過(guò)添加少量磁性材料，HESSRM的工作范圍擴(kuò)展到第三象限，如圖12所示。整體上看HESSRM的飽和程度低于SSRM，電機(jī)操作范圍變大，從而增加給定轉(zhuǎn)矩的能力。

圖12 HESSRM與SSRM操作范圍對(duì)比Fig.12 Comparisons of operation ranges between HESSRM and SSRM

4.2 轉(zhuǎn)矩的比較

由式(7)可以看出,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于磁共能的大小，磁共能大小則對(duì)應(yīng)ψ-i運(yùn)動(dòng)軌跡圍成的面積。圖13所示為在0～24 A電流激勵(lì)下，兩種電機(jī)對(duì)齊位置和不對(duì)齊位置的ψ-i曲線。

圖13 HESSRM與SSRM的ψmax、ψmin隨電流變化曲線Fig.13 ψ-i curves of ψmax and ψmin of HESSRM and SSRM

在相同相電流下，在不對(duì)齊位置上HESSRM磁鏈低于具有的傳統(tǒng)SSRM磁鏈，且電流小于5.3 A時(shí)HESSRM的相位磁鏈為負(fù)值，這是由于磁體的反向偏置效應(yīng)引起的飽和延遲。在對(duì)齊位置上HESSRM磁鏈?zhǔn)冀K低于SSRM的磁鏈值。HESSRM的ψ-i曲線所圍成的面積大于普通SSRM。這意味著HESSRM產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于普通SSRM。平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[19]可直觀反映電機(jī)性能的指標(biāo)。其中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可定義為

(13)

式(13)中:Tmax和Tmin分別為該周期內(nèi)的最大和最小轉(zhuǎn)矩；Tav為平均轉(zhuǎn)矩。

在相同的尺寸和控制方式下的傳統(tǒng)SSRM和HESSRM動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性如圖14所示。HESSRM相比SSRM其平均轉(zhuǎn)矩提高10.7%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少11.1%。這表明在定子槽口加入永磁體后極大提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能。

圖14 兩種電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比Fig.14 Comparison of two motors torque waveforms

4.3 電機(jī)利用系數(shù)的比較

為了表征電機(jī)單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與通電電壓大小之間的關(guān)系，定義電機(jī)利用系數(shù)為

(14)

式(14)中：Ds為電機(jī)的外徑；la為電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度。HESSRM與SSRM有相同的外徑Ds和電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度la，當(dāng)繞組通有相同的電壓時(shí)，Kv(i)正比于Tav，從而能夠直觀地比較兩者功率密度的大小。圖15所示為兩種電機(jī)的利用系數(shù)對(duì)比，可以看出，隨著電壓的增大，HESSRM的利用系數(shù)逐漸大于傳統(tǒng)SSRM，在大電壓區(qū)域優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖15 HESSRM與SSRM的電機(jī)利用系數(shù)對(duì)比Fig.15 Comparison of the utilization factor of two motors

5 結(jié)論

為了提高SSRM的轉(zhuǎn)矩性能，在帶有分段轉(zhuǎn)子的12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)的定子槽口沿圓周方向依次增設(shè)12塊永磁體，構(gòu)成一種新型的HESSRM。與傳統(tǒng)SSRM相比較，相同尺寸的HESSRM有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)平均轉(zhuǎn)矩提高10.7%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少11.1%。

(2)產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，HESSRM的定子極和定子軛飽和程度更低，操作范圍更寬。

(3)HESSRM的定子槽口加永磁體，幾乎沒(méi)有齒槽轉(zhuǎn)矩。

(4)電壓等級(jí)越高，HESSRM的利用系數(shù)越高。