不同轉(zhuǎn)子極數(shù)下磁場(chǎng)解耦型雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)的研究

閆文舉 陳 昊 馬小平 程 鶴

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 徐州 221116 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 徐州 221116）

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Machine,SRM）作為一種無稀土類電機(jī)，相比于其他類型的電機(jī)，具有以下優(yōu)勢(shì)[1-4]：①可靠性高。兼具起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；其各相可獨(dú)立工作，具有一定的容錯(cuò)性；轉(zhuǎn)子無永磁體，對(duì)環(huán)境工作溫度要求低，不存在退磁風(fēng)險(xiǎn)。②成本較低。定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅采用硅鋼片疊成，無需稀土永磁材料，轉(zhuǎn)子無繞組。③高效率平臺(tái)較寬。雖然在額定點(diǎn)附近低于永磁電機(jī)，但是 SRM 可以在很寬的速度范圍和不同負(fù)載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。然而，由于SRM驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成，加之其驅(qū)動(dòng)運(yùn)行依靠的是磁阻轉(zhuǎn)矩，存在著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、功率密度低的固有缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了SRM在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用推廣[3-6]。因此，亟需研究開發(fā)一種在提高功率密度的同時(shí)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新型結(jié)構(gòu) SRM，以加快其在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為了提高傳統(tǒng) SRM 在電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域中的競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)者們常采用優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和改變電機(jī)鐵磁材料等方法提高傳統(tǒng)SRM的功率密度[7-10]。此外，還有學(xué)者通過改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換率對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出定子分塊式、轉(zhuǎn)子分塊式、軸向磁通式、混合勵(lì)磁式等電機(jī)結(jié)構(gòu)[11-16]。上述方法均在一定程度上提高了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度，但是由于基于傳統(tǒng)單定子電機(jī)在尺寸固定情況下較大幅度提升電機(jī)的功率密度存在一定難度，文獻(xiàn)[17-22]嘗試在傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)部增加一個(gè)內(nèi)定子的雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨從理論上能大幅度提升電機(jī)的功率密度。無稀土同心式雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)（Double Stator Switched Reluctance Machine,DSSRM）最早于 2010年提出，內(nèi)外定子均采用燕尾齒結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用分塊結(jié)構(gòu)[4]；接著從電機(jī)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、繞組配置等方面開展了較為深入的研究，并將其與永磁同步電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，DSSRM的轉(zhuǎn)矩輸出能力與永磁同步電機(jī)相當(dāng)，但是單位材料成本轉(zhuǎn)矩要優(yōu)于永磁同步電機(jī)[23]。文獻(xiàn)[24]提出了另外一種結(jié)構(gòu)新穎的DSSRM，內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng) SRM 相同，但轉(zhuǎn)子齒為分塊結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[25]對(duì)該電機(jī)的定轉(zhuǎn)子極弧進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。上述兩種新結(jié)構(gòu)雙定子電機(jī)在增加電機(jī)功率密度的同時(shí)，由于內(nèi)外定子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的疊加，也增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[26]則提出一種新型的DSSRM，通過轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯(cuò)開一定機(jī)械角度降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是在內(nèi)外定子同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，由于轉(zhuǎn)子軛部極易飽和，導(dǎo)致該電機(jī)的功率密度不高。

通過對(duì)上述文獻(xiàn)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們不僅采用優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和改變鐵磁材料等方法，還從混合勵(lì)磁、定子分塊、轉(zhuǎn)子分塊、軸向磁通、雙定子等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提高電機(jī)的功率密度。研究發(fā)現(xiàn)，雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)可以顯著提升電機(jī)的功率密度，使其轉(zhuǎn)矩輸出能力與永磁同步電機(jī)相當(dāng)。因此，本文從改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換率角度設(shè)計(jì)了一種磁場(chǎng)解耦型雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)（Magnetic Field Decoupled-Double Stator Switched Reluctance Machine, MFDDSSRM），以提升電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度，并對(duì)兩種常用的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對(duì)比。

1 新型電機(jī)運(yùn)行原理及其設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)外定子磁場(chǎng)的互不耦合，需要采用并聯(lián)磁路，使內(nèi)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相斥。U型定子分塊式 SRM的磁通路徑如圖1所示，定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)過定子齒、相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒、定子軛部閉合，具有磁路獨(dú)立性較好的特點(diǎn)。根據(jù)并聯(lián)磁路的特性以及 U型磁路的特點(diǎn)得到的內(nèi)、外定子磁通路徑，即內(nèi)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)過相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子內(nèi)齒、轉(zhuǎn)子軛、內(nèi)定子齒閉合，外定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)過相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子外齒、轉(zhuǎn)子軛、外定子齒閉合。此外，為了更好地利用轉(zhuǎn)子軛部，避免內(nèi)外定子同時(shí)導(dǎo)通轉(zhuǎn)子軛部過于飽和造成電機(jī)功率密度不高的問題，在空間上需要合理布置內(nèi)外定子的同時(shí)導(dǎo)通相，使內(nèi)外定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)錯(cuò)開一定機(jī)械角度。根據(jù)上述原則可得，內(nèi)外定子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循

圖1 U型定子分塊式SRM磁通路徑Fig.1 The flux path schematic diagram of U-shaped segment stator switched reluctance machine

式中，Ns為內(nèi)外定子齒數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒數(shù)；m為內(nèi)外定子的相數(shù)；k為正整數(shù)，k≥2。

對(duì)于傳統(tǒng) DSSRM，由于內(nèi)外定子磁場(chǎng)耦合，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為內(nèi)外定子磁場(chǎng)的合成轉(zhuǎn)矩，內(nèi)外定子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩峰值與峰值疊加、谷值與谷值疊加，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。而本文所提出的MFD-DSSRM可以工作在內(nèi)定子工作模式、外定子工作模式、內(nèi)外定子串聯(lián)工作模式、內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式和雙定子工作模式，當(dāng)MFD-DSSRM工作在雙定子工作模式時(shí)，可以對(duì)內(nèi)外定子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分別控制，使內(nèi)外定子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩峰、谷值交錯(cuò)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用MFD-DSSRM轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒中心線錯(cuò)開機(jī)械角度θ的方法，兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及磁場(chǎng)解耦原則，本文設(shè)計(jì)了一種四相16/14/16結(jié)構(gòu)的MFD-DSSRM和一種四相16/18/16結(jié)構(gòu)的MFD-DSSRM，分別如圖2a和圖2b所示，其中，內(nèi)定子由8個(gè)U型定子塊組成，外定子由8個(gè)U型定子組成，轉(zhuǎn)子內(nèi)、外齒數(shù)分別為14和18。內(nèi)定子繞組的極性分布為S-NN-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S，外定子繞組的極性分布為N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N。

圖2 兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of two kinds machine

在得到MFD-DSSRM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將電機(jī)分成一個(gè)外轉(zhuǎn)子U型定子分塊SRM和一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子U型定子分塊SRM單獨(dú)設(shè)計(jì)。因此本文的新型雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)流程如下：

（1）根據(jù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求確定電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、內(nèi)外電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩、電負(fù)荷和磁負(fù)荷。

（2）推導(dǎo)MFD-DSSRM的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子外徑與內(nèi)外電機(jī)功率、磁負(fù)荷、電負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型（功率方程），確定 MFD-DSSRM的轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、繞組匝數(shù)以及轉(zhuǎn)子軛部厚度。

（3）計(jì)算MFD-DSSRM的內(nèi)定子內(nèi)徑、外定子外徑、疊片厚度、氣隙、外定子極弧系數(shù)βso、內(nèi)定子極弧系數(shù)βsi、轉(zhuǎn)子外齒極弧系數(shù)βro、轉(zhuǎn)子內(nèi)齒極弧系數(shù)βri、繞組線規(guī)等參數(shù)，完成MFD-DSSRM的疊片設(shè)計(jì)。

（4）建立 MFD-DSSRM 的有限元模型，評(píng)估MFD-DSSRM的靜態(tài)磁鏈和轉(zhuǎn)矩特性、動(dòng)態(tài)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如果未達(dá)到要求，重新對(duì) MFDDSSRM 進(jìn)行疊片設(shè)計(jì)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完成MFD-DSSRM的設(shè)計(jì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[27]可知，內(nèi)、外電機(jī)的功率方程分別為

式中，ke為電機(jī)的效率；kd為占空比；k1和k2為常系數(shù)；k為電機(jī)的細(xì)長(zhǎng)比；B為電機(jī)的磁負(fù)荷；Ain和Aout分別為內(nèi)、外定子電負(fù)荷；Din和Dout分別為內(nèi)定子外徑和外定子內(nèi)徑。

需要注意的是，SRM的設(shè)計(jì)過程中有一些假設(shè)和常系數(shù)可以參見文獻(xiàn)[27]。為了實(shí)現(xiàn)公平的比較，兩個(gè)電機(jī)大小相同，定子繞組的匝數(shù)、連接方式也都是一樣的。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1 000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為 14.1N·m，根據(jù)上述的設(shè)計(jì)流程計(jì)算出的電機(jī)尺寸見表1。

表1 設(shè)計(jì)的DSSRM的幾何參數(shù)Tab.1 Geometrical parameter of designed DSSRM

2 靜態(tài)性能仿真分析

2.1 磁場(chǎng)分布

圖3和圖4分別給出了16/14/16 MFD-DSSRM和16/18/16 MFD-DSSRM兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)在內(nèi)、外定子激勵(lì)電流為40A時(shí)最大和最小電感位置處的磁場(chǎng)分布云圖。由圖3和圖4可知，上述兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)內(nèi)外定子磁場(chǎng)都具有較好的解耦特性。通過對(duì)比圖3和圖4可知，對(duì)于兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)定子而言，16/14/16 MFD-DSSRM 的磁通密度小于 16/18/16 MFD-DSSRM的磁通密度，但是在電機(jī)最小電感位置處16/14/16 MFD-DSSRM的轉(zhuǎn)子齒尖磁通密度大于16/18/16 MFD-DSSRM的轉(zhuǎn)子齒尖磁通密度；對(duì)于兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)的外定子而言，16/14/16 MFDDSSRM的磁通密度大于16/18/16 MFD-DSSRM的磁通密度。

圖3 16/14/16 MFD-DSSRM磁場(chǎng)分布云圖Fig.3 The magnetic field distribution nephogram of 16/14/16 MFD-DSSRM

圖4 16/18/16 MFD-DSSRM磁場(chǎng)分布云圖Fig.4 The magnetic field distribution nephogram of 16/18/16 MFD-DSSRM

2.2 磁鏈和電感特性分析

圖5分別給出了 16/14/16 MFD-DSSRM和16/18/16 MFD-DSSRM 兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)在內(nèi)定子對(duì)齊、不對(duì)齊位置和外定子對(duì)齊、不對(duì)齊位置處的磁鏈。由圖5a和圖5b可知，兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)定子齒與轉(zhuǎn)子內(nèi)齒不對(duì)齊位置、外定子齒與轉(zhuǎn)子外齒不對(duì)齊位置的磁鏈幾乎相等，但是在內(nèi)定子齒與轉(zhuǎn)子內(nèi)齒對(duì)齊位置、外定子齒與轉(zhuǎn)子外齒對(duì)齊位置時(shí)，16/14/16 MFD-DSSRM的磁鏈要大于16/18/16 MFDDSSRM的磁鏈。

圖5 兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊位置的磁鏈比較Fig.5 The flux linkage comparison in special position of two structures machine

圖6給出了內(nèi)定子激勵(lì)電流分別在10A和40A時(shí)電感隨電機(jī)角度變化曲線。由圖6可知，在電機(jī)不對(duì)齊位置附近，由于鐵心部分未飽和，16/14/16 MFD-DSSRM的電感與16/18/16 MFD-DSSRM的電感幾乎相等，但是隨著鐵心部分重疊區(qū)域的增加，16/14/16 MFD-DSSRM的電感開始逐漸大于16/18/16 MFD-DSSRM的電感。圖7給出了外定子激勵(lì)電流分別在10A和40A時(shí)電感隨電機(jī)角度變化曲線。由圖7可知，外定子電感的變化趨勢(shì)與內(nèi)定子類似，本文不再贅述。

圖6 不同勵(lì)磁電流下兩種電機(jī)內(nèi)定子的電感變化曲線Fig.6 Inner stator inductance variation curves of two machine with different excitation currents

圖7 不同勵(lì)磁電流下兩種電機(jī)外定子的電感變化曲線Fig.7 Outer stator inductance variation curves of two machine with different excitation currents

2.3 轉(zhuǎn)矩特性分析

圖8給出了內(nèi)定子激勵(lì)電流分別在10A和40A時(shí)轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)角度變化曲線。由圖8可知，兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線幾乎相等。圖9給出了外定子激勵(lì)電流分別在10A和40A時(shí)轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)角度變化曲線。由圖9可知，在勵(lì)磁電流較低時(shí)，兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線幾乎相等，但是隨著勵(lì)磁電流的增加，16/18/16 MFD-DSSRM的轉(zhuǎn)矩開始逐漸大于16/14/16 MFDDSSRM的轉(zhuǎn)矩，特別是鐵心部分重疊區(qū)域。圖10給出了兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)不同電流下的平均轉(zhuǎn)矩，由圖10可知，兩種電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)與圖8和圖9得出的結(jié)論是一致的。

圖8 不同勵(lì)磁電流下兩種電機(jī)內(nèi)定子的轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.8 Inner stator torque variation curves of two machine with different excitation currents

圖9 不同勵(lì)磁電流下兩種電機(jī)外定子的轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.9 Outer stator torque variation curves of two machine with different excitation currents

圖10 兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)不同電流下的平均轉(zhuǎn)矩比較Fig.10 The average torque comparison of two machine with different current

3 動(dòng)態(tài)性能仿真分析

根據(jù)雙電氣端口、單機(jī)械端口和電機(jī)內(nèi)外定子磁場(chǎng)解耦的特性，可以確定MFD-DSSRM的電壓方程、機(jī)電聯(lián)系方程和機(jī)械方程為兩個(gè)傳統(tǒng) SRM 電機(jī)相應(yīng)的方程，具體可以參考文獻(xiàn)[28]。MFDDSSRM 的控制系統(tǒng)主要包括邏輯控制模塊、功率變換器模塊、機(jī)械傳動(dòng)模塊、內(nèi)外定子相繞組模塊等。由于內(nèi)外定子磁場(chǎng)解耦，內(nèi)外定子相繞組模塊的建模過程可以參考文獻(xiàn)[28]所述的傳統(tǒng)SRM相繞組的建模過程。

圖11～圖13分別給出了兩種電機(jī)工作在內(nèi)定子工作模式、外定子工作模式和雙定子工作模式時(shí)不同控制方式下的相電流和轉(zhuǎn)矩曲線，其中，電機(jī)在電流斬波控制（Current Chopper Control, CCC）方式下的轉(zhuǎn)速為 600r/min，內(nèi)定子電流斬波限為25A，外定子電流斬波限為20A，開通電角度為0°，關(guān)斷電角度為 150°；電機(jī)在角度位置控制（Angle Position Control, APC）方式下的轉(zhuǎn)速為1 500r/min，開通電角度為0°，關(guān)斷電角度為130°。

圖11 內(nèi)定子工作模式CCC和APC方式下的性能曲線Fig.11 Performance curves under CCC and APC in inner stator operating mode

表2給出了兩種電機(jī)在不同工作模式下的性能比較。通過總結(jié)圖11～圖13和表2可知：

表2 兩種電機(jī)的性能比較Tab.2 Performance comparison of two machine

圖13 雙定子工作模式CCC和APC方式下的性能曲線Fig.13 Performance curves under CCC and APC in double stator operating mode

（1）對(duì)于兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)工作在雙定子工作模式時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯小于電機(jī)工作在單定子工作模式的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，驗(yàn)證了本文所提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的正確性。

圖12 外定子工作模式CCC和APC方式下的性能曲線Fig.12 Performance curves under CCC and APC in outer stator operating mode

（2）在低速時(shí)，16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)；在高速時(shí)，16/14/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力優(yōu)于 16/18/16結(jié)構(gòu)，但是16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)。

為了說明本文所設(shè)計(jì)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，本文將16/18/16結(jié)構(gòu)的DSSRM與文獻(xiàn)[24-26, 29]所述的結(jié)構(gòu)從平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、相電流有效值等方面進(jìn)行了比較。為了實(shí)現(xiàn)公平的比較，這幾種結(jié)構(gòu)電機(jī)具有相同的外形尺寸，如相同的氣隙長(zhǎng)度、內(nèi)氣隙半徑、外氣隙半徑等。表3給出了幾種結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能比較結(jié)果，其中，在CCC控制方式下電機(jī)開通、關(guān)斷電角度分別為0°和150°；在APC控制方式下電機(jī)開通、關(guān)斷電角度分別為 0°和 130°。結(jié)果表明，本文所提出的電機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)矩輸出能力和較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

表3 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能比較Tab.3 Performance comparison of different structure machine

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)參數(shù)及仿真結(jié)果，本文加工制造了一臺(tái)16/18/16 MFD-DSSRM樣機(jī)，其電機(jī)定轉(zhuǎn)子疊片和定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別如圖14a和圖14b所示。此外，為了驗(yàn)證參數(shù)計(jì)算與仿真分析結(jié)果的正確性，搭建了如圖14c所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由不對(duì)稱橋式功率變換器、軸編碼器、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流可編程電源等組成。并采用磁粉制動(dòng)器作為16/18/16 MFD-DSSRM樣機(jī)的負(fù)載。

圖14 16/18/16 MFD-DSSRM樣機(jī)及其測(cè)試平臺(tái)Fig.14 Prototype of proposed 16/18/16 MFD-DSSRM and experimental platform

4.1 靜態(tài)特性測(cè)試

首先，本文對(duì)16/18/16 MFD-DSSRM樣機(jī)的靜態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。由于沒有轉(zhuǎn)子夾緊裝置和分度頭，根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的對(duì)稱性，本文僅對(duì)樣機(jī)內(nèi)定子和外定子在對(duì)齊與不對(duì)齊位置處的磁鏈特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。圖15給出了內(nèi)定子和外定子繞組電流范圍在 0～30A時(shí)對(duì)齊與不對(duì)齊位置磁鏈仿真與實(shí)驗(yàn)曲線。由圖15可知，實(shí)測(cè)磁鏈特性與仿真結(jié)果基本一致。

圖15 磁鏈的仿真與測(cè)量結(jié)果Fig.15 Simulation and measured results of flux linkage

然后，本文采用磁粉制動(dòng)器固定轉(zhuǎn)子位置的方法測(cè)試了電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性，此方法主要通過旋轉(zhuǎn)編碼器確定電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并從轉(zhuǎn)矩傳感器讀取轉(zhuǎn)矩值。圖16給出了內(nèi)定子和外定子在不同激勵(lì)電流下的仿真與實(shí)驗(yàn)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)比。由圖16可知，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩特性與仿真計(jì)算結(jié)果吻合較好，結(jié)合圖15驗(yàn)證了本文前述電磁模型的準(zhǔn)確性。

圖16 轉(zhuǎn)矩的仿真與測(cè)量結(jié)果Fig.16 Simulation and measured results of torque

4.2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

為了驗(yàn)證上述仿真和結(jié)論的準(zhǔn)確性，本文對(duì)所提出的16/18/16 MFD-DSSRM進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。圖17給出了電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)性能曲線，此時(shí)磁粉制動(dòng)器的負(fù)載 13.9N·m，與設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)矩基本吻合，驗(yàn)證了本文電機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性。圖18給出了內(nèi)定子工作模式電流斬波和角度位置控制方式下的電流曲線，其中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為600r/min和 1 500r/min，磁粉制動(dòng)器的負(fù)載分別為6.6N·m和3.7N·m。圖19給出了外定子工作模式電流斬波和角度位置控制方式下的電流曲線，其中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為600r/min和1 500r/min，磁粉制動(dòng)器負(fù)載分別為9.4N·m和4.2N·m。圖20給出了雙定子工作模式電流斬波和角度位置控制方式下的電流曲線，其中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也分別為 600r/min和1 500r/min，磁粉制動(dòng)器的負(fù)載分別為 16.0N·m 和7.8N·m。值得注意的是，所測(cè)得的 DSSRM 輸出轉(zhuǎn)矩與圖11～圖13的仿真結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了上述仿真和結(jié)論。

圖18 內(nèi)定子工作模式下相電流的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果Fig.18 Dynamic measured results of phase current under inner stator working mode

圖19 外定子工作模式下相電流的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果Fig.19 Dynamic measured results of phase current under outer stator working mode

圖20 雙定子工作模式下相電流的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果Fig.20 Dynamic measured results of phase current under double stator working mode

5 結(jié)論

為了提高 SRM 轉(zhuǎn)矩密度，本文從新穎磁路設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出一種新型磁場(chǎng)解耦型雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)新結(jié)構(gòu)，并綜合比較了MFD-DSSRM兩種不同轉(zhuǎn)子極數(shù)下的靜、動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。結(jié)論如下：

1）本文所提出的雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)外定子磁場(chǎng)具有較強(qiáng)的磁場(chǎng)解耦特性。

2）本文所提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略能夠很好地抑制雙定子開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3）在勵(lì)磁電流較低時(shí)，兩種電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線幾乎相等，但是隨著勵(lì)磁電流的增加，16/18/16 MFD-DSSRM 的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩開始逐漸大于 16/14/16 MFD-DSSRM的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。

4）在低速時(shí)，16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)于 16/14/16結(jié)構(gòu)；在高速時(shí)，16/14/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力優(yōu)于 16/18/16結(jié)構(gòu)，但是16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)。