同步磁阻电机原理与设计（河北工大学者提出结构更简单）

同步磁阻电机原理与设计（河北工大学者提出结构更简单）在同步磁阻电机的定子设计中，根据电机绕组结构合理优化选择定子齿冠的辅助槽数目可以有效降低电机的转矩脉动，同时平均转矩也会因为辅助槽附近局部磁路饱和而下降。有学者首次提出在同步磁阻电机转子磁通屏障与定子齿部采用不对称设计的可行性，有学者运用不对称设计思想在凸极转子中提出电机不对称设计的一般规律，并应用于传统的同步磁阻电机中，其不对称设计体现在转子的相邻极之间。通过敏感度分析，同步磁阻电机的转矩脉动很大程度受到定子与转子几何结构以及电流相位的影响。与此同时，在电机优化过程中，常用响应面法与田口法，同时，改进的田口法能够更有效快速地优化一类电机。在结合两电机定子与转子方面，采用同步磁阻电机的定子与开关磁阻电机的转子可以作为下一步研究的侧重点。考虑加工难易程度以及驱动方式，有学者尝试将同步磁阻电机与开关磁阻电机结合仿真，有学者将同步磁阻电机的三相正弦电流驱动方式应用到开关磁阻电机中，利用同步磁阻电

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目前，传统同步磁阻电机三层磁通屏障的转子设计性能较好、制造简易，得到行业的认可。讨论转子的不对称磁通屏障结构与磁通屏障结构变形对全面掌握同步磁阻电机的特性至关重要。因此，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室、悉尼大学电气与信息工程学院的研究人员刘成成、王珂霖、王韶鹏、汪友华、朱建国，在2022年《电工技术学报》增刊1上撰文，研究了在不同功率等级下同步磁阻电机不对称设计规律，以及基于序贯田口稳健优化方法的类凸极转子同步磁阻电机。

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近年来，在稀土材料价格昂贵与资源短缺的情况下，相较于永磁电机，研究减少利用永磁体甚至去除永磁体的电机显得越来越重要。同步磁阻电机（Synchronous Reluctance Machine SynRM）不应用永磁体材料，电机转矩与效率均较高，目前已在机床、轨道交通、电动汽车以及纺织设备等场合得到应用。

另外，由于其电机转子结构比较简单，所以装配维护方便。因为同步磁阻电机仅采用电枢励磁，在高速运行时电机不需要弱磁，因而调速范围广。在相同功率等级下，相较于感应电机，同步磁阻电机的效率更高、转子损耗更小、转矩密度更高；与开关磁阻电机相比，同步磁阻电机的转矩脉动小、振动噪声小、效率也更高、鲁棒性稍差。

一些学者在同步磁阻电机所体现出的优势基础上，将少量的永磁体加入同步磁阻电机的定转子上，增加除磁阻转矩外的永磁转矩，虽然这样能够提高电机的转矩密度，但是加入永磁体会出现齿槽转矩、永磁体退磁、永磁材料成本高、制造难度大等问题。

目前，在同步磁阻电机转矩脉动抑制的研究中，根据极槽比以及绕组类型的不同，可以通过增加定子的绕组层数以减小磁动势的谐波幅值达到降低转矩脉动的目的。同时，有学者指出，采用分布式集中绕组能够有效缩短绕组端部缠绕长度，降低电机铜耗，减小机器的体积。

在结合两电机定子与转子方面，采用同步磁阻电机的定子与开关磁阻电机的转子可以作为下一步研究的侧重点。考虑加工难易程度以及驱动方式，有学者尝试将同步磁阻电机与开关磁阻电机结合仿真，有学者将同步磁阻电机的三相正弦电流驱动方式应用到开关磁阻电机中，利用同步磁阻电机驱动优势，有效降低了转矩脉动。

在同步磁阻电机的定子设计中，根据电机绕组结构合理优化选择定子齿冠的辅助槽数目可以有效降低电机的转矩脉动，同时平均转矩也会因为辅助槽附近局部磁路饱和而下降。有学者首次提出在同步磁阻电机转子磁通屏障与定子齿部采用不对称设计的可行性，有学者运用不对称设计思想在凸极转子中提出电机不对称设计的一般规律，并应用于传统的同步磁阻电机中，其不对称设计体现在转子的相邻极之间。通过敏感度分析，同步磁阻电机的转矩脉动很大程度受到定子与转子几何结构以及电流相位的影响。与此同时，在电机优化过程中，常用响应面法与田口法，同时，改进的田口法能够更有效快速地优化一类电机。

为了降低电机的转矩脉动，河北工业大学等单位的研究人员将不对称设计应用于传统同步磁阻电机转子，得到不同功率等级电机降低转矩脉动的一般规律，并对同步磁阻电机简化，利用开关磁阻电机加工制造简单的优势，提出一种采用同步磁阻电机定子与开关磁阻电机转子相结合的类凸极转子同步磁阻电机，在凸极转子边缘加一层较薄的肋部，在相关学者研究的基础上采用序贯田口稳健优化方法与有限元法对电机定子与转子各参数依次优化，得到一般性的不对称规律，以得到性能更优的磁阻电机。

图1 类凸极转子同步磁组电机四种结构

他们通过研究传统同步磁阻电机与类凸极转子同步磁阻电机两类不同转子结构的电机性能，得到更加深刻的理解。表1选择性能较好的三种电机在平均转矩、转矩脉动、铁心损耗与效率四个方面进行对比，可以得出相同电流密度与电机功率等级下，传统同步磁阻电机的转矩更大、转矩脉动最低，而类凸极转子同步磁阻电机在该类型转子结构下采用集中式绕组结构时铁心损耗较低、效率较高。在电机制作成本与装配方面，类凸极转子同步磁阻电机优势较大。

表1 不同结构同步磁阻电机对比

研究人员表示，传统同步磁阻电机不对称设计主要在同一极与相邻极的磁通屏障张角，以及每一极的宽度方面做处理，并得出明显的不对称设计规律，采用不对称转子设计对于抑制电机转矩脉动具有良好的效果。另外，类凸极转子同步磁阻电机结构更加简单、制作成本更低。采用不同绕组结构对四种电机进行设计，对气隙磁通密度的谐波分析可知，采用分布式绕组结构更能降低电机转矩脉动，采用双层集中式绕组更能有效降低电机的铁心损耗、提高电机效率。

从传统同步磁阻电机与类凸极转子同步磁阻电机作对比分析可得，相同电流密度与电机功率等级时，传统电机的输出转矩明显高于类凸极转子电机，通过转矩脉动分析，电机的振动噪声差异不大，采用最优的两种转子结构的电机铁心损耗差距较小，但是传统同步磁阻电机的效率要更高。

他们最后指出，采用不对称转子设计与序贯田口稳健优化方法相结合的方式，对传统同步磁阻电机与类凸极转子同步磁阻电机进行有限元计算，通过性能对比与制作成本分析，找到了类凸极转子同步磁阻电机在制作成本、铁心损耗等方面较传统同步磁阻电机的优势。在对输出转矩要求较低的场合，类凸极转子同步磁阻电机具有代替传统同步磁阻电机的可能性。

本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“基于不对称转子结构与序贯田口稳健优化方法的同步磁阻电机设计”。本课题得到了国家自然科学基金和河北省自然科学基金的支持。

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