同步磁阻电机分析与设计(连载之一)概述.docx

同步磁阻电机分析与设计(连载之一)概述沈建新，蔡顺，袁赛赛【摘要】从转矩成分的角度对交流同步电机进行了分类，并针对转矩成分指出了各类电机的特点，从而引出同步磁阻电机的原理。进而比较了同步磁阻电机相比于异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机的优势与劣势，指出了同步磁阻电机替代上述电机的潜在可能和限制因素。综述了增大同步磁阻电机转矩密度、削弱转矩脉动、提高功率因数、减小铁耗和加强机械强度所采用的设计措施。最后根据同步磁阻电机的控制原理分析了其基本控制方式。

【期刊名称】微电机

【年(卷),期】2016(049)010

【总页数】9

【关键词】同步磁阻电机；转矩密度；转矩脉动；控制策略

0引言早在上世纪20年代就有学者提出同步磁阻电机的概念，通过d轴与q轴磁阻的差异产生转矩驱动电机[1]。早期的同步磁阻电机通过几何凸极转子中添加磁障产生磁阻转矩，同时在转子上安插鼠笼条形成异步起动转矩。典型的“第一代同步磁阻电机”转子基本结构如图1所示[2]，转子通过简单的冲压工艺即可获得。这种电机具备自起动功能，但电机凸极比很小，电机效率和功率因数都很低[3]。随着电力电子器件和磁场定向控制技术的进步，交流调速电机得到快速发展。为了增大同步磁阻电机的凸极比，60年代有学者提出“第二代同步磁阻电机”[4]，转子结构如图2所示[2]。这种电机转子不需要鼠笼条，通过变频器直接起动，转矩脉动有较大改善。转子通过分块拼装获得更大的凸极比，最大凸极率能达到5以上，但电机加工过程复杂，同时效率和功率因数仍然较低[5]。为了增大电机的凸极率，克服同步磁阻电机转矩密度、效率和功率因数低的缺点，70年代后有学者开始讨论“第三代同步磁阻电机”，其转子基本结构大致有图3所示两种[6]。其中图3(a)为轴向叠压式(ALA)转子，将导磁材料和非导磁材料按一定厚度比沿轴向交替叠压[7]。由于叠片磁导率高度各向异性，这种转子能产生较大的凸极比，因而电机转矩密度、效率和功率因数都较高，但电机加工过程复杂，同时机械强度较低，因而工业推广受到限制。图3(b)为横向叠压式(TLA)转子，通过在转子硅钢片中冲压多个空气磁障来产生d轴与q轴磁阻差异。这种电机加工成本低，更适合工业大批量生产。1992年IEEEIAS年的同步磁阻电机的专题研讨会上，诸多学者针对同步磁阻电机的理论和应用展开了讨论，指出了同步磁阻电机替代异步电机工业应用的强大潜力[8]。之后的二十年内全世界的学者对同步磁阻电机的设计和驱动进行了广泛的研究，一系列高性能的同步磁阻电机得到研发。近年来工业发展对低成本、高性能的电机需求急剧上升。本文从交流电机的理论基础出发，阐述了同步磁阻电机的基本原理，比较了同步磁阻电机与永磁同步电机、异步电机、直流电机和开关磁阻电机的应用优势，并从提高性能的角度总结了同步磁阻电机的设计要点，最后结合控制原理分析了同步磁阻电机的驱动方式。

1工作原理对于永磁交流电机统一定义永磁体充磁方向为d轴，对于非永磁电机则往往定义主磁路方向为d轴，但这种区别并不妨碍对电机工作原理的理解与分析。基于坐标变换解耦控制，三相交流同步电机的电磁转矩可表示为(1)

式中，p为极对数，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，ψd为d轴绕组匝链的磁链，ψq为q轴绕组匝链的磁链，ψf为永磁体产生的与d轴绕组匝链的磁链，id与iq为d轴与q轴电流。电磁转矩表达式中第一项为磁阻转矩，第二项为基本电磁转矩，可称为永磁转矩。1.1凸极永磁同步电机当电磁转矩中同时含有磁阻转矩和永磁转矩，且永磁转矩分量相比磁阻转矩分量起更大作用时，该电机称作凸极永磁同步电机。凸极永磁同步电机转子结构包括几何凸极转子、永磁体内置式、永磁体表面嵌入式磁阻凸极结构。对于转子几何凸极结构，由于空气磁导率小于导磁材料，因而LdLq，控制电枢电流矢量位于+d轴和q轴之间时可以有效利用磁阻转矩和永磁转矩[9]；对于永磁体内置式和永磁体表面嵌入式结构，由于永磁体磁导率远小于导磁材料磁导率，因而一般LdLq，控制电枢电流矢量位于-d轴和q轴之间时则可以有效利用磁阻转矩和永磁转矩[10]。1.2永磁辅助同步磁阻电机当电磁转矩中同时含有磁阻转矩和永磁转矩，且磁阻转矩分量比永磁转矩分量起更大作用时，电机称作永磁辅助同步磁阻电机。永磁辅助同步磁阻电机和凸极永磁同步电机相比主要区别在于电机表现出很高的凸极性，电磁转矩的主要成分为磁阻转矩。为获得较大的凸极率，永磁辅助同步磁阻电机的转子通常设计为多层磁障结构。永磁体的使用主要既有利于提高电机的转矩密度，更重要的目的是为了提高功率因数，因而通常采用相比稀土永磁体磁性能稍弱但来源更广泛价格更低廉的铁氧体永磁材料[11]。1.3隐极永磁同步电机当电磁转矩中仅仅含有永磁转矩分量时，电机则为隐极永磁同步电机。常见的隐极永磁同步电机转子结构