分块开关磁阻电机的研究现状及其新结构构想

2011年3月电工技术学报Vol.26 No. 3 第26卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2011

分块开关磁阻电机的研究现状

及其新结构构想

陈小元邓智泉王晓琳范娜连广坤

（南京航空航天大学自动化学院南京 210016）

摘要分块开关磁阻电机通过分块的定子或转子结构，可获得较短的磁路以减小铁心损耗，圆柱形的转子可缩减风（油）阻，结构和电磁的隔离能增强电机可靠性及容错性。本文对现有的各型分块开关磁阻电机的结构和磁路进行了解析，在此基础上，提出了双极性励磁分块转子开关磁阻电机、环状绕组分块转子开关磁阻电机、C形分块定子开关磁阻电机、E形分块定子开关磁阻电机和混合气隙分块定子开关磁阻电机五种新型结构的分块开关磁阻电机，结合结构示意图和磁路图对其基本工作原理分别进行了阐述，并根据其结构特点和电磁特性分析了其优劣性及可能的应用场合，以期为分块开关磁阻电机的进一步研究与应用提供参考。

关键词：开关磁阻电机分块定子分块转子结构磁路

中图分类号：TM352

Current Status and New Configurations of

Segmented Switched Reluctance Machines

Chen Xiaoyuan Deng Zhiquan Wang Xiaolin Fan Na Lian Guangkun

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016）

Abstract Segmented switched reluctance machines, with short path of magnetic flux which reduced iron losses, segment cores embedded in rotor block to form columned rotor which decreased wind or oil resistance in high speed, or isolated components magnetically, electrically and mechanically which enhanced reliability and fault tolerance greatly, have nice performances because of the segmented stator or rotor. In this paper the existing segmented SRMs are reviewed based on the analysis of their constructions and magnetic paths. Five novel segmented SRMs are bipolar SRM with segmental rotors, toroidal-windings SRM with segmental rotors, SRM with C-shaped segmental stators, SRM with E-shaped segmental stators and axial-radial air gap SRM with segmental stators. The structures and the basic working principles of these five novel segmented SRMs are introduced and the advantages and disadvantages of them are analyzed. Those will provide a useful reference for segmented SRM’s researches and applications.

Keywords：Switched reluctance motors (SRM), segmental stator, segmental rotor, configuration, magnetic path

1引言

开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine，SRM）结构简单坚固、成本低、控制灵活、可靠性好、容错能力强，具有高温和高速适应性等优点，适合被用来作为全电/多电飞机的刹车、舵面控制及油泵等需高可靠性的关键电力传动系统驱动，起动/发电机双功能系统或电动车驱动用电机[1-4]。

但SRM凸极转子使得高速运行时的风（油）

新世纪优秀人才支持计划，航空基础科学基金（05F52040）和南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金资助项目。

收稿日期 2009-10-09 改稿日期 2010-06-11

第26卷第3期陈小元等分块开关磁阻电机的研究现状及其新结构构想 21

阻力大[5-8]。为了减小风（油）阻，可以在转子中加填充物[5]或增加转子槽楔[6]，虽然降低风（油）阻的效果明显，但对工艺的要求高。文献[7-8]提出了一种新型的圆柱凸极复合型转子结构，其由分段的凸极铁心和若干非导磁圆环金属隔片叠压构成，可有效地减小风（油）阻，但转子的有效长度变短。另外，为了减小铁心损耗提高SRM的效率，可采用短磁路结构，但一般需采用较多的相数或较多的定转子极数[9-10]，使得电机和控制器的成本增加，且不适宜高速运行。

近年来，国际上开展了分块SRM的研究。分块SRM的主要特点在于定子或转子由若干个铁心块嵌入不导磁的固定架（套）组成，其主要目的是获得较短的磁路来减小铁心损耗，或非凸极的转子形状减小风（油）阻，或磁路和电气的隔离增强可靠性及容错性，因此在全电/多电飞机电力传动系统、起动/发电机双功能系统及电动车驱动系统中具有潜在的应用前景。本文对迄今为止出现的各种分块SRM的结构进行了解析，结合结构示意图和磁路图对其基本工作原理进行了阐述；并提出了双极性分块转子SRM，环状绕组分块转子SRM，C形分块定子SRM，E形分块定子SRM，混合气隙分块定子SRM五种新型结构的分块SRM，对其基本工作原理进行了分析，并总结了各新型分块SRM的优劣点。

2现有分块SRM

2.1分块转子SRM

文献[11-13]研究了三相12/8结构分块转子SRM。如图1所示，其转子由若干个相同的呈扇形的转子铁心块嵌入在不导磁的转子套中组成，因此

图1 12/8结构分块转子SRM

Fig.1 Construction of 12/8 SRM with segmental rotors 称为分块转子；定子绕组采用Fully Pitched绕组[13-14]，即每个绕组需跨越m个定子齿（m为分块转子SRM的相数）绕制。实验结果表明，同等铜耗条件下，其转矩输出比同等SRM的增长40%。图2为12/8结构分块转子SRM定转子不对齐位置和对齐位置的磁力线图。

（a）不对齐位置（b）对齐位置图2 12/8结构分块转子SRM 的磁力线分布图Fig.2 Magnetic flux plot for 12/8 with segmental rotors 相对普通SRM，分块转子SRM的磁路很短，磁通仅经过相邻定、转子齿极闭合，有利于减小铁心损耗，且分块转子SRM的非凸极的转子可减小风（油）阻。

文献[15-16]研究了6/4结构Fully Pitched绕组分块转子SRM，其转子套由铝制作。如图3a所示，相对普通SRM，其不仅可提高出力，且可减小单齿径向力。为了进一步减短磁路，文献[17]提出了一种定子为圆槽结构的分块转子SRM，如图3b所示，与同等普通分块转子SRM相比，圆槽结构的分块转子SRM的磁路为更短的圆环状，这种结构不但可进一步减小铁心损耗和电机重量，而且可增加电机出力，并减小振动噪声。

（a）普通分块转子SRM （b）圆槽分块转子SRM

图3 两种6/4结构分块转子SRM

Fig.3 Constructions of two different 6/4 SRMs

with segmental rotors

采用Fully Pitched绕组分块转子SRM的定子各绕组须跨越多个定子齿，各绕组在定子端部交叠，降低了电机的可靠性，而且使得整个电机绕组的端部很大，降低了绕组的利用率并增加了电机的端部