提高开关磁阻电机效率的方法

在工业生产中，有近75%的电用来驱动电机［25］，电机效率的提升将带来巨大的经济价值。对开关磁阻电机来说，效率也是其关键性能指标之一。由于开关磁阻电机不含永磁材料，理论上效率低于永磁电机［26，27］，研究者从本体设计和控制策略方面提出了众多创新方法，使开关磁阻电机的效率逐步接近永磁电机。

电机的损耗直接决定电机运行效率，电机的损耗主要包括铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗，其中铁损可分为磁滞损耗和涡流损耗，机械损耗可分为风阻损耗和摩擦损耗（见图1.9）［28］。为了在设计阶段对电机的整体损耗进行评估，需要建立电机损耗的精确模型。与正弦波驱动的电机不同，开关磁阻电机采用方波驱动，其铁损的计算模型较正弦波驱动电机更为复杂。文献［29］和［30］根据磁链分布将电机分割为若干区域，在局部区域内利用改进史坦麦兹定律（Steinmetz'sequation）求铁损值。文献［31］中讨论在对磁链分布进行区域分割的基础上，进一步将方波磁链进行谐波分解，分别计算不同阶谐波磁链的铁损，实验证明该方法具有较高的精度。文献［32］和［33］均利用非线性磁路模型计算损耗，在该模型中铁损等效为非线性电阻模型，该电阻模型可以根据实验或有限元仿真的数据建立，表征的是铁损与电流或位置的对应关系，磁路模型具有较好的动态性能，可以用于开关磁阻电机损耗的动态分析。损耗模型的建立为进行开关磁阻电机能效优化设计提供了基础。

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图1.9　电机损耗示意图

为了提高电机效率，在电机本体结构方面，文献［34］提出了一种新型6/3极两相开关磁阻电机，相绕组采用特殊的连接方式使运行过程中定子轭部磁通保持不变，有效降低了磁通变化引起的损耗，提升了运行效率。Chiba等人对高转矩密度和高效率电动汽车用开关磁阻电机进行了系列研究［35-39］，通过优化电机尺寸参数和叠片材料，提高了开关磁阻电机的效率和转矩输出能力，并将此电机与丰田Prius 2003款电动汽车所用的永磁电机进行了对比，对比结果证实开关磁阻电机的效率和转矩密度接近甚至超过永磁电机。文献［35］和［36］分别使用低损耗叠片材料（10JNEX900）和传统叠片材料制作50kW开关磁阻电机样机，使用低损耗叠片材料的电机样机最优效率达到95%，而使用传统叠片材料的电机样机最优效率为92.2%，证明了电机材料对效率的重要影响。文献［37］通过增加定、转子极对数和采用低铁损叠片材料有效提高了开关磁阻电机的效率和转矩输出能力，其50kW样机的最佳效率达到95%，效率在90%以上的工作区间较永磁电机范围更大，同时最大转矩密度达到45N·m/L，效率和转矩密度均达到永磁电机的水平。文献［38］设计并制作了与永磁电机具有相同外形尺寸的60kW开关磁阻电机。文献［39］将60kW开关磁阻电机样机和永磁电机进行了对比，开关磁阻电机样机的最优效率达到95%，与永磁电机持平；高速段输出功率最大达100kW，优于永磁电机。文献［40-42］研究了关键尺寸参数和材料属性对电机效率的影响。文献［40］研究了绕组匝数对输出功率的影响，研究结果表明增加线圈匝数会降低高速时的输出功率，但有利于降低最大电流，线圈匝数的选择需要在输出功率和电流峰值之间平衡。文献［41］研究了凸极形状及尺寸与开关磁阻电机效率的关系，并基于该关系设计了12/8极高效开关磁阻电机，实验表明该电机在额定工况下效率提升了5%。文献［42］研究了开关磁阻电机定、转子硅钢片材料属性对效率和铁损的影响，并指出材料的W10/400（材料在频率为400Hz，强度为1T的交变磁场中的铁损）属性与6/4极电机的效率高度相关，为开关磁阻电机材料选型提供了参考。文献［43-45］以电机效率等性能指标为目标函数，建立电机关键尺寸参数与性能指标间的关系，并通过寻优算法得到电机关键尺寸的最优解，为开关磁阻电机的综合优化设计提供了方法。文献［46-48］提出了混合励磁式开关磁阻电机，该电机在传统开关磁阻电机结构的基础上添加少量永磁材料辅助励磁，达到提高电机输出转矩和运行效率的目的。

为了提高电机效率，研究人员对不同控制方式下的控制参数优化进行了大量研究。文献［49-55］对恒参考电流控制方式下的开关角进行优化。文献［49-51］以电机在定、转子开始重合的位置达到参考电流为目标选择开通角，并研究了不同关断角对效率的影响，提出了开关角选择的解析式；文献［52］研究了转速、电流、开关角与转矩的神经网络模型，并利用基于最小二乘的变步长寻优方法求解最优开关角，实现转矩/电流比最大。在单脉冲控制方式下，文献［53］和［54］使用类似的方法对开关磁阻发电机的效率进行优化；文献［54］研究了不同转速及负载下的损耗与导通角之间的关系，并提出了最优开关角与速度的解析关系式，利用该关系式可以在线优化开关角；文献［55］研究了在单脉冲控制方式下进行多步换相对系统效率的影响，结果表明在换相过程中加入零电压续流环节可以有效提高电机效率。恒参考电流控制和单脉冲控制下的控制参数少，已形成较为成熟的效率优化方法。对于变参考电流控制，电流波形的可行域大，通常将效率和其他性能指标（转矩脉动、最大电流、振动和噪声等）一起作为目标进行优化。