開關(guān)磁阻電機具有可靠性高、成本較低、高效平臺較寬等優(yōu)點，但其轉(zhuǎn)矩脈動大、功率密度低的固有缺點嚴重限制了其在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。為了解決上述問題，中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院的研究人員閆文舉、陳昊 等，在2021年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，提出一種磁場解耦型雙定子開關(guān)磁阻電機新結(jié)構(gòu)，內(nèi)外定子均采用U型分塊結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化內(nèi)外定子磁場的極性分布，使內(nèi)外定子磁場解耦。

在此基礎(chǔ)上，通過轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯開一定機械角度降低轉(zhuǎn)矩脈動。首先介紹新型電機的工作原理及其設(shè)計方法；然后綜合比較兩種不同轉(zhuǎn)子極數(shù)下的靜、動態(tài)運行性能；最后試制一臺4相16/18/16結(jié)構(gòu)的樣機，通過實驗驗證其工作原理的實際可行性和兩種電機性能比較的正確性，為新型電機在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Machine, SRM）作為一種無稀土類電機，相比于其他類型的電機，具有以下優(yōu)勢：

①可靠性高。兼具起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小、過載能力強等優(yōu)點；其各相可獨立工作，具有一定的容錯性；轉(zhuǎn)子無永磁體，對環(huán)境工作溫度要求低，不存在退磁風險。

②成本較低。定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，僅采用硅鋼片疊成，無需稀土永磁材料，轉(zhuǎn)子無繞組。

③高效率平臺較寬。雖然在額定點附近低于永磁電機，但是SRM可以在很寬的速度范圍和不同負載狀態(tài)下實現(xiàn)高效運行。

然而，由于開關(guān)磁阻電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成，加之其驅(qū)動運行依靠的是磁阻轉(zhuǎn)矩，存在著轉(zhuǎn)矩脈動大、功率密度低的固有缺點，嚴重限制了開關(guān)磁阻電機在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。因此，亟需研究開發(fā)一種在提高功率密度的同時降低電機轉(zhuǎn)矩脈動的新型結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機，以加快其在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為了提高傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機在電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域中的競爭力，學(xué)者們常采用優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化電機拓撲結(jié)構(gòu)和改變電機鐵磁材料等方法提高傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的功率密度。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電能量轉(zhuǎn)換率對電機結(jié)構(gòu)進行改進，提出定子分塊式、轉(zhuǎn)子分塊式、軸向磁通式、混合勵磁式等電機結(jié)構(gòu)。

上述方法均在一定程度上提高了電動汽車驅(qū)動電機的功率密度，但是由于基于傳統(tǒng)單定子電機在尺寸固定情況下較大幅度提升電機的功率密度存在一定難度，有學(xué)者嘗試在傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機內(nèi)部增加一個內(nèi)定子的雙定子電機結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨從理論上能大幅度提升電機的功率密度。無稀土同心式雙定子開關(guān)磁阻電機（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)，電機轉(zhuǎn)子采用分塊結(jié)構(gòu)；接著從電機設(shè)計、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進行對比，結(jié)果表明，DSSRM的轉(zhuǎn)矩輸出能力與永磁同步電機相當，但是單位材料成本轉(zhuǎn)矩要優(yōu)于永磁同步電機。

有學(xué)者提出了另外一種結(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)；有學(xué)者對該電機的定轉(zhuǎn)子極弧進行優(yōu)化，在一定程度上降低了電機的轉(zhuǎn)矩脈動。

上述兩種新結(jié)構(gòu)雙定子電機在增加電機功率密度的同時，由于內(nèi)外定子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的疊加，也增加了電機的轉(zhuǎn)矩脈動。有學(xué)者則提出一種新型的DSSRM，通過轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯開一定機械角度降低了轉(zhuǎn)矩脈動，但是在內(nèi)外定子同時導(dǎo)通時，由于轉(zhuǎn)子軛部極易飽和，導(dǎo)致該電機的功率密度不高。

通過對上述文獻的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們不僅采用優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)參數(shù)、拓撲結(jié)構(gòu)和改變鐵磁材料等方法，還從混合勵磁、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)計角度提高電機的功率密度。研究發(fā)現(xiàn)，雙定子開關(guān)磁阻電機可以顯著提升電機的功率密度，使其轉(zhuǎn)矩輸出能力與永磁同步電機相當。

因此，中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院的研究人員從改善電磁路徑、提高電磁空間利用率和機電能量轉(zhuǎn)換率角度，設(shè)計了一種磁場解耦型雙定子開關(guān)磁阻電機（Magnetic Field Decoupled- Double Stator Switched Reluctance Machine, MFD- DSSRM），以提升電動汽車驅(qū)動電機的功率密度，并對兩種常用的電機結(jié)構(gòu)進行性能對比。

圖1 樣機及其測試平臺

他們得出結(jié)論如下：

1）所提出的雙定子開關(guān)磁阻電機內(nèi)外定子磁場具有較強的磁場解耦特性。

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

3）在勵磁電流較低時，兩種電機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線幾乎相等，但是隨著勵磁電流的增加，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，16/18/16結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和轉(zhuǎn)矩脈動優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)；在高速時，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)矩脈動優(yōu)于16/14/16結(jié)構(gòu)。

以上研究成果發(fā)表在2021年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“不同轉(zhuǎn)子極數(shù)下磁場解耦型雙定子開關(guān)磁阻電機的研究”，作者為閆文舉、陳昊 等。