1 目的及意义

同步磁阻电机（synchronous reluctance motor，SynRM）本质是一种具有磁阻性质的同步电机，其运行原理与开关磁阻电机相似，与传统的交、直流电机有着根本的区别。它不像传统电机那样依靠定、转子磁场相互作用形成转矩，而遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩，这种转矩叫做磁阻转矩。而有别于开关磁阻电机的定子开关旋转磁场，同步磁阻电机的定子磁场为正弦波旋转磁场。同步磁阻电机定子一般采用传统三相交流电机的定子结构，但其转子结构比较特殊，转子上开有很多槽。特殊的转子结构使得同步磁阻电机交、直轴磁路磁阻相差较大，呈现强烈的凸极性，从而产生磁阻性质的驱动转矩。同步磁阻电机由于结构简单，能避免开关磁阻电机的噪声大及低速运行时转矩脉动显著，且转子不存在电磁损耗等优点，近年来逐渐引起人们的研究兴趣，特别是1991年著名学者T.A.Lipo教授发表文章提出同步磁阻电机在交流驱动系统中替代异步电机的可能性的问题[5，6]以后，更引起众多学者的广泛关注。然而，替代大量使用的异步电机是一个重要的命题。它不仅在性能上意味着同步磁阻电机能等同或超过异步电机，而且在容量上至少要达到kW级。

在认真对待同步磁阻电机的应用前景时，设计者面临的主要挑战是如何克服长期以来阻碍同步磁阻电机广泛应用的功率因数偏低及与同尺寸的异步电机相比其出力偏小的问题。

1.1国外研究情况

早在二十世纪二十年代Kostko J K等人提出了反应式同步电机理论[2]，M．Doherty 和Nickle教授提出磁阻电机的概念，此后国外关于许多专家和学者对同步磁阻电机的动能、转子结构和控制方法进行较深入研究。早期的同步磁阻电机由一个无绕组凸极转子和一个与异步电机类似的定子组成。在转子轭q轴方向加上两道气隙，以增加q轴磁阻。利用d-q轴的磁阻差来产生磁阻转矩。转子周边插上鼠笼条以产生异步起动转矩。然而，由于该异步转矩的作用，又将引起转子震荡而难以保证电机正常运行。六十年代初，出现了第二代同步磁阻电机它利用块状转子结构来增加d-q轴磁阻差，同时不用鼠笼条来起动转矩，而直接靠逆变器变频来起动，从而减轻了转子震荡现象[3]。然而，为产生足够的磁阻转矩，需要定子侧有较大的励磁电流，致使该电机功率因素和效率都很低，从而影响了该种电机的推广使用。为尽可能增大d-q轴磁阻差，同时减小励磁电流，增大功率因素，在七十年代初期产生了第三代同步磁阻电机，采用轴向多层迭片结构，以获得最大的d轴电感和最小q轴电感，而得到最大磁阻转矩[4]。采用该转子结构后，d-q轴电感之比可以达到20，其输出功率可以达到同尺寸大小的异步电机输出功率。1991年美国威斯康星大学T.A.Lipo教授对同步磁阻电机的转子结构进行进一步优化，发表文章提出同步磁阻电机在交流调速驱动系统中替代异步电机的可能性的问题[5，6]。1993年英国的T.J.E.Miller教授指导的课题组对同步磁阻电机不同转子结构的磁路进行了分析和研究，试图寻找更优化的转子结构提高电机的凸极率，并重点对轴向叠片转子结构同步磁阻电机转子叠片层数、绝缘占有率进行了优化，得到优化后的样机在最大转矩电流比控制时功率因数为 0.7左右[7，8]。1995年，Y.J.Luo对冲片叠压式同步磁阻电机三种转子结构的磁场分布进行了分析和比较，指出转子空气层之间的连接处将会给d轴磁通提供较小磁阻磁路，去掉转子空气层之间的连接处将明显提高电机的功率因数[10]。2005年，S.B.Kwon提出了采用有限元和罚函数法，通过比较冲片叠压式同步磁阻电机凸极率和交、直轴电感差值，自动ACAD绘图、剖分和数据存储来快速优化转子结构提高电机力能指标的方法[12]。2007年，S.J.Mun对冲片叠压式同步磁阻电机转子空气层做了较为深入的分析，通过有限元和仿真实验设计优化了转子结构，主要分析了转子空气层含有率、位置、个数，转子气隙以及电机饱和对电机电磁参数的影响，指出了空气层含有率、转子气隙、电机饱和对电机性能的影响较大，同时优化后的样机其功率因数为0.72，对同步磁阻电机的电磁设计与分析具有很好的参考价值[9]。

2011年ABB公司在同步磁阻电机转子设计方面取得突破性进展，如今已经有了应用于工业应用中的商业化产品。

1.2国内研究情况

我国对同步磁阻电机的研究起步较晚。1994年，华中科技大学辜承林教授指导的课题组设计制作出国内第一台两极的ALA转子样机，其样机的凸极率和功率因数分别达到了11和0.85左右，但其结构加工较复杂[13-17]。2002年，福州大学吴汉光教授根据能量平衡的观点，以异步电机为参照，分析了同步磁阻电机交、直轴电感以及凸极率对电机性能的影响，并指出对于确定的凸极率理论上有最大的功率因数与之对应，反之对于确定的功率因数理论上有最小的凸极率与之对应。在同步磁阻电机设计时凸极率应根据电机的过载能力和功率因数的要求而正确选择，单纯追求增大凸极率是不适当的。指出在电机应用中，功率因数小于0.85且容量较小时，同步磁阻电机可与异步电机匹敌[18]。2012年，中国电子科技集团公司第二十一研究所研究发表了同步磁阻电机的结构及仿真设计,该电机转子采用栅格叠片结构，驱动控制器采用电流矢量控制方式，指出同步磁阻电机与感应电机相比，具有效率高、功率密度大等优点；与永磁同步电机相比，在同等功率条件下大大降低了电机的成本，同时拓宽了电机的使用范围，提高了电机运行的可靠性[19]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1.了解同步磁阻电机的国内外研究现状;

2.掌握同步磁阻电机的基本结构和运行原理;

3.熟悉同步磁阻电机的电磁设计方法和基本流程；

4.学习基于ANSOFT的电磁场有限元仿真；