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低速永磁同步电动机因稀土永磁材料消耗量大、成本高，限制了其应用范围。而开关磁阻电机（switched reluctance motor, SRM）结构简单、成本低、可靠性高、起动转矩高，已成为一些低速驱动场合的可选方案。为获得更高转矩密度，开关磁阻电机通常工作在铁心磁通密度过饱和的情况下，但开关磁阻电机的双凸极结构及磁路高饱和，会导致较大的换相尖峰电流问题。
为降低开关磁阻电机换相尖峰电流并进一步提高其效率，已有众多学者从控制方面和电机本体设计方面做了大量研究。
在控制方面，有学者提出一种基于电流软斩波的分段脉宽调制（PWM）变占空比控制方法，解决了开关磁阻电机传统电流软斩波控制策略电流脉动大的问题，并通过仿真和实验证明了该控制方法能有效限制电流峰值、改善电机性能，但采用电流斩波控制增加了开关频率和开关损耗。
在电机本体设计方面，可以通过提高电机铁心抗饱和能力来削弱换相尖峰电流。马霁旻等以轴向开关磁阻电机为研究对象，将有取向硅钢材料应用于定子齿上，利用有取向硅钢材料的高导磁性能，提高定子齿抗饱和能力，降低峰值电流，但为了使取向硅钢片的轧制方向与磁通方向一致，需要将硅钢片分割成多块并粘接在定子盘上，增加了加工难度与生产成本。
陈军等提出永磁辅助外转子开关磁阻电机，通过在定子槽口处添加永磁体，来增强气隙磁通密度、降低定子磁通密度，该方法虽然提高了定子铁心抗饱和能力，但稀土永磁材料的引入，增加了电机成本和结构复杂性。井立兵等通过在传统开关磁阻电机平行转子齿两侧添加半椭圆形辅助铁心，缓解了双凸极结构造成的励磁极和转子磁极磁路局部饱和问题，提高了转子铁心抗饱和能力。
LI G. J.等提出一种互感耦合型开关磁阻电机，磁通分布于多个定子齿中，使互耦合型开关磁阻电机抗饱和能力高于传统开关磁阻电机，但电机磁通路径过长，绕组端部也较长。李哲等提出的定子齿单侧带极靴结构SRM，利用极靴结构改变磁通路径，可以有效缓解边缘磁通效应和磁路局部饱和，但单侧极靴结构仅能使电机工作在一个旋转方向下。
由文献研究可知，提高开关磁阻电机抗饱和能力是降低电机换相尖峰电流的一种有效方法。沈阳工业大学电气工程学院的研究人员孙宇亮、彭兵，在2022年第7期《电气技术》上撰文，提出定子阶梯齿结构，通过较窄的一级齿保证输出转矩，较宽的二级齿降低磁极饱和程度。
图1 阶梯齿结构及尺寸参数
他们首先研究阶梯齿结构对降低铁心磁通密度饱和程度的可行性；然后，利用有限元软件分析阶梯齿尺寸对输出转矩和换相尖峰电流的影响；最后，基于工程问题，提出带极靴结构阶梯齿开关磁阻电机的设计方法。仿真结果表明，阶梯齿结构可以提高电机抗饱和能力，有效削弱换相尖峰电流。
图2 带极靴的定子阶梯齿结构
表1 电机性能对比
研究人员进一步指出，阶梯齿结构的开关磁阻电机可以在保持输出转矩不变的情况下，较好地削弱换相尖峰电流，它可将换相尖峰电流由原始开关磁阻电机的113.2A削弱到87.7A，降低了22.5%。另外，阶梯齿开关磁阻电机带极靴结构时，可以适当减小一级齿相对极弧，削弱极靴结构对电机输出转矩的影响。它通过将一级齿相对极弧由无极靴结构阶梯齿SRM的0.5减小到0.485，使电机输出转矩、转矩脉动、平均电流和电流峰值与无极靴结构阶梯齿的开关磁阻电机基本相同。
本文编自2022年第7期《电气技术》，论文标题为“基于阶梯齿的开关磁阻电机尖峰电流削弱方法”，作者为孙宇亮、彭兵，本课题得到国家自然科学基金项目的支持。
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