定子永磁型無刷電機(jī)

早在1955年，美國(guó)學(xué)者Rauch和Johnson就開始研究永磁體方置于定子上的新型永磁無刷電機(jī)，圖2所示即為最早出現(xiàn)的定子永磁型無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該電機(jī)提出時(shí)作為一臺(tái)單相永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其工作原理如下:當(dāng)轉(zhuǎn)子在圖2所示的A, B, C, D四個(gè)不同位置分別與定子齒對(duì)齊時(shí)，在A位置和D位置磁路完全相同，此時(shí)永磁體產(chǎn)生的磁通都會(huì)從左至右地進(jìn)入上下兩個(gè)繞組中。而當(dāng)轉(zhuǎn)子移動(dòng)到B或C時(shí)，為永磁磁通提供了不同的路徑，進(jìn)入繞組中的磁通方向變?yōu)閺挠抑磷?。由此，固定在定子驪部的電樞線圈中匝鏈的磁鏈極性和數(shù)量都會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置而改變，于是會(huì)在繞組中感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。但由于受到當(dāng)時(shí)永磁體性能等因素的限制，此電機(jī)的電磁性能落后于直流電機(jī)和同步電機(jī)等電勵(lì)磁電機(jī)，因此在此后的幾十年中未受到重視。

隨著以釹鐵硼(NdFeB )為代表的新型稀土永磁材料的出現(xiàn)和功率電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，從20世紀(jì)90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了三種

新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ，如圖3所示。這3種結(jié)構(gòu)分別為:1)雙凸極永磁(doubly-salient permanent magnet DSPM)電機(jī)2)磁通反向永磁(flux reversal permanent magnetFRPM)電機(jī); 3)磁通切換永磁(flux-switchingpermanent magnet FSPM)電機(jī)。這3種新型永磁無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上最明顯的特點(diǎn)是永磁體均置于定子，轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，因此，將它們統(tǒng)稱為定子永磁型無刷電機(jī)。

磁通反向電機(jī)，即FRPM電機(jī) ，是一種將永磁體直接安裝在定子齒表面的定子永磁型無刷電機(jī)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在每個(gè)定子齒與氣隙接觸的表面安裝兩塊磁化方向相反的永磁體，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到不同的永磁體下面與定子齒對(duì)齊時(shí)，根據(jù)磁阻最小原理，極性相反的永磁磁通就會(huì)穿過定子側(cè)的繞組，從而在電樞繞組中匝鏈極性和數(shù)值都隨轉(zhuǎn)子位置變化的永磁磁通并感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。需要注意的是，不同于DSPM電機(jī)，F(xiàn)RPM電機(jī)的電樞繞組磁鏈呈現(xiàn)雙極性，在FRPM電機(jī)中，也可以通過轉(zhuǎn)子斜槽來獲得正弦的電樞感應(yīng)電勢(shì)。 在FRPM電機(jī)中，由于永磁體處于定子齒表面，使得電樞繞組具有較強(qiáng)的相間隔離作用，提高了該電機(jī)的容錯(cuò)能力，并且減小了電樞電感的變化范圍，進(jìn)而使得磁阻轉(zhuǎn)矩的幅值相對(duì)于永磁轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)。圖7給出兩臺(tái)多極FRPM電機(jī)結(jié)構(gòu)，永磁體分別貼于定子齒表面和內(nèi)嵌于定子齒端部。此外，可以將FRPM電機(jī)設(shè)計(jì)成具有互補(bǔ)繞組的三相FRPM結(jié)構(gòu)，通過特別的定子齒與轉(zhuǎn)子極配合，雖然單個(gè)線圈電勢(shì)為非正弦，但每相繞組電勢(shì)由于互補(bǔ)作用而呈現(xiàn)較好的正弦度。

但是，在FRPM電機(jī)中，相鄰永磁體之間的漏磁較為嚴(yán)重，永磁體渦流損耗也較大，并且功率因數(shù)較低，這些因素在一定程度上限制了該電機(jī)的發(fā)展。

雙凸極永磁電機(jī)，即DSPM電機(jī)，實(shí)質(zhì)屬于“開關(guān)磁阻電機(jī) 定子永磁體勵(lì)磁”的結(jié)構(gòu)。在DSPM電機(jī)中，切向充磁的永磁體內(nèi)嵌在電機(jī)定子驪部。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，集中電樞繞組中匝鏈單極性永磁磁通如圖4(a)所示。如果從每相電樞空載感應(yīng)電勢(shì)波形和電樞電流波形劃分，該電機(jī)應(yīng)屬于無刷直流(brushless DC BLDC)電機(jī)的范疇。但可以通過對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)來得到正弦感應(yīng)電勢(shì)，圖4(b)所示即為采用斜槽轉(zhuǎn)子時(shí)的每相空載感應(yīng)電勢(shì)和電樞電流波形，此時(shí)電機(jī)可采用無刷交流(brushless AC } BLAC)電機(jī)的控制方式。另外，DSPM電機(jī)可以采用多種定轉(zhuǎn)子齒槽配合，除圖5所示三相定子12槽/轉(zhuǎn)子8極結(jié)構(gòu)外，也有如單相定子4槽/轉(zhuǎn)子6極和四相定子8槽/轉(zhuǎn)子6極的結(jié)構(gòu)。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是近年來隨著電力電-技術(shù)和永磁材料的發(fā)展，而迅速發(fā)展起來的一種導(dǎo)型電機(jī)。在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)中，永磁體位于機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，根據(jù)永磁體位置的不同，可以分為4種基本結(jié)構(gòu):1}表面貼裝式;2}內(nèi)嵌式3)徑向內(nèi)嵌式;4)切向內(nèi)嵌式。相對(duì)于傳統(tǒng)的工流電機(jī)和異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)具有更高的工率密度和效率，受到廣泛重視并已獲得廣泛萬用。但是，轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)通常需要對(duì)轉(zhuǎn)子特別加固措施以克服高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，如安a由非金屬纖維材料或不銹鋼制成的套筒等，不僅E致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，而且增大了等效氣隙降低了電機(jī)性能。同時(shí)，永磁體安放在轉(zhuǎn)子上，倡熱困難，引起的溫升可能會(huì)導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可丈退磁，限制電機(jī)出力，減小功率密度等。為克服_

述轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)的缺點(diǎn)，近年出現(xiàn)了將永磁體倒置于定子側(cè)的定子永磁型無刷電機(jī)，受到了日益廠泛的關(guān)注。

在3種定子永磁型電機(jī)中，磁通切換永磁電機(jī)，即FSPM電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。圖8給出一臺(tái)三相定子12槽/轉(zhuǎn)子10極的FSPM電機(jī)，該電機(jī)定子由12個(gè)U型導(dǎo)磁鐵心單元依次緊貼拼裝而成，每?jī)蓧K導(dǎo)磁鐵心單元之間嵌有一塊永磁體，永磁體沿切向交替充磁。每個(gè)U型導(dǎo)磁鐵心圍成的槽中并排放置兩個(gè)集中電樞線圈的各一個(gè)圈邊，12個(gè)電樞線圈一共分成3組，每4個(gè)串連組成一相電樞繞組。正是這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使得轉(zhuǎn)子齒與同一相線圈下分屬于兩個(gè)U型單元的定子齒分別對(duì)齊時(shí)，繞組里匝鏈的永磁磁鏈極性會(huì)改變，實(shí)現(xiàn)了所謂“磁通切換”，如圖9所示。因此，隨轉(zhuǎn)子位置變化，在FSPM電機(jī)的電樞繞組中會(huì)匝鏈交變的永磁磁鏈，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

由于定子永磁型電機(jī)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)有明顯區(qū)別，已有的永磁電機(jī)的分析設(shè)計(jì)理論和方法難以直接套用到定子永磁型電機(jī)。加上凸極齒尖等處的局部飽和明顯，以及直流偏置磁場(chǎng)、定子外漏磁等特有電磁現(xiàn)象，進(jìn)一步增大了定子永磁型電機(jī)分析計(jì)算的難度。因此，自現(xiàn)代定子永磁型無刷電機(jī)問世以來，其分析設(shè)計(jì)方法就成為學(xué)者們的研究重點(diǎn)之一。

如何依據(jù)電機(jī)的性能要求和給定條件，確定電機(jī)的主要尺寸以及繞組參數(shù)的初始值，是電機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的基礎(chǔ)。DSPM電機(jī)的尺寸功率方程，具體為定子永磁型無刷電機(jī)特殊電磁現(xiàn)象及處理方法 永磁體位于定子，導(dǎo)致定子永磁型無刷電機(jī)中出現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)中所沒有的特殊電磁現(xiàn)象，給該類電機(jī)分析與設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。下文對(duì)這些特殊的電磁現(xiàn)象進(jìn)行敘述:

1)定子外漏磁。

在定子鐵心的外圍空間中有漏磁。因此，在進(jìn)行電機(jī)電磁場(chǎng)分析時(shí)必須將求解域適當(dāng)擴(kuò)展，才能計(jì)入此漏磁。此外，定子外漏磁會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置而有所變化，可能在外圍的金屬機(jī)殼中產(chǎn)生額外的渦流損耗，形成局部過熱，在電機(jī)設(shè)計(jì)中有必要加以考慮。

2)端部漏磁。

DSPM電機(jī)和FSPM電機(jī)的永磁體從定子內(nèi)徑處貫穿至外徑處，并直接與機(jī)殼相接，因此三維端部效應(yīng)較為顯著。沿著電機(jī)軸向靠近端部處磁密明顯降低，通過三維有限元分析可較準(zhǔn)確地分析這一端部效應(yīng)，但三維有限元分析復(fù)雜而耗時(shí)，為簡(jiǎn)化分析，可在二維有限元分析基礎(chǔ)上，引入端部效應(yīng)系數(shù)對(duì)二維分析結(jié)果進(jìn)行修正。

3)直流偏置磁場(chǎng)及其對(duì)鐵耗的影響。

由于永磁體位于電機(jī)定子，導(dǎo)致定子鐵心中存在直流偏置磁場(chǎng)。磁密的徑向分量和切向分量都是由一個(gè)交變分量疊加一個(gè)直流分量。直流磁場(chǎng)雖然不會(huì)直接在鐵心中產(chǎn)生渦流損耗，但它增加了鐵心飽和，并使磁滯回線不對(duì)稱(如圖16所示)，從而導(dǎo)致定子鐵心磁滯損耗增大，在電機(jī)的損耗計(jì)算中需要特別加以考慮。

定子永磁型電機(jī)主要有DSPM電機(jī)、FRPM電機(jī)和FSPM電機(jī)三類，每一類型電機(jī)在結(jié)構(gòu)上又有很多變化，它們既有共性，又有個(gè)體差異性。它們的共性主要體現(xiàn)在:

1)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理相同。傳統(tǒng)的直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及同步電機(jī)，都屬于雙邊磁場(chǎng)電機(jī)，即勵(lì)磁磁場(chǎng)在一邊(定子或轉(zhuǎn)子)，電樞磁場(chǎng)在另一邊(轉(zhuǎn)子或定子)，定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使電樞繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而感應(yīng)出電勢(shì)，當(dāng)繞組中通入電流后，電流與電勢(shì)相互作用實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。而定子永磁型電機(jī)的勵(lì)磁源和電樞繞組都位于定子，它依靠定子直流勵(lì)磁源與轉(zhuǎn)子凸極的調(diào)制作用，使定子繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換;

2)定、轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)類似，均呈凸極結(jié)構(gòu);

3)永磁體和電樞繞組均位于定子，與轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)相比，可方便地對(duì)永磁體進(jìn)行直接冷卻，從而控制其溫升;

4)凸極轉(zhuǎn)子僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，既無永磁體，也沒有繞組，結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單可靠，并且易于和某些應(yīng)用對(duì)象直接藕合，集成一體 ;

5)電樞繞組多為集中式繞組，端部短，用銅少，電樞繞組的電阻小，銅耗低。 另一方面，由于不同類型電機(jī)中永磁體用量和布置方式不同，導(dǎo)致其不同的性能和特點(diǎn)。比如，DSPM電機(jī)的永磁體用量較少，磁鏈為單極性，其轉(zhuǎn)矩密度也相對(duì)較低;而FSPM電機(jī)的永磁體用量較多，并且磁鏈為雙極性，其轉(zhuǎn)矩密度較高。此外，它們的感應(yīng)電勢(shì)波形也不同，DSPM電機(jī)和FRPM電機(jī)的電勢(shì)波形基本呈梯形波，更適合采用BLDC控制模式，而FSPM電機(jī)的電勢(shì)具有正弦波形，更適合BLAC控制方式等。

定子永磁型無刷電機(jī)電動(dòng)汽車領(lǐng)域

電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車以其超低的排放甚至零排放、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，受到了高度重視，并獲得日益廣泛的應(yīng)用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟。但電動(dòng)汽車的特殊運(yùn)行環(huán)境和條件，要求電機(jī)系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、可靠性強(qiáng)、免維護(hù)、轉(zhuǎn)矩出力大等。特別是在混合動(dòng)力汽車中，電機(jī)系常與內(nèi)燃機(jī)集成為一體，環(huán)境溫度高，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的冷卻散熱提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 。

在定子永磁型電機(jī)中，永磁體和電樞繞組均位于定子側(cè)，易于對(duì)永磁體和繞組進(jìn)行直接冷卻，因此非常適合電動(dòng)汽車領(lǐng)域。圖給出一臺(tái)混合動(dòng)力汽車用三相定子12槽/轉(zhuǎn)子10極FSPM電機(jī)，該電機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以顯著提高電樞繞組槽滿率，并減小繞組端部尺寸，使得電機(jī)更為緊湊，進(jìn)一步提高汽車空間利用率。

定子永磁型無刷電機(jī)飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域

在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成飛輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，使得飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)非常適合用作電網(wǎng)能量緩沖器和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置等。但是，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，即使既不充電也不放電，飛輪處于待機(jī)儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的永磁體，將在電機(jī)鐵心中產(chǎn)生大量損耗，不僅增加了發(fā)熱量，給飛輪系統(tǒng)的散熱提出了更高要求，而且導(dǎo)致儲(chǔ)能時(shí)間只能維持?jǐn)?shù)分鐘甚至更短，極大地限制了應(yīng)用范圍。

定子永磁型電機(jī)的轉(zhuǎn)子由整塊硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，非常適合高速運(yùn)行，令電機(jī)轉(zhuǎn)子與飛輪直接藕合，可以顯著提高飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率及運(yùn)行可靠性。尤其是使用磁通記憶永磁電機(jī)，在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換前對(duì)永磁體充磁，在能量轉(zhuǎn)換完成后再對(duì)其去磁，避免了轉(zhuǎn)子隨飛輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的鐵心損耗，飛輪在儲(chǔ)能待機(jī)狀態(tài)近似零損耗。在飛輪放電時(shí)，更可根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)速的高低合理控制永磁體磁化水平，在保證正常放電的前提下，使電機(jī)鐵耗最小，從而可以顯著提高能量利用效率，延長(zhǎng)飛輪儲(chǔ)能時(shí)間。

定子永磁型無刷電機(jī)軌道交通領(lǐng)域

城市軌道交通所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)兩種 。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、爬坡能力強(qiáng)、輪徑較小、隧道斷面小和線路設(shè)計(jì)自由度大等。較為常見的是直線感應(yīng)電機(jī)和直線式永磁同步電機(jī)。目前，直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道交通線路已獲得廣泛應(yīng)用，但直線感應(yīng)電機(jī)的效率和功率因數(shù)低;直線式永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度高、體積小、性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)直線永磁同步電機(jī)的電樞繞組和永磁體分別放置在電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)，需沿軌道鋪設(shè)永磁體，制造和維護(hù)成本高，限制了其在城市軌道交通等長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合中的使用。2100433B

《永磁直流無刷電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)》是上海科學(xué)技術(shù)出版社出版的一本圖書。

本書共分14章,全面闡述了現(xiàn)代永磁交流電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及控制思想.本書從永磁材料的基本特性講起,詳細(xì)介紹了永磁交流電機(jī)的常規(guī)結(jié)構(gòu)和近年來興起的特殊結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)分析方法等. 2100433B

針對(duì)風(fēng)電單機(jī)容量不斷增大、向海上發(fā)展等所面臨的機(jī)組體積與重量日益增大，制造、安裝、維護(hù)更加困難，對(duì)機(jī)組可靠性要求越來越高等新形勢(shì)，本項(xiàng)目以提高風(fēng)電系統(tǒng)能量效率及可靠性與容錯(cuò)能力為目標(biāo)，提出并研究了一種模塊化、容錯(cuò)能力強(qiáng)的多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了該電機(jī)系統(tǒng)的電磁、結(jié)構(gòu)和冷卻設(shè)計(jì)理論與原則，建立了多相磁通切換型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，闡明了結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)與性能之間的映射關(guān)系，制定了該類型電機(jī)的一般設(shè)計(jì)原則和方法，為分析和設(shè)計(jì)該電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)了定子永磁型電機(jī)定子鐵心存在直流偏磁、局部磁滯回環(huán)等特有物理現(xiàn)象，提出了綜合考慮各向異性導(dǎo)熱、接觸熱阻模擬、場(chǎng)路耦合等功能的精細(xì)化多場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)進(jìn)行完整、精確的電磁熱性能參數(shù)仿真計(jì)算。從元件級(jí)（電機(jī)本體與變流器）至系統(tǒng)級(jí)（多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)），建立了完善的高可靠性設(shè)計(jì)方案與故障下的高性能容錯(cuò)運(yùn)行方案，提高了多相永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。創(chuàng)建了涵蓋葉輪、變流器、電機(jī)定子繞組不對(duì)稱、定子繞組短路、定子繞組開路等不同故障的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷理論與方法，為實(shí)現(xiàn)高性能容錯(cuò)運(yùn)行奠定了重要基礎(chǔ)。此外，還研究了多相繞組的連接規(guī)則與協(xié)同控制、多目標(biāo)最優(yōu)控制以及主動(dòng)缺相運(yùn)行策略等基礎(chǔ)科學(xué)問題。全面掌握了該電機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理、通用設(shè)計(jì)理論與分析方法、控制策略及實(shí)現(xiàn)方法等關(guān)鍵技術(shù)，并試制研制了多種規(guī)格多相定子永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成了較為系統(tǒng)完整的理論與技術(shù)體系，發(fā)表期刊論文60篇，SCI收錄32篇，獲授權(quán)發(fā)明專利24件。相關(guān)成果獲2016年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，培養(yǎng)了2名IEEE Fellow、1名優(yōu)青等高層次人才。