定子永磁型無刷電機定子永磁型無刷電機的應用

定子永磁型無刷電機電動汽車領域

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

在定子永磁型電機中，永磁體和電樞繞組均位于定子側(cè)，易于對永磁體和繞組進行直接冷卻，因此非常適合電動汽車領域。圖給出一臺混合動力汽車用三相定子12槽/轉(zhuǎn)子10極FSPM電機，該電機采用模塊化結(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，使得電機更為緊湊，進一步提高汽車空間利用率。

定子永磁型無刷電機飛輪儲能領域

在飛輪儲能系統(tǒng)中，電機驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成飛輪的旋轉(zhuǎn)機械能，使得飛輪儲能系統(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)的儲能裝置等。但是，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁電機驅(qū)動的飛輪儲能系統(tǒng)，即使既不充電也不放電，飛輪處于待機儲能狀態(tài)時，高速旋轉(zhuǎn)的永磁體，將在電機鐵心中產(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，而且導致儲能時間只能維持數(shù)分鐘甚至更短，極大地限制了應用范圍。

定子永磁型電機的轉(zhuǎn)子由整塊硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡單堅固，非常適合高速運行，令電機轉(zhuǎn)子與飛輪直接藕合，可以顯著提高飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率及運行可靠性。尤其是使用磁通記憶永磁電機，在飛輪儲能系統(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換前對永磁體充磁，在能量轉(zhuǎn)換完成后再對其去磁，避免了轉(zhuǎn)子隨飛輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的鐵心損耗，飛輪在儲能待機狀態(tài)近似零損耗。在飛輪放電時，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，使電機鐵耗最小，從而可以顯著提高能量利用效率，延長飛輪儲能時間。

定子永磁型無刷電機軌道交通領域

城市軌道交通所使用的驅(qū)動電機主要有旋轉(zhuǎn)電機和直線電機兩種 。與旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式相比，直線電機驅(qū)動方式具有諸多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、爬坡能力強、輪徑較小、隧道斷面小和線路設計自由度大等。較為常見的是直線感應電機和直線式永磁同步電機。目前，直線感應電機驅(qū)動的軌道交通線路已獲得廣泛應用，但直線感應電機的效率和功率因數(shù)低;直線式永磁同步電機具有效率高、功率密度高、體積小、性能好等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)直線永磁同步電機的電樞繞組和永磁體分別放置在電機的初級和次級，需沿軌道鋪設永磁體，制造和維護成本高，限制了其在城市軌道交通等長定子應用場合中的使用。2100433B

由于定子永磁型電機的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機有明顯區(qū)別，已有的永磁電機的分析設計理論和方法難以直接套用到定子永磁型電機。加上凸極齒尖等處的局部飽和明顯，以及直流偏置磁場、定子外漏磁等特有電磁現(xiàn)象，進一步增大了定子永磁型電機分析計算的難度。因此，自現(xiàn)代定子永磁型無刷電機問世以來，其分析設計方法就成為學者們的研究重點之一。

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

1)定子外漏磁。

在定子鐵心的外圍空間中有漏磁。因此，在進行電機電磁場分析時必須將求解域適當擴展，才能計入此漏磁。此外，定子外漏磁會隨著轉(zhuǎn)子位置而有所變化，可能在外圍的金屬機殼中產(chǎn)生額外的渦流損耗，形成局部過熱，在電機設計中有必要加以考慮。

2)端部漏磁。

DSPM電機和FSPM電機的永磁體從定子內(nèi)徑處貫穿至外徑處，并直接與機殼相接，因此三維端部效應較為顯著。沿著電機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確地分析這一端部效應，但三維有限元分析復雜而耗時，為簡化分析，可在二維有限元分析基礎上，引入端部效應系數(shù)對二維分析結(jié)果進行修正。

3)直流偏置磁場及其對鐵耗的影響。

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

定子永磁型電機主要有DSPM電機、FRPM電機和FSPM電機三類，每一類型電機在結(jié)構(gòu)上又有很多變化，它們既有共性，又有個體差異性。它們的共性主要體現(xiàn)在:

1)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理相同。傳統(tǒng)的直流電機、感應電機以及同步電機，都屬于雙邊磁場電機，即勵磁磁場在一邊(定子或轉(zhuǎn)子)，電樞磁場在另一邊(轉(zhuǎn)子或定子)，定轉(zhuǎn)子之間的相對運動使電樞繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而感應出電勢，當繞組中通入電流后，電流與電勢相互作用實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。而定子永磁型電機的勵磁源和電樞繞組都位于定子，它依靠定子直流勵磁源與轉(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)生感應電勢與電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(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)子永磁型電機相比，可方便地對永磁體進行直接冷卻，從而控制其溫升;

4)凸極轉(zhuǎn)子僅由導磁材料構(gòu)成，既無永磁體，也沒有繞組，結(jié)構(gòu)特別簡單可靠，并且易于和某些應用對象直接藕合，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，由于不同類型電機中永磁體用量和布置方式不同，導致其不同的性能和特點。比如，DSPM電機的永磁體用量較少，磁鏈為單極性，其轉(zhuǎn)矩密度也相對較低;而FSPM電機的永磁體用量較多，并且磁鏈為雙極性，其轉(zhuǎn)矩密度較高。此外，它們的感應電勢波形也不同，DSPM電機和FRPM電機的電勢波形基本呈梯形波，更適合采用BLDC控制模式，而FSPM電機的電勢具有正弦波形，更適合BLAC控制方式等。

在3種定子永磁型電機中，磁通切換永磁電機，即FSPM電機的定子結(jié)構(gòu)相對較為復雜。圖8給出一臺三相定子12槽/轉(zhuǎn)子10極的FSPM電機，該電機定子由12個U型導磁鐵心單元依次緊貼拼裝而成，每兩塊導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U型導磁鐵心圍成的槽中并排放置兩個集中電樞線圈的各一個圈邊，12個電樞線圈一共分成3組，每4個串連組成一相電樞繞組。正是這種獨特的設計，使得轉(zhuǎn)子齒與同一相線圈下分屬于兩個U型單元的定子齒分別對齊時，繞組里匝鏈的永磁磁鏈極性會改變，實現(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電機的電樞繞組中會匝鏈交變的永磁磁鏈，進而產(chǎn)生感應電勢。

磁通反向電機，即FRPM電機 ，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。其結(jié)構(gòu)特點是，在每個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，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到不同的永磁體下面與定子齒對齊時，根據(jù)磁阻最小原理，極性相反的永磁磁通就會穿過定子側(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出電動勢。需要注意的是，不同于DSPM電機，F(xiàn)RPM電機的電樞繞組磁鏈呈現(xiàn)雙極性，在FRPM電機中，也可以通過轉(zhuǎn)子斜槽來獲得正弦的電樞感應電勢。 在FRPM電機中，由于永磁體處于定子齒表面，使得電樞繞組具有較強的相間隔離作用，提高了該電機的容錯能力，并且減小了電樞電感的變化范圍，進而使得磁阻轉(zhuǎn)矩的幅值相對于永磁轉(zhuǎn)矩可以忽略不計。圖7給出兩臺多極FRPM電機結(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電機設計成具有互補繞組的三相FRPM結(jié)構(gòu)，通過特別的定子齒與轉(zhuǎn)子極配合，雖然單個線圈電勢為非正弦，但每相繞組電勢由于互補作用而呈現(xiàn)較好的正弦度。

但是，在FRPM電機中，相鄰永磁體之間的漏磁較為嚴重，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的發(fā)展。

雙凸極永磁電機，即DSPM電機，實質(zhì)屬于“開關磁阻電機 定子永磁體勵磁”的結(jié)構(gòu)。在DSPM電機中，切向充磁的永磁體內(nèi)嵌在電機定子驪部。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電勢波形和電樞電流波形劃分，該電機應屬于無刷直流(brushless DC BLDC)電機的范疇。但可以通過對電機定轉(zhuǎn)子進行特殊設計來得到正弦感應電勢，圖4(b)所示即為采用斜槽轉(zhuǎn)子時的每相空載感應電勢和電樞電流波形，此時電機可采用無刷交流(brushless AC } BLAC)電機的控制方式。另外，DSPM電機可以采用多種定轉(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)。

早在1955年，美國學者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，圖2所示即為最早出現(xiàn)的定子永磁型無刷電機結(jié)構(gòu)示意圖。該電機提出時作為一臺單相永磁發(fā)電機運行，其工作原理如下:當轉(zhuǎn)子在圖2所示的A, B, C, D四個不同位置分別與定子齒對齊時，在A位置和D位置磁路完全相同，此時永磁體產(chǎn)生的磁通都會從左至右地進入上下兩個繞組中。而當轉(zhuǎn)子移動到B或C時，為永磁磁通提供了不同的路徑，進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)量都會隨著轉(zhuǎn)子位置而改變，于是會在繞組中感應出交變電動勢。但由于受到當時永磁體性能等因素的限制，此電機的電磁性能落后于直流電機和同步電機等電勵磁電機，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、計算機技術(shù)、控制理論的發(fā)展，從20世紀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及其驅(qū)動系統(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2)磁通反向永磁(flux reversal permanent magnetFRPM)電機; 3)磁通切換永磁(flux-switchingpermanent magnet FSPM)電機。這3種新型永磁無刷電機在結(jié)構(gòu)上最明顯的特點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。

永磁無刷直流電動機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)展起來的一種導型電機。在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機中，永磁體位于機轉(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。相對于傳統(tǒng)的工流電機和異步電機，轉(zhuǎn)子永磁型電機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)子永磁型電機通常需要對轉(zhuǎn)子特別加固措施以克服高速運轉(zhuǎn)時的離心力，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)復雜，制造成本高，而且增大了等效氣隙降低了電機性能。同時，永磁體安放在轉(zhuǎn)子上，倡熱困難，引起的溫升可能會導致永磁體發(fā)生不可丈退磁，限制電機出力，減小功率密度等。為克服_

述轉(zhuǎn)子永磁型電機的缺點，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，受到了日益廠泛的關注。

《永磁直流無刷電機實用設計及應用技術(shù)》是上海科學技術(shù)出版社出版的一本圖書。

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

針對風電單機容量不斷增大、向海上發(fā)展等所面臨的機組體積與重量日益增大，制造、安裝、維護更加困難，對機組可靠性要求越來越高等新形勢，本項目以提高風電系統(tǒng)能量效率及可靠性與容錯能力為目標，提出并研究了一種模塊化、容錯能力強的多相定子永磁型風力發(fā)電機系統(tǒng)。重點研究了該電機系統(tǒng)的電磁、結(jié)構(gòu)和冷卻設計理論與原則，建立了多相磁通切換型永磁風力發(fā)電機的數(shù)學模型，闡明了結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)與性能之間的映射關系，制定了該類型電機的一般設計原則和方法，為分析和設計該電機奠定了基礎。發(fā)現(xiàn)了定子永磁型電機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熱、接觸熱阻模擬、場路耦合等功能的精細化多場耦合仿真平臺，實現(xiàn)了對電機進行完整、精確的電磁熱性能參數(shù)仿真計算。從元件級（電機本體與變流器）至系統(tǒng)級（多相定子永磁型風力發(fā)電系統(tǒng)），建立了完善的高可靠性設計方案與故障下的高性能容錯運行方案，提高了多相永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。創(chuàng)建了涵蓋葉輪、變流器、電機定子繞組不對稱、定子繞組短路、定子繞組開路等不同故障的永磁風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷理論與方法，為實現(xiàn)高性能容錯運行奠定了重要基礎。此外，還研究了多相繞組的連接規(guī)則與協(xié)同控制、多目標最優(yōu)控制以及主動缺相運行策略等基礎科學問題。全面掌握了該電機系統(tǒng)的基本工作原理、通用設計理論與分析方法、控制策略及實現(xiàn)方法等關鍵技術(shù)，并試制研制了多種規(guī)格多相定子永磁型風力發(fā)電機，構(gòu)建了實驗平臺，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。相關成果獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎等獎勵，培養(yǎng)了2名IEEE Fellow、1名優(yōu)青等高層次人才。