[科普中国]-定子永磁型无刷电机

简介

永磁无刷直流电动机是近年来随着电力电-技术和永磁材料的发展，而迅速发展起来的一种导型电机。在传统转子永磁型电机中，永磁体位于机转子侧，根据永磁体位置的不同，可以分为4种基本结构:1}表面贴装式;2}内嵌式3)径向内嵌式;4)切向内嵌式。相对于传统的工流电机和异步电机，转子永磁型电机具有更高的工率密度和效率，受到广泛重视并已获得广泛万用。但是，转子永磁型电机通常需要对转子特别加固措施以克服高速运转时的离心力，如安a由非金属纤维材料或不锈钢制成的套筒等，不仅E致其结构复杂，制造成本高，而且增大了等效气隙降低了电机性能。同时，永磁体安放在转子上，倡热困难，引起的温升可能会导致永磁体发生不可丈退磁，限制电机出力，减小功率密度等。为克服_

述转子永磁型电机的缺点，近年出现了将永磁体倒置于定子侧的定子永磁型无刷电机，受到了日益厂泛的关注。

定子永磁型无刷电机的分类早在1955年，美国学者Rauch和Johnson就开始研究永磁体方置于定子上的新型永磁无刷电机，图2所示即为最早出现的定子永磁型无刷电机结构示意图。该电机提出时作为一台单相永磁发电机运行，其工作原理如下:当转子在图2所示的A, B, C, D四个不同位置分别与定子齿对齐时，在A位置和D位置磁路完全相同，此时永磁体产生的磁通都会从左至右地进入上下两个绕组中。而当转子移动到B或C时，为永磁磁通提供了不同的路径，进入绕组中的磁通方向变为从右至左。由此，固定在定子骊部的电枢线圈中匝链的磁链极性和数量都会随着转子位置而改变，于是会在绕组中感应出交变电动势。但由于受到当时永磁体性能等因素的限制，此电机的电磁性能落后于直流电机和同步电机等电励磁电机，因此在此后的几十年中未受到重视。

随着以钱铁硼(NdFeB )为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电子学、计算机技术、控制理论的发展，从20世纪90年代开始，陆续出现了三种

新型结构的定子永磁型无刷电机及其驱动系统1，如图3所示。这3种结构分别为:1)双凸极永磁(doubly-salient permanent magnet DSPM)电机2)磁通反向永磁(flux reversal permanent magnetFRPM)电机; 3)磁通切换永磁(flux-switchingpermanent magnet FSPM)电机。这3种新型永磁无刷电机在结构上最明显的特点是永磁体均置于定子，转子上既无永磁体又无绕组，因此，将它们统称为定子永磁型无刷电机。

DSPM电机双凸极永磁电机，即DSPM电机，实质属于“开关磁阻电机+定子永磁体励磁”的结构。在DSPM电机中，切向充磁的永磁体内嵌在电机定子骊部。随着转子旋转，集中电枢绕组中匝链单极性永磁磁通如图4(a)所示。如果从每相电枢空载感应电势波形和电枢电流波形划分，该电机应属于无刷直流(brushless DC BLDC)电机的范畴。但可以通过对电机定转子进行特殊设计来得到正弦感应电势，图4(b)所示即为采用斜槽转子时的每相空载感应电势和电枢电流波形，此时电机可采用无刷交流(brushless AC } BLAC)电机的控制方式。另外，DSPM电机可以采用多种定转子齿槽配合，除图5所示三相定子12槽/转子8极结构外，也有如单相定子4槽/转子6极和四相定子8槽/转子6极的结构。

FRPM电机磁通反向电机，即FRPM电机1，是一种将永磁体直接安装在定子齿表面的定子永磁型无刷电机。其结构特点是，在每个定子齿与气隙接触的表面安装两块磁化方向相反的永磁体，当转子旋转到不同的永磁体下面与定子齿对齐时，根据磁阻最小原理，极性相反的永磁磁通就会穿过定子侧的绕组，从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置变化的永磁磁通并感应出电动势。需要注意的是，不同于DSPM电机，FRPM电机的电枢绕组磁链呈现双极性，在FRPM电机中，也可以通过转子斜槽来获得正弦的电枢感应电势。 在FRPM电机中，由于永磁体处于定子齿表面，使得电枢绕组具有较强的相间隔离作用，提高了该电机的容错能力，并且减小了电枢电感的变化范围，进而使得磁阻转矩的幅值相对于永磁转矩可以忽略不计。图7给出两台多极FRPM电机结构，永磁体分别贴于定子齿表面和内嵌于定子齿端部。此外，可以将FRPM电机设计成具有互补绕组的三相FRPM结构，通过特别的定子齿与转子极配合，虽然单个线圈电势为非正弦，但每相绕组电势由于互补作用而呈现较好的正弦度。

但是，在FRPM电机中，相邻永磁体之间的漏磁较为严重，永磁体涡流损耗也较大，并且功率因数较低，这些因素在一定程度上限制了该电机的发展。

FSPM电机在3种定子永磁型电机中，磁通切换永磁电机，即FSPM电机的定子结构相对较为复杂。图8给出一台三相定子12槽/转子10极的FSPM电机，该电机定子由12个U型导磁铁心单元依次紧贴拼装而成，每两块导磁铁心单元之间嵌有一块永磁体，永磁体沿切向交替充磁。每个U型导磁铁心围成的槽中并排放置两个集中电枢线圈的各一个圈边，12个电枢线圈一共分成3组，每4个串连组成一相电枢绕组。正是这种独特的设计，使得转子齿与同一相线圈下分属于两个U型单元的定子齿分别对齐时，绕组里匝链的永磁磁链极性会改变，实现了所谓“磁通切换”，如图9所示。因此，随转子位置变化，在FSPM电机的电枢绕组中会匝链交变的永磁磁链，进而产生感应电势。

定子永磁型无刷电机特点对比定子永磁型电机主要有DSPM电机、FRPM电机和FSPM电机三类，每一类型电机在结构上又有很多变化，它们既有共性，又有个体差异性。它们的共性主要体现在:

1)转矩产生机理相同。传统的直流电机、感应电机以及同步电机，都属于双边磁场电机，即励磁磁场在一边(定子或转子)，电枢磁场在另一边(转子或定子)，定转子之间的相对运动使电枢绕组中的磁链发生交变，从而感应出电势，当绕组中通入电流后，电流与电势相互作用实现机电能量转换。而定子永磁型电机的励磁源和电枢绕组都位于定子，它依靠定子直流励磁源与转子凸极的调制作用，使定子绕组中的磁链发生交变，从而产生感应电势与电磁转矩，实现机电能量转换;

2)定、转子铁心结构类似，均呈凸极结构;

3)永磁体和电枢绕组均位于定子，与转子永磁型电机相比，可方便地对永磁体进行直接冷却，从而控制其温升;

4)凸极转子仅由导磁材料构成，既无永磁体，也没有绕组，结构特别简单可靠，并且易于和某些应用对象直接藕合，集成一体1;

5)电枢绕组多为集中式绕组，端部短，用铜少，电枢绕组的电阻小，铜耗低。 另一方面，由于不同类型电机中永磁体用量和布置方式不同，导致其不同的性能和特点。比如，DSPM电机的永磁体用量较少，磁链为单极性，其转矩密度也相对较低;而FSPM电机的永磁体用量较多，并且磁链为双极性，其转矩密度较高。此外，它们的感应电势波形也不同，DSPM电机和FRPM电机的电势波形基本呈梯形波，更适合采用BLDC控制模式，而FSPM电机的电势具有正弦波形，更适合BLAC控制方式等。

定子永磁型无刷电机设计方法由于定子永磁型电机的结构和转矩产生机理与传统转子永磁型电机有明显区别，已有的永磁电机的分析设计理论和方法难以直接套用到定子永磁型电机。加上凸极齿尖等处的局部饱和明显，以及直流偏置磁场、定子外漏磁等特有电磁现象，进一步增大了定子永磁型电机分析计算的难度。因此，自现代定子永磁型无刷电机问世以来，其分析设计方法就成为学者们的研究重点之一。

如何依据电机的性能要求和给定条件，确定电机的主要尺寸以及绕组参数的初始值，是电机设计及优化的基础。DSPM电机的尺寸功率方程，具体为定子永磁型无刷电机特殊电磁现象及处理方法 永磁体位于定子，导致定子永磁型无刷电机中出现了一些转子永磁型电机中所没有的特殊电磁现象，给该类电机分析与设计提出了新的挑战。下文对这些特殊的电磁现象进行叙述:

1)定子外漏磁。

在定子铁心的外围空间中有漏磁。因此，在进行电机电磁场分析时必须将求解域适当扩展，才能计入此漏磁。此外，定子外漏磁会随着转子位置而有所变化，可能在外围的金属机壳中产生额外的涡流损耗，形成局部过热，在电机设计中有必要加以考虑。

2)端部漏磁。

DSPM电机和FSPM电机的永磁体从定子内径处贯穿至外径处，并直接与机壳相接，因此三维端部效应较为显著。沿着电机轴向靠近端部处磁密明显降低，通过三维有限元分析可较准确地分析这一端部效应，但三维有限元分析复杂而耗时，为简化分析，可在二维有限元分析基础上，引入端部效应系数对二维分析结果进行修正。

3)直流偏置磁场及其对铁耗的影响。

由于永磁体位于电机定子，导致定子铁心中存在直流偏置磁场。磁密的径向分量和切向分量都是由一个交变分量叠加一个直流分量。直流磁场虽然不会直接在铁心中产生涡流损耗，但它增加了铁心饱和，并使磁滞回线不对称(如图16所示)，从而导致定子铁心磁滞损耗增大，在电机的损耗计算中需要特别加以考虑。

定子永磁型无刷电机的应用电动汽车领域电动汽车/混合动力汽车以其超低的排放甚至零排放、节能环保等特点，受到了高度重视，并获得日益广泛的应用。电机驱动系统是电动汽车的心脏。但电动汽车的特殊运行环境和条件，要求电机系统体积小、重量轻、效率高、可靠性强、免维护、转矩出力大等。特别是在混合动力汽车中，电机系常与内燃机集成为一体，环境温度高，对电机系统的冷却散热提出了严峻挑战1。

在定子永磁型电机中，永磁体和电枢绕组均位于定子侧，易于对永磁体和绕组进行直接冷却，因此非常适合电动汽车领域。图给出一台混合动力汽车用三相定子12槽/转子10极FSPM电机，该电机采用模块化结构，可以显著提高电枢绕组槽满率，并减小绕组端部尺寸，使得电机更为紧凑，进一步提高汽车空间利用率。

飞轮储能领域在飞轮储能系统中，电机驱动飞轮高速旋转，将电能转换成飞轮的旋转机械能，使得飞轮储能系统非常适合用作电网能量缓冲器和可再生能源发电系统的储能装置等。但是，采用传统转子永磁电机驱动的飞轮储能系统，即使既不充电也不放电，飞轮处于待机储能状态时，高速旋转的永磁体，将在电机铁心中产生大量损耗，不仅增加了发热量，给飞轮系统的散热提出了更高要求，而且导致储能时间只能维持数分钟甚至更短，极大地限制了应用范围。

定子永磁型电机的转子由整块硅钢片叠压而成，结构简单坚固，非常适合高速运行，令电机转子与飞轮直接藕合，可以显著提高飞轮储能系统的能量转换效率及运行可靠性。尤其是使用磁通记忆永磁电机，在飞轮储能系统进行能量转换前对永磁体充磁，在能量转换完成后再对其去磁，避免了转子随飞轮旋转所产生的铁心损耗，飞轮在储能待机状态近似零损耗。在飞轮放电时，更可根据飞轮转速的高低合理控制永磁体磁化水平，在保证正常放电的前提下，使电机铁耗最小，从而可以显著提高能量利用效率，延长飞轮储能时间。

轨道交通领域城市轨道交通所使用的驱动电机主要有旋转电机和直线电机两种2。与旋转电机驱动方式相比，直线电机驱动方式具有诸多优点，如结构简单、寿命长、爬坡能力强、轮径较小、隧道断面小和线路设计自由度大等。较为常见的是直线感应电机和直线式永磁同步电机。目前，直线感应电机驱动的轨道交通线路已获得广泛应用，但直线感应电机的效率和功率因数低;直线式永磁同步电机具有效率高、功率密度高、体积小、性能好等优点，但是传统直线永磁同步电机的电枢绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级，需沿轨道铺设永磁体，制造和维护成本高，限制了其在城市轨道交通等长定子应用场合中的使用。