定子永磁型無刷電機

定子永磁型無刷電機是一類永磁體和電樞繞組均位於定子的新型永磁無刷電機，可方便地對永磁體和電樞繞直接冷卻以控制其溫度，並易於通過“永磁十電勵磁”實現對電氣隙磁場的直接控制，從而獲得無刷電機的寬範圍調速;凸極轉子既無永磁體也無繞組，結構簡單可靠，適合高速運行;該電機兼具功率密度高、效率高、容錯性能好、控制靈活等特點。

基本介紹

• 中文名：定子永磁型無刷電機
• 外文名：Stator permanent magnet type brushless motor
• 類型：電力設備
• 優點：效率高、控制靈活
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

永磁無刷直流電動機是近年來隨著電力電-技術和永磁材料的發展，而迅速發展起來的一種導型電機。在傳統轉子永磁型電機中，永磁體位於機轉子側，根據永磁體位置的不同，可以分為4種基本結構:1}表面貼裝式;2}內嵌式3)徑向內嵌式;4)切向內嵌式。相對於傳統的工流電機和異步電機，轉子永磁型電機具有更高的工率密度和效率，受到廣泛重視並已獲得廣泛萬用。但是，轉子永磁型電機通常需要對轉子特別加固措施以克服高速運轉時的離心力，如安a由非金屬纖維材料或不鏽鋼製成的套筒等，不僅E致其結構複雜，製造成本高，而且增大了等效氣隙降低了電機性能。同時，永磁體安放在轉子上，倡熱困難，引起的溫升可能會導致永磁體發生不可丈退磁，限制電機出力，減小功率密度等。為克服_

述轉子永磁型電機的缺點，近年出現了將永磁體倒置於定子側的定子永磁型無刷電機，受到了日益廠泛的關注。

定子永磁型無刷電機的分類

早在1955年，美國學者Rauch和Johnson就開始研究永磁體方置於定子上的新型永磁無刷電機，圖2所示即為最早出現的定子永磁型無刷電機結構示意圖。該電機提出時作為一台單相永磁發電機運行，其工作原理如下:當轉子在圖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，此時永磁體產生的磁通都會從左至右地進入上下兩個繞組中。而當轉子移動到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為從右至左。由此，固定在定子驪部的電樞線圈中匝鏈的磁鏈極性和數量都會隨著轉子位置而改變，於是會在繞組中感應出交變電動勢。但由於受到當時永磁體性能等因素的限制，此電機的電磁性能落後於直流電機和同步電機等電勵磁電機，因此在此後的幾十年中未受到重視。

隨著以錢鐵硼(NdFeB )為代表的新型稀土永磁材料的出現和功率電子學、計算機技術、控制理論的發展，從20世紀90年代開始，陸續出現了三種

新型結構的定子永磁型無刷電機及其驅動系統，如圖3所示。這3種結構分別為: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構上最明顯的特點是永磁體均置於定子，轉子上既無永磁體又無繞組，因此，將它們統稱為定子永磁型無刷電機。

DSPM電機

雙凸極永磁電機，即DSPM電機，實質屬於“開關磁阻電機+定子永磁體勵磁”的結構。在DSPM電機中，切向充磁的永磁體內嵌在電機定子驪部。隨著轉子旋轉，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，該電機應屬於無刷直流(brushless DC BLDC)電機的範疇。但可以通過對電機定轉子進行特殊設計來得到正弦感應電勢，圖4(b)所示即為採用斜槽轉子時的每相空載感應電勢和電樞電流波形，此時電機可採用無刷交流(brushless AC } BLAC)電機的控制方式。另外，DSPM電機可以採用多種定轉子齒槽配合，除圖5所示三相定子12槽/轉子8極結構外，也有如單相定子4槽/轉子6極和四相定子8槽/轉子6極的結構。

FRPM電機

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。其結構特點是，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，當轉子旋轉到不同的永磁體下面與定子齒對齊時，根據磁阻最小原理，極性相反的永磁磁通就會穿過定子側的繞組，從而在電樞繞組中匝鏈極性和數值都隨轉子位置變化的永磁磁通並感應出電動勢。需要注意的是，不同於DSPM電機，FRPM電機的電樞繞組磁鏈呈現雙極性，在FRPM電機中，也可以通過轉子斜槽來獲得正弦的電樞感應電勢。 在FRPM電機中，由於永磁體處於定子齒表面，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，並且減小了電樞電感的變化範圍，進而使得磁阻轉矩的幅值相對於永磁轉矩可以忽略不計。圖7給出兩台多極FRPM電機結構，永磁體分別貼於定子齒表面和內嵌於定子齒端部。此外，可以將FRPM電機設計成具有互補繞組的三相FRPM結構，通過特別的定子齒與轉子極配合，雖然單個線圈電勢為非正弦，但每相繞組電勢由於互補作用而呈現較好的正弦度。

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，並且功率因數較低，這些因素在一定程度上限制了該電機的發展。

FSPM電機

在3種定子永磁型電機中，磁通切換永磁電機，即FSPM電機的定子結構相對較為複雜。圖8給出一台三相定子12槽/轉子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並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，使得轉子齒與同一相線圈下分屬於兩個U型單元的定子齒分別對齊時，繞組裡匝鏈的永磁磁鏈極性會改變，實現了所謂“磁通切換”，如圖9所示。因此，隨轉子位置變化，在FSPM電機的電樞繞組中會匝鏈交變的永磁磁鏈，進而產生感應電勢。

定子永磁型無刷電機特點對比

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

1)轉矩產生機理相同。傳統的直流電機、感應電機以及同步電機，都屬於雙邊磁場電機，即勵磁磁場在一邊(定子或轉子)，電樞磁場在另一邊(轉子或定子)，定轉子之間的相對運動使電樞繞組中的磁鏈發生交變，從而感應出電勢，當繞組中通入電流後，電流與電勢相互作用實現機電能量轉換。而定子永磁型電機的勵磁源和電樞繞組都位於定子，它依靠定子直流勵磁源與轉子凸極的調製作用，使定子繞組中的磁鏈發生交變，從而產生感應電勢與電磁轉矩，實現機電能量轉換;

2)定、轉子鐵心結構類似，均呈凸極結構;

3)永磁體和電樞繞組均位於定子，與轉子永磁型電機相比，可方便地對永磁體進行直接冷卻，從而控制其溫升;

4)凸極轉子僅由導磁材料構成，既無永磁體，也沒有繞組，結構特別簡單可靠，並且易於和某些套用對象直接藕合，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，由於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，其轉矩密度也相對較低;而FSPM電機的永磁體用量較多，並且磁鏈為雙極性，其轉矩密度較高。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，更適合採用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。

定子永磁型無刷電機設計方法

由於定子永磁型電機的結構和轉矩產生機理與傳統轉子永磁型電機有明顯區別，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的初始值，是電機設計及最佳化的基礎。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象及處理方法 永磁體位於定子，導致定子永磁型無刷電機中出現了一些轉子永磁型電機中所沒有的特殊電磁現象，給該類電機分析與設計提出了新的挑戰。下文對這些特殊的電磁現象進行敘述:

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子位置而有所變化，可能在外圍的金屬機殼中產生額外的渦流損耗，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徑處貫穿至外徑處，並直接與機殼相接，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，但三維有限元分析複雜而耗時，為簡化分析，可在二維有限元分析基礎上，引入端部效應係數對二維分析結果進行修正。

3)直流偏置磁場及其對鐵耗的影響。

由於永磁體位於電機定子，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生渦流損耗，但它增加了鐵心飽和，並使磁滯回線不對稱(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。

定子永磁型無刷電機的套用

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、節能環保等特點，受到了高度重視，並獲得日益廣泛的套用。電機驅動系統是電動汽車的心臟。但電動汽車的特殊運行環境和條件，要求電機系統體積小、重量輕、效率高、可靠性強、免維護、轉矩出力大等。特別是在混合動力汽車中，電機系常與內燃機集成為一體，環境溫度高，對電機系統的冷卻散熱提出了嚴峻挑戰。

在定子永磁型電機中，永磁體和電樞繞組均位於定子側，易於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。圖給出一台混合動力汽車用三相定子12槽/轉子10極FSPM電機，該電機採用模組化結構，可以顯著提高電樞繞組槽滿率，並減小繞組端部尺寸，使得電機更為緊湊，進一步提高汽車空間利用率。

飛輪儲能領域

在飛輪儲能系統中，電機驅動飛輪高速旋轉，將電能轉換成飛輪的旋轉機械能，使得飛輪儲能系統非常適合用作電網能量緩衝器和可再生能源發電系統的儲能裝置等。但是，採用傳統轉子永磁電機驅動的飛輪儲能系統，即使既不充電也不放電，飛輪處於待機儲能狀態時，高速旋轉的永磁體，將在電機鐵心中產生大量損耗，不僅增加了發熱量，給飛輪系統的散熱提出了更高要求，而且導致儲能時間只能維持數分鐘甚至更短，極大地限制了套用範圍。

定子永磁型電機的轉子由整塊矽鋼片疊壓而成，結構簡單堅固，非常適合高速運行，令電機轉子與飛輪直接藕合，可以顯著提高飛輪儲能系統的能量轉換效率及運行可靠性。尤其是使用磁通記憶永磁電機，在飛輪儲能系統進行能量轉換前對永磁體充磁，在能量轉換完成後再對其去磁，避免了轉子隨飛輪旋轉所產生的鐵心損耗，飛輪在儲能待機狀態近似零損耗。在飛輪放電時，更可根據飛輪轉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。

軌道交通領域

城市軌道交通所使用的驅動電機主要有旋轉電機和直線電機兩種。與旋轉電機驅動方式相比，直線電機驅動方式具有諸多優點，如結構簡單、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，直線感應電機驅動的軌道交通線路已獲得廣泛套用，但直線感應電機的效率和功率因數低;直線式永磁同步電機具有效率高、功率密度高、體積小、性能好等優點，但是傳統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，製造和維護成本高，限制了其在城市軌道交通等長定子套用場合中的使用。