定子永磁型無刷電機系統

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+電勵磁”實現對電機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。介紹了定子永磁型無刷電機的基本結構與工作原理，總結了它們的共性規律和個性差別，對其分析設計方法、控制策略等關鍵技術進行綜述，討論了多種磁通調節方案和容錯控制策略，分析了該電機系統在電動汽車、飛輪儲能、軌道交通等領域套用的可行性和潛力，最後對該電機系統的主要研究方向進行了展望。

基本介紹

• 中文名：定子永磁型無刷電機系統
• 外文名：Stator permanentmagnet type brushless motor system
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 特點：結構簡單、控制靈活
• 勵磁方式：永磁體

背景

永磁無刷直流電動機是近年來隨著電力電子技術和永磁材料的發展，而迅速發展起來的一種新型電機。在傳統轉子永磁型電機中，永磁體位於電機轉子側，根據永磁體位置的不同，可以分為右圖所示的4種基本結構:表面貼裝式；內嵌式；徑向內嵌式；切向內嵌式。

4種典型的轉子永磁型電機結構

相對於傳統的直流電機和異步電機，轉子永磁型電機具有更高的功率密度和效率，受到廣泛重視並已獲得廣泛套用。但是，轉子永磁型電機通常需要對轉子採取特別加固措施以克服高速運轉時的離心力，如安裝由非金屬纖維材料或不鏽鋼製成的套筒等，不僅導致其結構複雜，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，散熱困難，引起的溫升可能會導致永磁體發生不可逆退磁，限制電機出力，減小功率密度等。為克服上述轉子永磁型電機的缺點，近年出現了將永磁體安置於定子側的定子永磁型無刷電機，受到了日益廣泛的關注。

定子永磁型無刷電機結構與工作原理

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。該電機提出時作為一台單相永磁發電機運行。

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。這3種結構分別為:1)雙凸極永磁(DSPM)電機；2)磁通反向永磁(FRPM)電機；3)磁通切換永磁(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。

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分析與設計方法

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。

等效磁網路模型

目前，有限元法因計算精度高、適應性強以及商業化軟體成熟度高等原因，已成為電機電磁特性分析計算最常用的方法。儘管如此，在電機設計階段，特別是電機最佳化設計階段，常需不斷調整電機結構參數以搜尋最優解。而每當電機結構尺寸改變，就要對電機重新剖分，前處理工作量大，效率低。因此，探尋一種快速有效的電磁特性計算方法便成為定子永磁無刷電機研究的另一關鍵技術。

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。

DSPM電機的空載永磁磁場分布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[39]

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，已有分析結果表明，三維電樞繞組磁鏈約為二維計算結果的85%-95%。

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，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。

控制策略

基本控制策略

根據電樞電流波形的不同，可以將定子永磁型無刷電機的控制方式分為BLDC和BLAC兩種，分別適用於電樞繞組每相空載感應電勢為梯形波和正弦波的情況。

對於BLDC方式，有電流斬波控制(CCC)和角位置控制(APC)兩種基本模式，分別適用於電機運行於基速以下的恆轉矩區和基速以上的恆功率區。對於BLAC方式，可以採用磁場定向控制，如矢量控制等。此外，針對不同套用需求，還可以採用電流滯環PWM控制、電壓空間矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。

轉矩脈動抑制策略

定子永磁型無刷電機的雙凸極結構決定了該電機的轉矩脈動可能較大，因此，如何有效抑制轉矩脈動是該類電機的重要研究問題。抑制轉矩脈動主要可從兩個方面入手:一是合理設計電機的定轉子齒槽配合以及齒形、槽型等;二是採用合理的控制策略。對於一台已有的定子永磁電機而言，控制策略則是抑制轉矩脈動的關鍵。轉矩脈動抑制策略主要有導通角控制法和諧波電流注入法等。

需要指出的是，通過合理設計電機結構和電磁參數，配合適當的控制策略，定子永磁型無刷電機的轉矩脈動水平完全可以達到甚至優於傳統轉子永磁型電機的水平。

磁通控制

機械式弱磁

與轉子永磁型電機類似，定子永磁型無刷電機的氣隙磁場主要決定於永磁磁勢，因而基本保持不變。而電樞繞組空載感應電勢近似與轉子速度成正比。因此，無論作為電動機或發電機運行，所允許的轉速範圍十分有限，極大地限制了其套用領域。如何對永磁電機的氣隙磁場進行有效調節，成為永磁電機研究中的一大難點。但定子永磁型無刷電機的永磁體位於定子，為構建磁通可控永磁無刷電機提供了有利條件。

分裂繞組方法

當電機結構參數和外加電壓一定時，電機的最大轉速與繞組匝數及氣隙磁密成反比。在定子永磁型無刷電機中，氣隙磁密大小主要決定於永磁體，其數值不易改變。但通過分裂繞組改變每相繞組匝數則可有效擴展電機的調速範圍，尤其是定子永磁型無刷電機都採用集中電樞繞組，為採用分裂繞組提供了方便。

磁通記憶永磁電機

電勵磁和混合勵磁電機雖然可以通過調節勵磁電流的極性與大小來調整勵磁磁場，但勵磁繞組中不可避免的產生銅耗，降低電機整體效率。為此，近年來研究人員提出了一種磁通記憶定子永磁無刷電機，通過線上調節永磁體剩磁的大小來調節電機轉速，並保持電機高效率。右圖所示的雙層定子外轉子DSPM電機中，具有低矯頑力的永磁體(A1NiCo)和調磁繞組均位於定子內側，通過在調磁繞組中施加短時脈衝電流，可線上改變永磁體的磁化水平，從而達到線上調節電機氣隙磁場的目的。短時脈衝電流在調磁繞組中產生的損耗很小，可忽略不計。

電機結構

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，電機系統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。

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。

初級永磁型直線電機具備永磁電機的高效率和高功率密度的優點，同時由於永磁體和繞組均位於電機初級(動子側)，沿軌道鋪設的定子(次級)僅是導磁材料(如碳鋼)。該類電機可以顯著降低製造成本，基本不需維護，因此在軌道交通領域展現出良好的套用前景。

結語

敘述了定子永磁型無刷電機概念的提出、發展和套用，重點分析了3種類型電機的結構特點和運行原理、電磁特性和設計方法、控制策略以及高可靠性設計等關鍵理論與技術。總體而言，經過近20年的研究與發展，定子永磁型無刷電機系統的分析、設計與控制的基本理論體系已經形成，也揭示出定子永磁型無刷電機作為一種新型永磁無刷電機，具備高效率、高功率密度和高可靠性等優點，在電動汽車、飛輪儲能及軌道交通等領域展現出特有的優勢和良好的套用前景。

但是，作為一種結構和原理均新穎獨特的無刷電機系統，仍有許多理論問題和關鍵技術有待深入研究，主要有:

1)損耗與溫升。定子永磁型無刷電機的結構和工作原理決定了其損耗分布規律不同於傳統轉子永磁電機，如何準確分析計算其定轉子鐵心損耗、永磁體損耗等，仍是一個值得深入研究的課題。在損耗分析計算基礎上，研究不同冷卻條件下電機的溫升分布規律和計算規則，則是該電機獲得實際套用必須解決的關鍵問題之一。

2)振動與噪聲。定子永磁型無刷電機的雙凸極結構，不僅易導致切向力及轉矩的波動，也會導致徑向力波動，從而引起振動和噪聲，但至今尚未引起足夠的關注。

3)容錯電機與故障診斷。關於容錯電機結構設計和容錯控制策略已取得一定成果，但主要是針對電機開路故障。而電機系統短路故障的影響可能更為嚴重，如何設計電機結構和繞組參數，提高電機抗短路能力，以及如何準確診斷定子永磁型電機系統的故障，現有文獻甚少涉及。

4)轉矩脈動抑制。雖然已有不少文獻至力於減小電機系統的定位力矩和力矩脈動，但缺少系統性，對實際電機系統的研究開發指導性不強。

5)與套用相結合的電機新結構。作為一類新型特種永磁無刷電機系統，其未來不應著眼於取代面廣量大的傳統電機系統，而應主要著眼於充分挖掘定子永磁型電機系統的優勢和潛力，尋找與定子永磁型無刷電機系統特性高度契合的新套用或特殊套用，並針對性地設計開發電機新結構。