永磁电机设计概述

第1章绪论

§1.1. 无刷式永磁电机的发展概况

§1.1.1.问题的提出

据数据统计，全世界每年的用电量达到15万亿千瓦时，并且每年还在以5000亿千瓦时的速度在递增[1]。随着我国经济的发展，能源供应已经处于相对短缺的阶段[2]。另一方面，电机驱动和调速系统的应用领域也在不断扩大，对电机本体及其控制系统的技术经济指标也提出了越来越高的要求[3-5]。例如，近年来快速发展的电动汽车，就是电机驱动系统的一个崭新的应用领域，它不仅要求电机体积小，重量轻，效率高，而且还要求电机可靠性高，免维护，可控性好，调速范围宽等，以适应电动汽车能源有限、工作环境恶劣、频繁起动、速度变化范围大等特点[6]。

在电力电子器件发生革命性突破之前，在变速驱动领域，传统的有刷直流电机因其优异的调速性能，在过去相当长的时间内一直占据主要地位。但由于机械式电刷与换向器的存在，使该电机的可靠性大为降低，需要经常维护，应用受到极大限制，近年来被逐步取代。交流感应电动机结构简单可靠，基本不需维护，但该电机的速度可控性较差，效率和功率因数也较低[1, 7]。

随着永磁材料的更新换代[8]，国内外对各种新型结构永磁励磁式电机的研究越来越多，在很多场合永磁电机已经取代了传统直流电机和感应电机[9, 10]。同时，由于我国是稀土大国[8, 11]，研究和推广新型稀土永磁电机具有更重要的理论意义和实用价值。根据永磁体的安放位置，本文将现有的永磁电机主要分为转子永磁型和定子永磁型，下面将简要介绍目前国内外出现的这两类永磁电机结构。

§1.1.2.转子永磁型

长期以来，国内外学者研究较多的永磁电机大都采用转子永磁型[12-20]，这是因为传统的交流同步电机都将建立气隙主磁场的励磁绕组安装在转子极上。而在转子永磁型电机中，利用永磁材料代替励磁绕组，减小了铜耗，电动机体积和重量大为减小，结构简单，维护方便，运行可靠，在功率密度、转矩惯性和效率方面都超过了传统的直流电机和异步电机，是高效节能电机的一个重要发展方向，近几十年来受到广泛重视[5]。但这种电机由于将永磁体放置在转子上，为克服高速运转时的离心力，需要对转子采取特别的辅助措施，如安装由不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置等，导致其结构较复杂，制造成本提高。同时永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，而温升可能会最终导致永磁铁发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度等，制约了电机性能的进一步提高[16]。

图 1-1为目前国内外主要研究的四种转子永磁型的电机结构[10, 15]。可见，四种电机的定子相同，绕组可以采用集中绕组或分布绕组。一般来说[16]，集中绕组主要用于无刷直流电机（Brushless DC motor，本文简称BLDC电机，其每相绕组产生的反电动势为梯形波，控制电流为方波），而分布绕组主要用于无刷交流电机（Brushless AC motor，本文简称BLAC电机，国内一般称之为永磁同步电机[10]，每相绕组反电动势和控制电流都为正弦波形）。

其中，图 1-1(a)称为表面贴装式（Surface-Mounted），顾名思义永磁体固定在圆柱型的转子表面。由于永磁体材料和空气的相对导磁率近似相等，因此这种电机无凸极效应，即交轴电感（L q）和直轴电感（L d）相等，从转矩出力的角度来说，缺少了由于交直轴电感不等而产生的磁阻转矩分量[21, 22]。

图 1-1(b)所示的电机与表面贴装式结构相似，只是转子做成了凸极结构，而将永磁体嵌在凹进去的部分，因此称为插入式（Inset）。该电机由于L d

图 1-1(c)和(d)的两种电机从本质上来说属于同一种电机，统称为内嵌式（Interior ）[10, 11, 16]，即将永磁体嵌入在转子铁心内部，都具有聚磁效应，气隙磁场密度可以设计得较大。两者唯一的不同就是永磁体的排放位置，导致前者永磁体产生的磁通为径向，称之为径向内嵌式（Radial Interior ）。而后者产生的永磁磁通为切向（或者说周向，Circumferential Interior ），故称之为切向内嵌式。

其它形形色色的转子永磁型电机拓扑结构都是在这四种基本结构上改进而来的。针对这四种电机国内外出现了大量的的研究文献，其设计程序、研究方法、控制策略等相对都已经较为成熟。

(a) (b)

(c) (d)

图 1-1 四种典型的转子永磁型电机

(a) 表面贴装式，(b) 插入式，(c) 径向内嵌式，(d) 切向内嵌式

§1.1.3. 定子永磁型

针对前面提到的转子永磁型电机的缺点，很自然地就会联想到定子永磁型的结构。其实早在上世纪50年代，美国学者Rauch 和Johnson 就开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机[23]，图 1-2所示的就是最早出现的定子永磁型电机结构示意图，其提出时是作为永磁式发电机运行的。工作原理是当转子极在图中所示的ABCD 四个不同位置与定子齿对齐时，在A 位置和C 位置磁路是完全相同的，此时永磁体发出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 或者D 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。这样，固定在定子轭部的电枢绕组中匝链的磁通无论是极性还是数量都会随着转子位置而改变，根据法拉第定律，就会在绕组开路两端感应出交变的反电动势，可以直接输出。如果再与外部的整流装置相连，还可以将交变电压整流为直流电压输出。

但由于当时的永磁体材料性能较差，磁能积很低，导致满足一定输出电压需求的电机本体需要设计得很大，不能满足实际应用的需要，所以早期并未引起足够的重视。然而，该电机却为后来出现的其它定子永磁型电机奠定了理论基础。

图 1-2 最早出现的定子永磁型电机（AIEE，1955年）

随着以钕铁硼（NdFeB）为代表的新型稀土永磁材料的出现[8, 10, 11]和功率电子学、计算机、控制理论的发展[17]，从上世纪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，分别为：

1.1992年由美国学者T. A. Lipo教授提出的双凸极永磁电机（Doubly-Salient Permanent Magnet Motor）[24]，在本文中简称为DSPM电机，见图 1-3。

2.1996年由罗马尼亚学者I. Boldea提出的磁通反向电机（Flux Reversal Machine）[25]，本文简称FRM电机，见图 1-4。

3.1997由法国学者E. Hoang提出的磁通切换型永磁电机（Flux-Switching Permanent Magnet Machine）[26]，本文简称FSPM电机，这也正是本课题主要研究的电机类型，见图 1-5。

这三种新型永磁无刷电机在结构上有很多共同点，比如定转子铁心都为双凸极结构，皆采用集中绕组，永磁体都置于定子，转子上既无永磁体又无绕组等。目前的研究成果表明这三种电机都具有高功率密度、高效率等优点[24-31]。虽然这三种电机因永磁体的安放位置而都属于定子永磁型电机的范畴，但工作原理却又有很大的不同，且优缺点并存。

首先看DSPM电机，实际上它是属于“开关磁阻电机＋永磁体”的结构[24]，因此从电磁特性和控制策略来说，也与开关磁阻电机[32]有很多相似之处。如果从其每相空载反电动势波形和电流控制方法划分，又应该属于无刷直流电机。但由于其永磁磁链为单极性且电感在一个转子周期内只变化一次，这些都与传统意义上的转子永磁型无刷直流电机不同，导致在控制策略上也有其特点，例如在恒转矩区一般采用固定开通关断角控制斩波参考电流的方式，称之为电流斩波控制（current-chop-control，简称CCC）。而在恒功率区，则固定参考电流，通过调节开通关断角来控制输出转矩，称之为角度位置控制（angle-position-control，简称APC）[27]。

到目前为止，关于DSPM电机的研究文献较多，从静态特性分析、工作原理、设计方法、控制策略和实验研究等各方面都有相关报道[27, 28, 33-38]。此外，在永磁励磁的结构基础之上，针对永磁磁场难以调节的缺点，又相继出现了基于DSPM电机的混合励磁双凸极电机（在定子上增加了一套调节气隙磁场的励磁绕组）[39]和电励磁式双凸极电机（无永磁体，励磁、电枢两套绕组都安装在定子）[40]，目前都在研究之中。

值得注意的是，在文献[28]中，以东南大学程明教授为首的课题组针对四相8/6极DSPM电机，提出了可以通过转子斜槽减少永磁磁链、反电动势和电感中的高次谐波分量，使其接近正弦分布，进而分析了该电机从四相变为两相运行的可行性，并有实验结果报道[37, 38]。但还只是局限于采用与反电动势同相位的电流控制方式，其等同于矢量控制中的直轴电流为零，即i d=0控制（详见第7章）。

由此，在本文中进一步深入下去，引发了一个新的思路，即将永磁同步电机的矢量控制方式[41]完全引进到DSPM电机中，从而通过最大转矩/电流比控制、恒磁链控制和满功率因数控制[42]等方式更加丰富多变地控制该类型电机。关于DSPM电机在转子坐标系下的交直轴数学模型和具体矢量控制方式的应用将分别在本文的附录C和第9章中详细分析。