偏磁电机的推理与探讨.doc

偏磁电机的推理与探讨朱正风 From Sydney (Australia)Abstract In this paper, it is be discoursed that the develop about the theory, characteristics and the main structure of the Bias Magnet Reluctance Motor (BMRM).It is along with introduced the relation between the doubly salient post permanent magnet reluctance motor and the hybrid-magnetic-circuit motor and the BMRM side. The article also mentioned the complementary magnetic of the anti-bias magnetic cogging and the main bias magnetic circuit, and finally to a typical as a single salient post and paste slice permanent magnet BMRM.摘要本文论述了偏磁电机的推演原理、特点和主要结构，并附带介绍了双凸极永磁磁阻电机和混合磁路电机与偏磁电机间关系。文中还提到了齿槽反偏磁与主磁路偏磁的互补，最后以一种单凸极永磁贴片偏磁电机作为两种偏磁配合的典型代表。一、磁阻电机分析图1以三相磁阻电机为例，(b) 为标准电路，(a) 为驱动电流波形。低速时，电机电流相当于矩形波。矩形波可用频谱分析为：直流+ 基波+ 3次谐波+ 5 次谐波(1)式（1）中直流成分，保证总磁通始终为单向磁通，是磁阻电机正常工作所必须的。 基波成分，相当于交流电机中，产生旋转磁场的那部分做工能量。三次、五次等高次谐波成分，是造成电机脉振、发热的有害成分。因此，保留直流成分和基波成分，选择绕组形式消除谐波成分，磁阻电机性能便能产生质的飞跃。二、星-角联接偏磁电机改变绕组结构，将磁阻电机每一个绕组都一分为二，改成两个独立绕组，一个为驱动绕组，另一个为偏磁绕组。 以三相电机为例，如图2 所示，将各相驱动绕组尾端全部连在一起，并使之空置，首端引出，各为A、B、C端点，相当于三相交流电机的星形接法。各相偏磁 绕组首、尾串联，引出、两端点。偏磁绕组的这种接法很类似于三相交流电机里的三角形接法，故也称之为角形联接。总之可简称为“星-角” 联接法。经上述改进后的电机，称为偏磁式磁阻电机，简称偏磁电机。所谓“偏磁”，既可用录音磁头偏磁原理解释，也可用“先均布磁场，后偏移其分布”来理解。三、驱动分析若新绕组匝数等于原绕组，偏磁绕组与驱动绕组可采用串联接法如图3所示。图中开关为电子开关，可以是可控硅、IGBT、功率三极管、FET等。如果图3所示Icc是一恒流源电源，可画出上述三相12拍通电的电流波形图，如图4所示。偏磁电机的反电势能加强阻尼效果，其单相电压简化方程式： (2)式(2)中右边第四项是偏磁磁势产生的反电动势，传统磁阻电机没有这一项。偏磁电机把驱动电流减小一倍，前三项都减小了一半，新增加的第四项使反电势正弦分量相对增强，补充了第三项反电势谐波成份大的缺点。相对强大的反电势能产生足够的电压反馈，改善电流波形，有效吸收谐波，抑制振荡。四、“ 极偶反接”法还有一种比较有实用意义的“极偶反接”法。所谓“极偶”指定子每相的磁极数必须是偶数，“反接”则是每偶数磁极串联绕组中，必须有半数偏磁与驱动绕组相对极性反向连接（其余同向连接称 “正接”），正、反接绕组所在磁极间距180度电角。图5以单相电机为例说明。(a) 为电机接线图，(b) 为简化电路图。由图5(b)可清楚看出，极偶反接，是把两相星角联接电机直接并为一相后，加以定义、推广形成的一种偶数相电机的并相联接。如果说星角联接是从相绕组外部联接关系上来消除偏磁与驱动绕组间相互干扰，极偶反接则是从每相内部去消除相互干扰的方法，因此极偶反接使相间联接方式更加灵活。六、开关磁阻电机方面的应用如果仍然采用普通开关磁阻电机典型的4相、6极、光电检测式机械结构，仅是改变定子绕组，使之成为“极偶反接”的二相偏磁电机接法，如图6所示。七、偏磁绕组的改进接法 仔细看一下图6.电路可发现：偏磁绕组的极性(虚线所示)排列，在整个定子内仅形成一对N、S极。在两个同极性偏磁磁极间的齿槽内，偏磁绕组正反向电流产生的磁场互相抵消。因此，分布于各磁极上的多对小偏磁绕组可用一对大的全极距绕组取而代之。这一对大的偏磁绕组的匝数与原来小偏磁绕组一样。图7以最简单的三相二极极偶反接式三角形接法为例，画出具体接线图。图中(a)为内部接线图，(b)为外部三角形接法接线图，(c) 为外部星形接法接线图。上述原理同样适用于其它极数、相数的极偶反接式、对偶反接式偏磁电机。同样适用于星角联接式偏磁电机。八、驱动绕组的改进 既然偏磁绕组可用全极距绕组取代；反之，若保持偏磁绕组不变(仍为集中式绕组角形联接)，驱动绕组同样可以用全极距大绕组代替。图8所示，为三相两极全极距驱动绕组的接线图。全极距驱动绕组，每个相线圈都包容全部磁极，相电感也能做到不随转子转动而变化， 因此谐波成分少，效率高。 全极距驱动绕组的匝数，只需单极距集中式绕组的一半就够了，同样达到节省铜线目的。九、永磁偏磁式磁阻电机以上所述励磁偏磁电机美中不足的是，偏磁绕组必须消耗一定能量。上述几种偏磁式磁阻电机，偏磁的产生可由永磁体直接串在极齿中担任。最简单的永磁偏磁电机只要把定子的每个极齿制作得短一点,在极齿上直接贴上一片永磁钢（充磁方向与偏磁方向相同），取消掉偏磁绕组就可以了。这种方案对开关磁阻电机是很实用的，但一些极齿较小的步进电机和低速电机就不好用了，这时就要把磁钢想办法放进铁芯中去。十、单定子结构以四相电机为例子，提出一种实用方案，如图9 所示。此结构，与美国人90年代发明的永磁双凸极磁阻电机（PMSRM）类似。在图9结构的基础上，很容易展开成直线电机、端面电机、盘式电机，以及外转子形式电机。这以直线电机为例，如图10所示。图11所示为采用叉指型磁极结构。永磁体为各向异性粘结型钕铁硼，注塑于两定子间，形成定子组件。也可使用瓦形与环形铁氧体磁铁在硅钢片叠片的同时进行组装的工艺。 十一、成双定子结构图12是轴向两段定、转子偏磁电机典型结构。其它的两定子对面排列设计成双气隙杯式、盘式电机，能更充分利用空间，缩小尺寸，减少材料消耗，提高效率，减轻转子惯量，提高反应速度，磁路分布更加合理，结构更加对称。尤其是轴向多盘组合结构，是低速电机一种较好选择。值得一提的是：混合式步进电机也是一种典型的成双定子（戓成双转子）径向磁路的偏磁电机变型结构，与图12相比，相当于在偏磁电机基础上，把其中一组定、转子同时扭转180度电角，达到将两段定子相应绕组绕向统一的目的。十二、齿槽偏磁原理磁阻电机的转子通常是不带磁的，被动地被定子磁场作用，因此定、转子间，仅能产生拉力而不产生斥力。相比之下，无刷直流电机定、转子间的相互作用既有拉力，又有排斥力，漏磁仅产生于定子戓转子本身相邻磁极的齿槽间，而定、转子间漏磁很少。图13是两种电机（磁阻电机为偏磁式磁阻电机）通入直流励磁后，手工转动转子，定子磁极的磁通、转角特性曲线图。其中磁阻电机的磁通为（去除谐波后的）理想化基波磁通。无刷直流电机磁通变化如下：零正最大值零负最大值零磁阻电机相应有： 最小最大最小值最大值最小仔细分析图13（b）无刷直流电机的定子磁极的磁通变化图：图中磁通正最大时，对应于某定子磁极与转子正磁极相对齐；磁通负最大时，对应某定子磁极与转子负磁极对齐。这两个状态，都有较强磁通穿过，其峰-峰值之差等于磁通变化量，少量漏磁不会造成大的影响。再看图13（a）磁阻电机定子磁极的磁通变化：磁通最大时，对应定、转子齿对齐；磁通最小时，相当于定、转子齿与槽对齐。由于磁阻电机仅有两个典型状态，齿-齿对齐时当然没问题，磁通越大越好；齿-槽对齐时，还有磁通便不好了，这就是漏磁了。磁阻电机如果能让齿-槽对齐时，制造适当的负向磁通。这样驱动绕组磁动势为零时，由于永磁作用，自动吸引对面极齿，使之趋向定、转子齿-槽相对齐；驱动磁动势较大时，由于形成与齿槽永磁相反磁势，二者互相排斥，推动定、转子趋向齿-齿相对齐位置。这与磁阻电机驱动磁势产生磁阻拉力的方向是一致的，因此产生两种力的叠加，能大幅提高单位体积输出力矩。 图14.在定子齿槽中置入永磁体 图15. 模拟等效电路仿真模型图14是具体结构，上边是转子，下边是定子，永磁铁固定在定子齿槽中间，永磁体充磁极性与磁阻电机励磁主磁路的极性相反，称作：“齿槽反向偏磁法”，与采用正向主磁路偏磁的偏磁电机原理相区别。齿槽反向偏磁的磁势置于齿槽内，与主磁通方向相反，称其为反向偏磁通，作用是：阻碍漏磁通的流过。由于其所处位置特殊：定、转子齿-槽相对位置时，对流过的漏磁通作用较大；定转子齿-齿相对时，对流过的主磁通副作用较小。因此齿槽反向偏磁能有效增加磁通变化量，提高电机力矩密度、功率密度。图15是图14磁路的模拟等效电路仿真模型，虽然用线性电路来模拟非线性的磁路有一定误差，但若釆用分段线性化的方法，还是切实可行的。图15中，（a）是仿真图，（b）是把阻值等于Rn的可调电阻Rc等效拆成两个电阻R与Rn-R，其中：Fo：定子励磁磁势 Fn：齿槽永磁体磁势 F： 主磁通Rn：齿槽永磁内阻 Rc：等效变化磁阻 Rt：铁芯总磁阻Ro：气隙与齿部最小磁阻 T： 磁阻电机转矩 Zr：转子齿数由电磁场理论可求得磁阻电机的转矩： （3）由（3）式可见，当励磁磁动势F与转子齿数Zr固定时，磁阻电机的最大静力矩正比于最大磁通与最小磁通差，要提高电机输出力矩，设计时应尽可能地增加磁通差。此时我们最关心的是随转子转动，主磁通I产生的变化： （4）通过式（4）可估算齿槽加了永磁体后，定子磁通的变化量。当磁阻电机定子与转子齿对齐时：R=0；齿与槽对齐时：R=Rn。把这两个典型状态代入，可获得磁通最大值与最小值，两值的差，就是磁通最大变化量，该变化量可间接反映出电机输出力矩的变化量。从磁通的最大值可估算磁路饱和状态，最小值可估算定、转子磁路漏磁状况。通过一些典型实例，可算出：采用齿槽内置入与主磁通极性相逆的永磁体的齿槽反向偏磁后，大幅降低了漏磁（漏磁都变为负值）；虽然也少量地降低了最大磁通，但总的最大、最小磁通差还是大幅提升了，力矩一般可提升2-3倍。齿槽反向偏磁法虽然能减少漏磁，但也有反作用：加剧齿部磁饱和，增加气隙等效磁阻，从而阻碍了定、转子齿-齿相对时主磁通的流过。分析图14,图15中流过极齿与气隙的磁阻Ro的磁通Fo，可以比较其影响状况，以利于找出解决问题的办法。（5）由于磁饱和主要发生在定、转子齿-齿对齐位置（即：R=0）时，利用式（5），再代入上述定条件进行分折、比较。考虑普通磁阻电机的齿部原来就已工作于接近于饱和状态，发现过饱和后，采取的措施只有降低绕组的安匝数（磁动势F）。由上述讨论又引发一个问题，Fn是不是越大越好呢？对普通磁阻电机与励磁偏磁式磁阻电机，答案是肯定的；对永磁偏磁式磁阻电机和磁路混合式步进电机，就要对其主磁路作具体分析了，否则正、反两种极性的永磁体将可能互相对冲造成弱的一方去磁。齿槽反向偏磁法的采用，对传统磁阻电机的齿层比传导设计原则产生了一些重要修正，传统的0.375齿槽比将不再是最佳值，可适当加大一些；齿高的最佳值也应从0.7-1齿距适当降低。采用齿槽反向偏磁，在提高单位体积输出力矩的同时，还大幅降低了磁阻电机的绕组安匝数，降低损耗，提高效率，节省铜线，缩小线槽尺寸（对常见的内转子电机能增加电机转子外径与定子外径的比值），进一步地提高单位体积力矩。十三、单凸极永磁贴片偏磁式磁阻电机近几年获得大批应用的普通永磁电机，其永磁体的表面粘贴技术已相当成熟，其永磁材料的价格不断下降，性能大幅提高。一般磁阻电机定子齿槽宽度高达齿距的60%以上，称为凸极结构，加上转子也采用凸极，合起来叫双凸极电机结构。如果对励磁偏磁电机进行改进，用永磁体作为定子极齿，替代偏磁绕组，然后按上述齿槽偏磁原理，在每个原来齿槽的位置上都添加一永磁体，形成隐极定子；只有转子还保留凸极，电机因此称为单凸极结构。采用单凸极结构比通常的双凸极结构，能成倍提高电机的力矩密度，几倍降低力矩脉动。 图16所示的单凸极永磁贴片偏磁式磁阻电机，其特点是：至少有一对充磁极性相反的永磁体粘贴在定子铁芯的每一个磁极上，相邻磁极间有线槽，整个气隙表面每相邻两片永磁体充磁极性方向都相反，每个磁极上相邻两片永磁体间隙相同。图16所述的单凸极永磁贴片偏磁式磁阻电机，其转子齿数、定子永磁体对数之差，等于定子磁钢对数除以相数所得之商的一半。图16单电机永磁贴片偏磁电机结构独特，既具有永磁偏磁磁阻电机的效果，又相当于部分齿槽中嵌设入永磁体，即齿槽偏磁的结构，达到消除磁阻电机漏磁的目的，还改善了电机制造的工艺。样机测试后，效果非常满意。附：参考文献1朱正风，星角连接偏磁式磁阻电机 专利号 ZL03241080.8(2003.3.26) 2朱正风，极偶反接偏磁式磁阻电机 专利号 ZL03241081.6(2003.3.26)3朱正风，外磁路永磁偏磁式磁阻电机 专利号