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偏磁式磁阻电机基本原理(补充篇) 偏磁电机之二 朱正风 （Zheng Feng ZHU）上篇谈到偏磁电机是传统磁阻电机在直流脉冲驱动的基础上，用富里叶级数把直流脉冲分解为直流成份和交流成份，用不同绕组分别通入直流和交流替代原有单一绕组。其中直流绕组称为偏磁绕组，可用永磁替代；交流绕组称驱动绕组，可通入交流驱动。偏磁电机与磁阻电机相比，最大的改进就是把磁阻电机的直流脉冲驱动法改成交流驱动法，省去原来脉冲成份中的直流成分驱动功率，驱动电流可以减到原来的一半，电路成本可以成倍降低。不仅如此，这样改进后，偏磁电机的驱动方式就跟无刷直流电机、变频器相兼容，偏磁电机的驱动方式就更加先进，成本更低了。由于多了偏磁绕组，如何使偏磁绕组和驱动绕组之间不产生互相干绕，前面提出了一种“星-角”联接的方法。一、“ 对偶反接”法以上谈到偏磁电机绕组，“星角”连接法只是一种消除不同相间干扰的接法。还有一种比较有实用意义的“对偶反接”法，是用于直接在相内消除干扰的接法。所谓“对偶”指定子每相的磁极对数必须是偶数，“反接”则是每偶数对磁极串联绕组中，必须有一半偏磁或驱动绕组是反接的（其余首尾串连称 “顺接”）。图12以单相电机为例说明。(a) 为电机接线图，(b) 为简化电路图。图12(a) 中，上下为一对磁极，左右为另一对磁极。驱动绕组A 与 B 反接；偏磁绕组 A与 B 顺接（或反过来A与B顺接，A 与 B 反接）。由图12(b)可清楚看出，对偶反接，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位外部联接关系上来消除偏磁与驱动绕组间相互干扰，对偶反接则是从每相内部去消除相互干扰的方法，因此对偶反接使相间联接方式更加灵活。若往偏磁绕组中通入一直流充当“励磁”，转动转子，驱动绕组A与B则分别发电完成交流电的正负半周。如果转子转动过程中，磁阻严格按正弦规律变化，发出来的电便是标准的正弦波。通过整流和控制电路，把发出电的一小部分送回偏磁绕组激磁，这就是一台自激式单相交流发电机了。也可把发出的电整流后送出，成为直流发电机。这种发电机由于结构特别简单，作为自行车、摩托车、汽车、拖拉机等行走机械上的发电机，有很大意义。取代励磁式同步发电机作为小型风力发电机，小型水轮发电机等，也非常实用。作为单相交流电动机用时， 采用图13所示串联接法构成的电路最简单，最大的问题就是启动困难。对定子齿形作些修正，形成非均匀气隙，保证转向的单一性，可解决启动问题。还可采用罩极式启动。“对偶反接”法同样适用于多相电机。例如两相电机，用其中一相驱动绕组作为启动绕组，可使用单相交流电源工作。“对偶反接”法虽多一对磁极，但同步转速仍与“星角”联接法一样。将“对偶反接”法与“星角”连接法结合起来，再加上偏磁绕组与驱动绕组间“串联”、“并联” 、“混联”等等，其联接真是千变万化。 当然不管怎么变，其中“偏磁”的原理是不变的。二、 “ 极偶反接” 法前面介绍了偏磁电机的“星角”联接法和“对偶反接”法。前者适用于三相以上电机，后者适用于所有相数电机。从驱动电路的角度上看，“星角”法三相电机只要6只功率开关元件可形成12拍全桥驱动；“对偶反接” 法使用单一电源时，单相2拍全桥驱动要4只功率元件才能构成，两相4拍要使用8只功率管。 因此，从全桥驱动电路设计角度考虑问题，“星-角” 联接法更有实际意义。作为发电机使用或直接使用交流电源驱动， 作电动机用时， 两种连接法各有特色，但“对偶反接”法仍然嫌定子磁极数太多，接线太复杂了一些。“极偶反接” 法是“对偶反接”法的简化形式。所谓“极偶反接”，指的是定子每相磁极数为偶数，各磁极串联绕组中，必须有一半偏磁或驱动绕组是反接的 (其余首尾串连称顺接) 。图14以二相电机为例画出“极偶反接”法的接线图。对比图12，每相磁极数减少一半。图14接法由于定子磁极分布问题，可能造成磁场不对称，产生径向力作用于转子， 因此对轴承要求高一些。 由于定子接法不同，形成新的磁路，其转子齿数相应就有了不同，同样驱动频率时，其转速也就不一样。图14转子齿数是三齿，也可以是一齿，但不管怎么变化，磁阻电机关于每一个通电循环转子前进一个齿的原理还是不会变的。“极偶反接”法由于磁场不对称， 只适用于单定子结构。“星-角”法与“对偶反接”法，既能用于单定子磁路结构，又适用于轴向分相多定子结构的偏磁式磁阻电机。对偶反接法定、转子齿数差等于每相极对数的整数倍，如图12所示单相四极，其极对数为二，采用两齿差，定子四齿时，转子可以采用两齿、六齿或十齿等。极偶反接法定、转子齿数差也等于每相极对数的整数倍，如图14所示两相两极，每相极对数为一，采用一齿差，此时定子为四齿，转子可以为三齿、五齿或一齿、七齿等。偏磁式电机用交流电直接驱动，遇到最大的问题是启动困难。由于存在偏磁电流形成直流磁场这样的非旋转磁场成分，无法使用异步、磁滞等方法来帮助启动，因此仅适用于低速，超低速场合(此时相对所需克服的惯性力矩较小，一通电即能进入同步运行)。图14两相电机的简单开关驱动方式，如图15所示(其中K为电子开关)。与图4不同在于驱动绕组公共端接电源中点，以简化电路。这种驱动方式称为半桥驱动。开关导通方式可以有4 拍的： 也可以用8拍的： 对偶反接法构成的两相电机，除内部接线不同外，外部电路与图15一样。 性能上，这种两相电机与普通4相磁阻电机等效。由于偏磁的作用，开关元件的电流规格比普通磁阻电机可降低一倍。注：这种半桥驱动方式靠储能电容构成两个电动势，虽能节约一半开关元件，但受限于储能电容的容量，不适用于速度太低场合，尤其不宜工作于自锁状态。三、开关磁阻电机方面的应用开关磁阻电机作为一种自控式(闭环)电机系统，已有几十年研究历史，也有一定的应用场合。与永磁式同步电机为基础，发展起来的无刷直流电机系统相比，仍有很大的差距。 最大的问题是： 前者低速的平稳性相对差和高速时的噪音大，以及视在驱动功率较大。这三个因素把电机结构简单、造价低、可靠性高的优点给埋没了。因而无刷直流电机，目前仍是自控式电机系统应用方面的主流。把磁阻电机改进为偏磁电机后，能基本上解决上述三大致命问题。作为自控式电机组成的调速系统，一般认为永磁无刷直流电机系统适用于中、低速场合，开关磁阻电机系统适用于中、高速场合。偏磁电机取代普通磁阻电机后，组成新的开关偏磁电机系统适用于从低到高的各种调速场合。如果仍然采用普通开关磁阻电机典型的定子4相（每相两极），转子6齿，还是采用原有光电检测式机械结构，仅是改变定子绕组，使之成为“对偶反接”的二相偏磁电机接法，如16所示。外电路采用图15所示接法，使用光电孔盘作位置检测。 开关导通方式采用与原开关磁阻电机一样的4拍运行： 驱动方式。低速同样用恒流斩波，高速用调宽方式，自控运行，调压调速方案。与典型开关磁阻电机系统相比，这种开关偏磁电机系统电机外部接线更简单，驱动电流减小一倍，驱动电路的功率元件可以小一倍，偏磁绕组可兼作滤波电感器使用，成本大大降低。虽然两相串联成一相，电感大了一倍，但由于驱动电流减少一倍，同样电源电压下，高频特性并未因此而降低。从图15可看出，当某相驱动绕组通电时，另一相驱动绕组虽不通电 ，但偏磁绕组仍有磁通，这一附加偏磁产生的力矩，虽不增加输出，但因此改善了磁场分布，增加阻尼效果，使低速平稳性，高速噪音都向理想化方向发展，性能更加完善。但由此也带来另一个问题，就是励磁型偏磁电机的低速平稳性和高速低噪声是以增加铜损进而提高电机温升的代价换来的，只有用后面谈到用永磁取代偏磁绕组后，偏磁电机的全部优越性才能完全体现出来。四、偏磁电机与磁路混合式步进电机偏磁电机与美国人六十年代发明的磁路混合式步进电机都属于磁阻电机，二者之间必有联系。二者电机结构和磁路看起来虽不同，但工作原理却相当接近。混合式电机是偏磁电机中的一个分支，一个特例，偏磁电机原理同样都适用于混合式电机。 以典型的两段定子两极混合式电机为例 ,其磁路特征是：1、具有两套定、转子结构，俩定子轴向互相靠近，俩转子轴向联成一体。在定子 ( 或转子) 上，轴向有励磁或永磁形成轴向偏磁场，作用于两个定、转子磁路上，在两个定子(或转子)上，构成一对极性相反的磁极。2、两个定子形状完全相同，极齿对齐，前后俩定子磁极共用一个绕组。每相一对绕 组，每个绕组包含前后两个定子的一对磁极，共有四个磁极。3、两个转子齿数相等，互相错位半个齿距(齿对槽)。4、如每相一对绕组时，定、转子齿数相差一齿。根据以上混合式电机特征，逐条比较分析图16两相对偶反接式偏磁电机：1、虽然只有一个定子，一个转子，但由于偏磁绕组的作用，使定子一半磁极产生 N 极性，另一半定子磁极产生S 极性。令偏磁极性 (虚线箭头所示)，顺时针方向为一段定子，反时针方向为另一段定子，与混合式电机的两个定子相对应。2、以A相四个驱动绕组形成的四个磁极为例， 右边与底下的两磁极 (实线箭头) 方向相反，相当于混合式电机第一定子上的一对磁极；上边与左边一对磁极，相当于第二定子上的磁极。右边磁极与上边磁极方向相同，两个绕组合起来，相当于混合式电机两定子上的同一绕组。底下磁极绕组与左边磁极绕组方向相同，相当于混合式电机A相中另一个绕组。 总之，A相四个磁极中，右边相当于混合式电机第一定子上磁极，上边相当于第二定子上磁极，下边相当于第一定子下磁极，左边相当于混合式电机第二定子下磁极。B相也可同样分类，与混合式电机四个磁极一一对应。3、按上述分析，A相右、下俩磁极，与上、左俩磁极，对应的转子齿与定子相对错齿半个齿距 (槽对齿) ，与混合式电机俩转子错齿半齿距相对应。4、图 16 中定转子齿差看起来是两齿，但若按两段定子来分类，每段定子四齿，转子三齿，就是一齿差了。与混合式电机又对上了。终上所述，尽管两种电机形状看起来多么地不同，其工作原理与磁极关系却是一一对应的。对偶反接式偏磁电机与混合式电机有异曲同工之效，在此统一了起来。这从另一侧面证明了偏磁电机理论，也同时证明了混合式电机只是偏磁电机的一种典型结构。还有一种美国人九十年代发明的单定子双凸极永磁式磁阻电机，也是对偶反接式偏磁电机的一种典型结构，与图16所示磁路结构更加相像，可用上述方法和思路进行分析。一段小插曲：笔者89年出国后，为生计所迫，每天起早贪黑在澳大利亚埋头修理电脑外部设备多年，一直被困扰于偏磁电机的构想，一直闭门造车，一直很犹豫，不知有没有推理对。直到03年下决心回到中国，为了解行情，到图书馆查閲过去多年的“微电机”杂志，看到93年美国一教授已申请了“双凸极永磁磁阻电机”的专利，开始感到很沮丧，但转念一想也正是有了这两种电机的铺垫，才证实我的思路没有错。从这两种被普遍任可的电机原理上，可以证明偏磁电机推理是正确的。只是我很想不通的是：为什么这两种磁路原理完全相同的电机会被认为是两种电机，前后三十多年被两个美国人所“发明”呢？后来才想明白，关键是少了“偏磁电机”这个理论，这个概念。不过我说实话，我想出偏磁电机的“星角联接法”后，曾经思路一度中断了，“对偶联接法”是吃透磁路混合式步进电机，从中提取出来的，在此基础上再搞出个“极偶联接法”。而关于混合式电机的原理，是86年底在西安微电机研究所主办的“全国数控技术交流会”上听了王宗培教授的宣讲后才明白的。受启发后，我就有了想把我当时搞的，“单管斩波式步进电机驱动电路”升级为“偏磁式步进电机驱动电路”的念头。出国后，又收到赠閲的“微电机”89年1期，看到华中工学院某教授写的开关磁阻电机介绍，才从“驱动电路”开始转向“开关偏磁电机”的构思。03年回国，开始也很漫然，直到认识陈清泉院士，受到陈院士的鼓励后，对偏磁电机更充满信心。这十来年，我走了很多弯路，跟企业合作后，只好改行，为他人所想，把主要精力放在电动自行车、电动摩托车有关技术开发上去，偏磁电机再次又被放到业余研究地位了。现在我已退休，希望不走双凸极永磁电机美国发明人彼特的老路，在有生之年能看到偏磁电机走进产业化轨道。我不想终其一生死抱着还没被人认识的专利权，已放弃了偏磁电机有关的十几项中国专利，对偏磁电机的产业化有兴趣，技术上有困难的，我还可以协助。朱正风的Email: Tel: 0061-4703282252013.4.8 于悉尼 偏磁式磁阻电机的进一步推论 偏磁电机之二（附录） 朱正风 （Zheng Feng ZHU） 记得03年在福州举行的高交会上，福安有几家电机厂提出要一种能节省铜线的电机，结果没有找到。使用钕铁硼的永磁无刷直流电机和永磁同步电机确实能省很多漆包线，但现在稀土涨价，电机行业都在寻找更好的出路。再说大功率稀土永磁电机在工艺技术上还有困难，量产很不容易。铁氧体永磁很便宜，一般只用于微电机领域。大功率开关磁阻电机技术上已经在应用，磁阻电机本身是可靠的。开关磁阻电机比异步电机变频相比低速效率高10%左右，但小批量定做的开关磁阻电机的控制器，跟经历市场几十年大批量商业竟争考验过的变频器可靠性更高？更便宜吗？磁阻电机比异步电机省铜线吗？这些结论都是否定的。开关磁阻电机的低速脉震和高速噪音一直是大问题。磁阻电机的集中式绕组耗铜量很大。偏磁电机可以使用开关磁阻电机完全一样的电机结构，更少的耗铜量，低得多的脉震、噪音，可以直接使用市场上最普通的，专为风机水泵类设计的最简易便宜的调频调压型变频器驱动，也可以使用市场上成熟应用的无刷直流电机的驱动控制器。下面就是为这些目的，对前面所述偏磁电机绕组的再改进。一、三相极偶反接式偏磁电机 如果说星角联接式偏磁电机的提出，是为了取代变频调速系统中的同步电机和异步电机，对偶反接式偏磁电机是为了取代开关磁阻电机系统中的磁阻电机。那么极偶反接式原理的提出，必然有更深远的意义。图2.6所示为极偶反接式三相两极电机磁极配置。定子每极算作一齿，转子五齿，符合一齿差规则。定子每相绕组符合极偶反接式原则，各相间用星角法联接。这样的接法比标准星角连接的对称性更强，谐波成分更小，相当于“双保险”。用前面所述图4电路驱动时，同样可实现图5、图6、图7所示波形，相序循环。不同的是内部产生吸引力的磁极不同。初看图2.6可能会觉得奇怪，这定子怎么没有明显凸极呢？这是为后面将会提到的单凸极偏磁电机所留的一个伏笔。 标准星角式偏磁电机，转子是两齿差结构，如图2.7所示。当状态时，图2.7有一对半磁极同时工作，A对磁极产生全部磁势，C磁极磁势被抵消，B对磁极仅有有偏磁产生的一半磁势。合成静力矩，相当于普通磁阻电机单相通电时的0.866倍，称之为0.866当量力矩。 时，A相全部与B、C相各0.25磁势合成，当量力距0.75。相比图2.6电机则不同。状态时，A与 两个磁极是全磁势，C与 无磁势，B与有一半磁势。合成静力矩 ：F2 = cos30+ 0.5cos90= 0.866 (当量静力矩) 状态时，A极全磁势，与为0.75磁势，极无磁势，B与C极0.25磁势，合成力矩：F3 = 0.5 + 0.75cos60 + 0.25 cos120 = 0.75 (当量静力距) 结果与星角联接式偏磁电机一样。 图2.6电机有一致命问题，就是转子产生偏心力矩，要将每个磁极都分裂成两个以上磁极，改成三相四极或三相六极，偏心力矩便能互相抵消。 步矩角小，谐波成分小，阻抗对称性好，效率高，这是极偶反接式偏磁电机的特色。 同样原理，适用于三相以上的偏磁电机。若极偶反接式偏磁电机每相磁极数为偶数对时，便成为对偶反接式电机了。因此，对偶反接式是极偶反接式的特例。值得说明的是，图2.6与图2.7都把定子磁极画成漏磁很大的非凸极结构，这不是疏忽，后面将描述的单凸极（定子非凸极）偏磁电机就是在此基础上演化出来的。二、极偶反接式偏磁绕组的改进接法 星角连接，提出一种消除偏磁与驱动绕组间相互干扰的相间连接法；极偶反接、对偶反接，是采用相内各磁极绕组反电势的平衡方法。因此极偶反接与对偶反接式电机，驱动绕组间连接方式就不局限于星形接法一种形式，多角形连接方法也同样可以运用。 仔细看一下图16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。再看图14，虽然偏磁绕组形成两对N、S极，但若把左边与下边两磁极内偏磁、驱动绕组都反接，接法同样符合定义，偏磁绕组也统一为一对N、S极。由于偏磁绕组通的是直流，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2.8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。 驱动绕组的6根引线与偏磁绕组的两根引线都引出到接线盒内，由用户自行选择星形或三角形接法，使应用范围更加扩大，更加灵活。 这种驱动绕组每相中两磁极在一极对准转子凸极时，另一磁极钢好对准转子槽，两极线圈刚好形成互补，总感抗不随转子位置变化而变化，而且因偏磁的作用，具有很强的反电动势，能自动清除电压方程式中，电感随转角变化的项： idL/dq & dq /dt 从而使方程式与直流电机几乎相等。用这种偏磁电机组成无刷直流电机系统，脉振肯定会更小。偏磁绕组这样改进后，电机耗铜量将减少20%-25%左右（看电机转子铁芯长径比不同而不同，长径比大的，节铜更明显）。而且原来偏磁绕组持续通电带来发热量增多的问题也基本上得到缓解。如果该原理用于改造三相定子定子12极、转子8极的开关磁阻电机，只要将转子改为10极后，绕组按对偶反接法改造，耗铜量和铜线损耗都将减少得更多，达到节铜30%-35%左右。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。尤其是适用于定子8极、转子6极的开关磁阻电机，完全可以参照该原理直接改造，比图16所示方案，可节约用铜25%-30%左右，而且铜耗与发热都会改善很多。三、星角联接式的两种改进(一)、偏磁绕组的改进偏磁用全极距大绕组取代各相小绕组后，可以节省大量铜线，减少工作量。除偏磁绕组线槽外，其余线槽可缩小一半，因此可进一步缩短齿槽，减小磁轭尺寸，节省定子矽钢片耗用量。这一改良结构，同样也适用于星角联接式电机。图2.9所示为移动磁极排列后，改进的三相二极星角联接式偏磁电机典型接线图与定子冲片结构示意图，从中看到A、C相中磁槽较大，可用于镶嵌偏磁绕组，但该槽对应的磁轭较小，为让直流磁通顺利通过，电机应采用导磁的铁外壳为好。图中(a)所示冲片结构示意图是以6齿定子为例的。图2.9中(a)为电机接线图，在驱动绕组不通电时，偏磁绕组形成一对大磁极；O点浮空时，驱动绕组任意端点间通入电流，产生驱动磁势，实际上仅是把偏磁磁通进行有序分配，并未产生新的磁通增量。同样可以证明，只要磁路对称，O点浮空偏磁与驱动绕组间，互感电势为零。(c)为外部接线图，由于各相间驱动绕组仍然是常规绕组，因此仅限于星形接法，不能用三角形接法。图2.9(b)所示齿槽中，大槽既要容纳偏磁绕组又要容纳驱动绕组。因此尺寸与普通磁阻电机一样。小齿槽仅需容纳驱动绕组，可以比大槽小一倍。大槽处磁轭尺寸较薄，但通的仅是直流偏磁，可用加厚铁外壳的方法来解决。上述方案作为对反应式步进电机改造是相当好的方案，为改造方便，原有铁芯根本就不须改动，仅仅改绕组就可以达到节铜目的，改后的反应式步进电机可直接替代混合式步进电机，除了发热量比混合式电机大一点外，单位体积力矩和控制特性一点都不差。而且跟原电机相比，线槽宽了很多，下线效率高多了。作为三相开关磁阻电机的改造，该方案比对偶反接式方案更简单，连转子都不要改，直接改绕组换控制器就好了。对典型定子12极，转子8极的开关磁阻电机，改绕后同样能节铜30%左右。上述原理同样适用于三相以上偏磁电机。(二)、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2.10所示，为三相两极全极距驱动绕组的接线图。(a)为内部接线图，(b)为星形接法外部接线图。全极距驱动绕组，每个相线圈都包容全部磁极， 因此谐波成分更少，效率更高。 仔细查看图2.10(a)其中每个小磁极，都同时被三个相绕组所包容，每次两相通电时，磁动势将叠加，因此采用双极性驱动方式时，全极距绕组的匝数，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，节铜量也能达到20%左右。三相全极距驱动绕组，包容三个磁极，每相平均电感本应为集中式绕组的3倍，现在匝数又减半，平均自感又因此降低4倍： LQ = 3L / 4 = 0.75 L看起来平均自感只降低25%，但此时高频特性已大不相同。以图6所示，六拍驱动方式为例，从 切换成状态时(参考图9等效电路图)，A相关断，B相导通(比较图2.10绕组接线图)。A相包容有A、三磁极，B相包容有、B、三磁极，二者共有磁极，另两磁极极性反向。虽然看起来要把A、两磁极反向，比起单纯升或降磁通要难两倍，但此时两相通电与放电同时进行，速度加倍。二者协调的结果还改善波形，减少谐波成分。因此对A、B两相平均换相电感Lp，仅是平均相电感的2/3而已： LP = 2/3 LQ = 0.5 L式中：LP 全跨距绕组换相等效电感 LQ 全跨距绕组每相电感 L 原有集中式绕组每相电感再看C相包容、C三磁极，在A、B两相切换过程中，A、两磁极磁通变化，对C相的影响互相抵消。随着C相电流上升，对磁极磁通所起的作用，帮助A相续流，但阻碍B相电流增加；A、B两相对C相的作用也是一顺、一逆，作用抵消，等效电感不变。A、B两相等效电感平均值为Lp。每相等效换相电感的平均值：LHP = (0.5 + 0.5 +0.75) L/3= 0.583 L L =1. 71 LHP式中：L 原有集中式绕组每相电感， LHP 改进后全极距绕组每相平均电感，集中式绕组与全极距驱动绕组，二者平均等效换相电感的倍数接近于相数