永磁电机设计概述

1、第1章绪 论1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。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

2、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1,7。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

3、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

4、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16O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 DCmotor，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 mo

5、tor，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。Lq）和直21,22。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（轴电感（Ld）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（In set）。该电机由于Ld<Lq，其转矩分量比表面式结构多了一项磁阻转 矩

6、，并且较大的直轴电感有助于该电机采用弱磁控制16。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

7、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 表面贴装式，(b)插入式，(c)径向内嵌式，(d)切向内嵌式§ 1.13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

8、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）

9、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：(Doubly-Salient Permanent MagnetFlux Reversal Machine) 25，本文Flux-Switching Permanent Mag net1. 1992年由美国学者T. A. Lipo教授提出的双凸极永磁电机 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（ 简称FR

10、M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（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

11、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

12、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

13、的电流控制方式，其等同于矢量控制中的直轴电流为零，即id=0控制（详见第7章）。由此，在本文中进一步深入下去，弓I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。图1-3 DSPM电机磁通反向电机，简称 FRM电机25, 29, 30, 43, 44，是将永磁体直接安装在定子齿下面，见图1-4。结构特点是在每个定子齿与空气接触的表面安装两块磁化方向相反的弧形

14、永磁体（一般采用铁氧体 材料），从而当转子旋转到不同的永磁体下面与定子齿对齐时，根据磁阻最小原理， 极性相反的永磁磁通就会穿过定子侧的绕组，从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置而改变的交变永磁磁 链，感应出反电动势。因此，该电机的磁链特性为双极性，这与DSPM电机是不同的，而和本文研究的FSPM电机一致。对比图1-1（a）的表面贴装式永磁电机，可发现 FRM电机相当于把贴在转子表面的永磁体转移 到了定子齿表面上。从这个角度说，也可认为FRM电机相当于定子永磁型的表面贴装式电机。但FRM电机在结构上也有明显的缺点，即永磁体的安置无形中增加了气隙的长度，使得电机的尺寸增加，且空载气隙磁密减小

15、，影响电机出力。更为严重的是，磁路分析表明电枢绕组产生的电枢反应 磁通会直接穿过永磁体进入转子齿，即电枢磁通和永磁磁通是串联的，存在着永磁体发生不可逆退 磁的危险。以上原因导致了该种电机目前研究得较少。图 1-4 FRM 电机（IAS, 1996 年）磁通切换永磁电机，即FSPM电机26, 31,45, 46，是第三种定子永磁型电机。其结构特点将在第2章中详细分析，这里只简单说明选择该电机作为本课题研究本体的四点原因：1. 既具备DSPM电机和FRM电机转子结构简单、适合高速运行、冷却方便等优点，同时又 拥有转子永磁型电机空载磁链为双极性的优点。2. 具有§ 1.1.2中内嵌式永磁电

16、机聚磁效应的特点，使得气隙磁场可以设计得很大（可达2.5T）,见§ 3.4.1,导致其在定子外径一样的条件下，转矩和功率都可以高于其它两种定子永磁型电 机功率密度大，适合于严格限制电机尺寸同时又需要较高出力的场合，例如航空、航天、航海和 电动汽车等领域。关于FSPM电机和DSPM电机的比较研究将在第 9章中详细阐述。3. 电枢反应磁场和永磁磁场从磁路上说是并联的，具有很强的抗退磁能力，在附录D中通过对样机作发电运行时的实测电压调整率予以验证。4. 绕组具有互补型特点，可以减少或抵消永磁磁链和反电动势波形中的高次谐波分量，在采用定子集中绕组和转子直槽的条件下就可以获得较高的正弦度，具体分析见§3.4.2，较适合无刷交流的方式运行。正是基于以上优点，本文选择了 FSPM电机作为研究主体，并将比较其与DSPM电机的性能优 劣。A4图1-5 FSPM电机§ 1.1.4.永磁电机分类由以上分析可知，根据绕组中匝链的永磁磁链极性，可将DSPM电机称为单极性永磁电机