定子永磁型無刷電機系統(tǒng)

定子永磁型無刷電機系統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品01背景定子永磁型無刷電機分析與設(shè)計方法定子永磁型無刷電機結(jié)構(gòu)與工作原理控制策略目錄03020405磁通控制結(jié)語定子永磁型無刷電機的應用目錄0706基本信息定子永磁型無刷電機是一類永磁體和電樞繞組均位于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，并易于通過“永磁+電勵磁”實現(xiàn)對電機氣隙磁場的直接控制，從而獲得無刷電機的寬范圍調(diào)速；凸極轉(zhuǎn)子既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與工作原理，總結(jié)了它們的共性規(guī)律和個性差別，對其分析設(shè)計方法、控制策略等關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，討論了多種磁通調(diào)節(jié)方案和容錯控制策略，分析了該電機系統(tǒng)在電動汽車、飛輪儲能、軌道交通等領(lǐng)域應用的可行性和潛力，最后對該電機系統(tǒng)的主要研究方向進行了展望。背景背景圖14種典型的轉(zhuǎn)子永磁型電機結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機是近年來隨著電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展，而迅速發(fā)展起來的一種新型電機。在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機中，永磁體位于電機轉(zhuǎn)子側(cè)，根據(jù)永磁體位置的不同，可以分為圖1所示的4種基本結(jié)構(gòu):表面貼裝式；內(nèi)嵌式；徑向內(nèi)嵌式；切向內(nèi)嵌式。相對于傳統(tǒng)的直流電機和異步電機，轉(zhuǎn)子永磁型電機具有更高的功率密度和效率，受到廣泛重視并已獲得廣泛應用。但是，轉(zhuǎn)子永磁型電機通常需要對轉(zhuǎn)子采取特別加固措施以克服高速運轉(zhuǎn)時的離心力，如安裝由非金屬纖維材料或不銹鋼制成的套筒等，不僅導致其結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，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(zhuǎn)子上，散熱困難，引起的溫升可能會導致永磁體發(fā)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(zhuǎn)子永磁型電機的缺點，近年出現(xiàn)了將永磁體安置于定子側(cè)的定子永磁型無刷電機，受到了日益廣泛的**

。定子永磁型無刷電機結(jié)構(gòu)與工作原理定子永磁型無刷電機特點對比定子永磁型無刷電機的分類定子永磁型無刷電機結(jié)構(gòu)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于定子上的新型永磁無刷電機。該電機提出時作為一臺單相永磁發(fā)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(xiàn)和功率電子學、計算機技術(shù)、控制理論的發(fā)展，從20世紀90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了三種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型無刷電機及其驅(qū)動系統(tǒng)。這3種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上最明顯的特點是永磁體均置于定子，轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，因此，將它們統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)在

：1)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理相同。傳統(tǒng)的直流電機、感應電機以及同步電機，都屬于雙邊磁場電機，即勵磁磁場在一邊(定子或轉(zhuǎn)子)，電樞磁場在另一邊(轉(zhuǎn)子或定子)，定轉(zhuǎn)子之間的相對運動使電樞繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而感應出電勢，當繞組中通入電流后，電流與電勢相互作用實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。而定子永磁型電機的勵磁源和電樞繞組都位于定子，它依靠定子直流勵磁源與轉(zhuǎn)子凸極的調(diào)制作用，使定子繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而產(chǎn)生感應電勢與電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換;2)定、轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)類似，均呈凸極結(jié)構(gòu)；3)永磁體和電樞繞組均位于定子，與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子僅由導磁材料構(gòu)成，既無永磁體，也沒有繞組，結(jié)構(gòu)特別簡單可靠，并且易于和某些應用對象直接藕合，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。定子永磁型無刷電機分析與設(shè)計方法設(shè)計方法定子永磁型無刷電機特殊電磁現(xiàn)象及處理方法等效磁網(wǎng)絡模型定子永磁型無刷電機分析與設(shè)計方法設(shè)計方法由于定子永磁型電機的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機有明顯區(qū)別，已有的永磁電機的分析設(shè)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(xiàn)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(xiàn)代定子永磁型無刷電機問世以來，其分析設(shè)計方法就成為學者們的研究重點之一。如何依據(jù)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(shù)的初始值，是電機設(shè)計及優(yōu)化的基礎(chǔ)。等效磁網(wǎng)絡模型目前，有限元法因計算精度高、適應性強以及商業(yè)化軟件成熟度高等原因，已成為電機電磁特性分析計算最常用的方法。盡管如此，在電機設(shè)計階段，特別是電機優(yōu)化設(shè)計階段，常需不斷調(diào)整電機結(jié)構(gòu)參數(shù)以搜索最優(yōu)解。而每當電機結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)

。定子永磁型無刷電機特殊電磁現(xiàn)象及處理方法永磁體位于定子，導致定子永磁型無刷電機中出現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)子永磁型電機中所沒有的特殊電磁現(xiàn)象，給該類電機分析與設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。下文對這些特殊的電磁現(xiàn)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(zhuǎn)子位置而有所變化，可能在外圍的金屬機殼中產(chǎn)生額外的渦流損耗，形成局部過熱，在電機設(shè)計中有必要加以考慮2)端部漏磁。DSPM電機和FSPM電機的永磁體從定子內(nèi)徑處貫穿至外徑處，并直接與機殼相接，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，但三維有限元分析復雜而耗時，為簡化分析，可在二維有限元分析基礎(chǔ)上，引入端部效應系數(shù)對二維分析結(jié)果進行修正，已有分析結(jié)果表明，三維電樞繞組磁鏈約為二維計算結(jié)果的85%-95%。3)直流偏置磁場及其對鐵耗的影響。由于永磁體位于電機定子，導致定子鐵心中存在直流偏置磁場?？刂撇呗赞D(zhuǎn)矩脈動抑制策略基本控制策略控制策略基本控制策略根據(jù)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，分別適用于電樞繞組每相空載感應電勢為梯形波和正弦波的情況

。對于BLDC方式，有電流斬波控制(CCC)和角位置控制(APC)兩種基本模式，分別適用于電機運行于基速以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和基速以上的恒功率區(qū)。對于BLAC方式，可以采用磁場定向控制，如矢量控制等。此外，針對不同應用需求，還可以采用電流滯環(huán)PWM控制、電壓空間矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略定子永磁型無刷電機的雙凸極結(jié)構(gòu)決定了該電機的轉(zhuǎn)矩脈動可能較大，因此，如何有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動是該類電機的重要研究問題。抑制轉(zhuǎn)矩脈動主要可從兩個方面入手:一是合理設(shè)計電機的定轉(zhuǎn)子齒槽配合以及齒形、槽型等;二是采用合理的控制策略。對于一臺已有的定子永磁電機而言，控制策略則是抑制轉(zhuǎn)矩脈動的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)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(shè)計電機結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)，配合適當?shù)目刂撇呗?，定子永磁型無刷電機的轉(zhuǎn)矩脈動水平完全可以達到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型電機的水平。磁通控制機械式弱磁磁通記憶永磁電機分裂繞組方法磁通控制機械式弱磁與轉(zhuǎn)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于永磁磁勢，因而基本保持不變。而電樞繞組空載感應電勢近似與轉(zhuǎn)子速度成正比。因此，無論作為電動機或發(fā)電機運行，所允許的轉(zhuǎn)速范圍十分有限，極大地限制了其應用領(lǐng)域。如何對永磁電機的氣隙磁場進行有效調(diào)節(jié)，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于定子，為構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)和外加電壓一定時，電機的最大轉(zhuǎn)速與繞組匝數(shù)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于永磁體，其數(shù)值不易改變。但通過分裂繞組改變每相繞組匝數(shù)則可有效擴展電機的調(diào)速范圍，尤其是定子永磁型無刷電機都采用集中電樞繞組，為采用分裂繞組提供了方便

。磁通記憶永磁電機圖2電機結(jié)構(gòu)電勵磁和混合勵磁電機雖然可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流的極性與大小來調(diào)整勵磁磁場，但勵磁繞組中不可避免的產(chǎn)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，通過在線調(diào)節(jié)永磁體剩磁的大小來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并保持電機高效率。圖2所示的雙層定子外轉(zhuǎn)子DSPM電機中，具有低矯頑力的永磁體(A1NiCo)和調(diào)磁繞組均位于定子內(nèi)側(cè)，通過在調(diào)磁繞組中施加短時脈沖電流，可在線改變永磁體的磁化水平，從而達到在線調(diào)節(jié)電機氣隙磁場的目的。短時脈沖電流在調(diào)磁繞組中產(chǎn)生的損耗很小，可忽略不計。定子永磁型無刷電機的應用電動汽車領(lǐng)域軌道交通領(lǐng)域飛輪儲能領(lǐng)域定子永磁型無刷電機的應用電動汽車領(lǐng)域電動汽車/混合動力汽車以其超低的排放甚至零排放、節(jié)能環(huán)保等特點，受到了高度重視，并獲得日益廣泛的應用。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟。但電動汽車的特殊運行環(huán)境和條件，要求電機系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、可靠性強、免維護、轉(zhuǎn)矩出力大等。特別是在混合動力汽車中，電機系統(tǒng)常與內(nèi)燃機集成為一體，環(huán)境溫度高，對電機系統(tǒng)的冷卻散熱提出了嚴峻挑戰(zhàn)。在定子永磁型電機中，永磁體和電樞繞組均位于定子側(cè)，易于對永磁體和繞組進行直接冷卻，因此非常適合電動汽車領(lǐng)域。飛輪儲能領(lǐng)域在飛輪儲能系統(tǒng)中，電機驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成飛輪的旋轉(zhuǎn)機械能，使得飛輪儲能系統(tǒng)非常適合用作電網(wǎng)能量緩沖器和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置等。但是，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁電機驅(qū)動的飛輪儲能系統(tǒng)，即使既不充電也不放電，飛輪處于待機儲能狀態(tài)時，高速旋轉(zhuǎn)的永磁體，將在電機鐵心中產(chǎn)生大量損耗，不僅增加了發(fā)熱量，給飛輪系統(tǒng)的散熱提出了更高要求，而且導致儲能時間只能維持數(shù)分鐘甚至更短，極大地限制了應用范圍

。定子永磁型電機的轉(zhuǎn)子由整塊硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡單堅固，非常適合高速運行，令電機轉(zhuǎn)子與飛輪直接藕合，可以顯著提高飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)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(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換前對永磁體充磁，在能量轉(zhuǎn)換完成后再對其去磁，避免了轉(zhuǎn)子隨飛輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的鐵心損耗，飛輪在儲能待機狀態(tài)近似零損耗。在飛輪放電時，更可根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)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(lǐng)域城市軌道交通所使用的驅(qū)動電機主要有旋轉(zhuǎn)電機和直線電機兩種。與旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式相比，直線電機驅(qū)動方式具有諸多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、爬坡能力強、輪徑較小、隧道斷面小和線路設(shè)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(qū)動的軌道交通線路已獲得廣泛應用，但直線感應電機的效率和功率因數(shù)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(yōu)點，但是傳統(tǒng)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(shè)永磁體，制造和維護成本高，限制了其在城市軌道交通等長定子應用場合中的使用。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(yōu)點，同時由于永磁體和繞組均位于電機初級(動子側(cè))，沿軌道鋪設(shè)的定子(次級)僅是導磁材料(如碳鋼)。該類電機可以顯著降低制造成本，基本不需維護，因此在軌道交通領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應用前景。結(jié)語結(jié)語敘述了定子永磁型無刷電機概念的提出、發(fā)展和應用，重點分析了3種類型電機的結(jié)構(gòu)特點和運行原理、電磁特性和設(shè)計方法、控制策略以及高可靠性設(shè)計等關(guān)鍵理論與技術(shù)。總體而言，經(jīng)過近20年的研究與發(fā)展，定子永磁型無刷電機系統(tǒng)的分析、設(shè)計與控制的基本理論體系已經(jīng)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(yōu)點，在電動汽車、飛輪儲能及軌道交通等領(lǐng)域展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢和良好的應用前景。但是，作為一種結(jié)構(gòu)和原理均新穎獨特的無刷電機系統(tǒng)，仍有許多理論問題和關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究，主要有:1)損耗與