[科普中国]-定子永磁型无刷电机系统

背景

永磁无刷直流电动机是近年来随着电力电子技术和永磁材料的发展，而迅速发展起来的一种新型电机。在传统转子永磁型电机中，永磁体位于电机转子侧，根据永磁体位置的不同，可以分为右图所示的4种基本结构:表面贴装式；内嵌式；径向内嵌式；切向内嵌式。

相对于传统的直流电机和异步电机，转子永磁型电机具有更高的功率密度和效率，受到广泛重视并已获得广泛应用。但是，转子永磁型电机通常需要对转子采取特别加固措施以克服高速运转时的离心力，如安装由非金属纤维材料或不锈钢制成的套筒等，不仅导致其结构复杂，制造成本高，而且增大了等效气隙，降低了电机性能。同时，永磁体安放在转子上，散热困难，引起的温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，减小功率密度等。为克服上述转子永磁型电机的缺点，近年出现了将永磁体安置于定子侧的定子永磁型无刷电机，受到了日益广泛的关注1。

定子永磁型无刷电机结构与工作原理定子永磁型无刷电机的分类早在1955年，美国学者Rauch和Johnson2就开始研究永磁体方置于定子上的新型永磁无刷电机。该电机提出时作为一台单相永磁发电机运行。

随着以钱铁硼((NdFeB)为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电子学、计算机技术、控制理论的发展，从20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。这3种结构分别为:1)双凸极永磁(DSPM)电机；2)磁通反向永磁(FRPM)电机；3)磁通切换永磁(FSPM)电机。这3种新型永磁无刷电机在结构上最明显的特点是永磁体均置于定子，转子上既无永磁体又无绕组，因此，将它们统称为定子永磁型无刷电机。

定子永磁型无刷电机特点对比定子永磁型电机主要有DSPM电机、FRPM电机和FSPM电机三类，每一类型电机在结构上又有很多变化，它们既有共性，又有个体差异性。它们的共性主要体现在3：

1)转矩产生机理相同。传统的直流电机、感应电机以及同步电机，都属于双边磁场电机，即励磁磁场在一边(定子或转子)，电枢磁场在另一边(转子或定子)，定转子之间的相对运动使电枢绕组中的磁链发生交变，从而感应出电势，当绕组中通入电流后，电流与电势相互作用实现机电能量转换。而定子永磁型电机的励磁源和电枢绕组都位于定子，它依靠定子直流励磁源与转子凸极的调制作用，使定子绕组中的磁链发生交变，从而产生感应电势与电磁转矩，实现机电能量转换;

2)定、转子铁心结构类似，均呈凸极结构；

3)永磁体和电枢绕组均位于定子，与转子永磁型电机相比，可方便地对永磁体进行直接冷却，从而控制其温升；

4)凸极转子仅由导磁材料构成，既无永磁体，也没有绕组，结构特别简单可靠，并且易于和某些应用对象直接藕合，集成一体；

5)电枢绕组多为集中式绕组，端部短，用铜少，电枢绕组的电阻小，铜耗低。

另一方面，由于不同类型电机中永磁体用量和布置方式不同，导致其不同的性能和特点。比如，DSPM电机的永磁体用量较少，磁链为单极性，其转矩密度也相对较低;而FSPM电机的永磁体用量较多，并且磁链为双极性，其转矩密度较高。此外，它们的感应电势波形也不同，DSPM电机和FRPM电机的电势波形基本呈梯形波，更适合采用BLDC控制模式，而FSPM电机的电势具有正弦波形，更

适合BLAC控制方式等。

定子永磁型无刷电机分析与设计方法设计方法由于定子永磁型电机的结构和转矩产生机理与传统转子永磁型电机有明显区别，已有的永磁电机的分析设计理论和方法难以直接套用到定子永磁型电机。加上凸极齿尖等处的局部饱和明显，以及直流偏置磁场、定子外漏磁等特有电磁现象，进一步增大了定子永磁型电机分析计算的难度。因此，自现代定子永磁型无刷电机问世以来，其分析设计方法就成为学者们的研究重点之一。

如何依据电机的性能要求和给定条件，确定电机的主要尺寸以及绕组参数的初始值，是电机设计及优化的基础。

等效磁网络模型目前，有限元法因计算精度高、适应性强以及商业化软件成熟度高等原因，已成为电机电磁特性分析计算最常用的方法。尽管如此，在电机设计阶段，特别是电机优化设计阶段，常需不断调整电机结构参数以搜索最优解。而每当电机结构尺寸改变，就要对电机重新剖分，前处理工作量大，效率低。因此，探寻一种快速有效的电磁特性计算方法便成为定子永磁无刷电机研究的另一关键技术4。

定子永磁型无刷电机特殊电磁现象及处理方法永磁体位于定子，导致定子永磁型无刷电机中出现了一些转子永磁型电机中所没有的特殊电磁现象，给该类电机分析与设计提出了新的挑战。下文对这些特殊的电磁现象进行叙述:

1)定子外漏磁。

DSPM电机的空载永磁磁场分布在定子铁心的外围空间中有漏磁。因此，在进行电机电磁场分析时必须将求解域适当扩展，才能计入此漏磁。此外，定子外漏磁会随着转子位置而有所变化，可能在外围的金属机壳中产生额外的涡流损耗，形成局部过热，在电机设计中有必要加以考虑[39]

2)端部漏磁。

DSPM电机和FSPM电机的永磁体从定子内径处贯穿至外径处，并直接与机壳相接，因此三维端部效应较为显著，沿着电机轴向靠近端部处磁密明显降低，通过三维有限元分析可较准确地分析这一端部效应，但三维有限元分析复杂而耗时，为简化分析，可在二维有限元分析基础上，引入端部效应系数对二维分析结果进行修正，已有分析结果表明，三维电枢绕组磁链约为二维计算结果的85%-95%。

3)直流偏置磁场及其对铁耗的影响。

由于永磁体位于电机定子，导致定子铁心中存在直流偏置磁场。磁密的径向分量和切向分量都是由一个交变分量叠加一个直流分量。直流磁场虽然不会直接在铁心中产生涡流损耗，但它增加了铁心饱和，并使磁滞回线不对称，从而导致定子铁心磁滞损耗增大，在电机的损耗计算中需要特别加以考虑。

控制策略基本控制策略根据电枢电流波形的不同，可以将定子永磁型无刷电机的控制方式分为BLDC和BLAC两种，分别适用于电枢绕组每相空载感应电势为梯形波和正弦波的情况5。

对于BLDC方式，有电流斩波控制(CCC)和角位置控制(APC)两种基本模式，分别适用于电机运行于基速以下的恒转矩区和基速以上的恒功率区。对于BLAC方式，可以采用磁场定向控制，如矢量控制等。此外，针对不同应用需求，还可以采用电流滞环PWM控制、电压空间矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。

转矩脉动抑制策略定子永磁型无刷电机的双凸极结构决定了该电机的转矩脉动可能较大，因此，如何有效抑制转矩脉动是该类电机的重要研究问题。抑制转矩脉动主要可从两个方面入手:一是合理设计电机的定转子齿槽配合以及齿形、槽型等;二是采用合理的控制策略。对于一台已有的定子永磁电机而言，控制策略则是抑制转矩脉动的关键。转矩脉动抑制策略主要有导通角控制法和谐波电流注入法等。

需要指出的是，通过合理设计电机结构和电磁参数，配合适当的控制策略，定子永磁型无刷电机的转矩脉动水平完全可以达到甚至优于传统转子永磁型电机的水平。

磁通控制机械式弱磁与转子永磁型电机类似，定子永磁型无刷电机的气隙磁场主要决定于永磁磁势，因而基本保持不变。而电枢绕组空载感应电势近似与转子速度成正比。因此，无论作为电动机或发电机运行，所允许的转速范围十分有限，极大地限制了其应用领域。如何对永磁电机的气隙磁场进行有效调节，成为永磁电机研究中的一大难点。但定子永磁型无刷电机的永磁体位于定子，为构建磁通可控永磁无刷电机提供了有利条件。

分裂绕组方法当电机结构参数和外加电压一定时，电机的最大转速与绕组匝数及气隙磁密成反比。在定子永磁型无刷电机中，气隙磁密大小主要决定于永磁体，其数值不易改变。但通过分裂绕组改变每相绕组匝数则可有效扩展电机的调速范围，尤其是定子永磁型无刷电机都采用集中电枢绕组，为采用分裂绕组提供了方便1。

磁通记忆永磁电机电励磁和混合励磁电机虽然可以通过调节励磁电流的极性与大小来调整励磁磁场，但励磁绕组中不可避免的产生铜耗，降低电机整体效率。为此，近年来研究人员提出了一种磁通记忆定子永磁无刷电机，通过在线调节永磁体剩磁的大小来调节电机转速，并保持电机高效率。右图所示的双层定子外转子DSPM电机中，具有低矫顽力的永磁体(A1NiCo)和调磁绕组均位于定子内侧，通过在调磁绕组中施加短时脉冲电流，可在线改变永磁体的磁化水平，从而达到在线调节电机气隙磁场的目的。短时脉冲电流在调磁绕组中产生的损耗很小，可忽略不计。

定子永磁型无刷电机的应用电动汽车领域电动汽车/混合动力汽车以其超低的排放甚至零排放、节能环保等特点，受到了高度重视，并获得日益广泛的应用。电机驱动系统是电动汽车的心脏。但电动汽车的特殊运行环境和条件，要求电机系统体积小、重量轻、效率高、可靠性强、免维护、转矩出力大等。特别是在混合动力汽车中，电机系统常与内燃机集成为一体，环境温度高，对电机系统的冷却散热提出了严峻挑战。

在定子永磁型电机中，永磁体和电枢绕组均位于定子侧，易于对永磁体和绕组进行直接冷却，因此非常适合电动汽车领域。

飞轮储能领域在飞轮储能系统中，电机驱动飞轮高速旋转，将电能转换成飞轮的旋转机械能，使得飞轮储能系统非常适合用作电网能量缓冲器和可再生能源发电系统的储能装置等。但是，采用传统转子永磁电机驱动的飞轮储能系统，即使既不充电也不放电，飞轮处于待机储能状态时，高速旋转的永磁体，将在电机铁心中产生大量损耗，不仅增加了发热量，给飞轮系统的散热提出了更高要求，而且导致储能时间只能维持数分钟甚至更短，极大地限制了应用范围6。

定子永磁型电机的转子由整块硅钢片叠压而成，结构简单坚固，非常适合高速运行，令电机转子与飞轮直接藕合，可以显著提高飞轮储能系统的能量转换效率及运行可靠性。尤其是使用磁通记忆永磁电机，在飞轮储能系统进行能量转换前对永磁体充磁，在能量转换完成后再对其去磁，避免了转子随飞轮旋转所产生的铁心损耗，飞轮在储能待机状态近似零损耗。在飞轮放电时，更可根据飞轮转速的高低合理控制永磁体磁化水平，在保证正常放电的前提下，使电机铁耗最小，从而可以显著提高能量利用效率，延长飞轮储能时间。

轨道交通领域城市轨道交通所使用的驱动电机主要有旋转电机和直线电机两种。与旋转电机驱动方式相比，直线电机驱动方式具有诸多优点，如结构简单、寿命长、爬坡能力强、轮径较小、隧道断面小和线路设计自由度大等。较为常见的是直线感应电机和直线式永磁同步电机。目前，直线感应电机驱动的轨道交通线路已获得广泛应用，但直线感应电机的效率和功率因数低;直线式永磁同步电机具有效率高、功率密度高、体积小、性能好等优点，但是传统直线永磁同步电机的电枢绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级，需沿轨道铺设永磁体，制造和维护成本高，限制了其在城市轨道交通等长定子应用场合中的使用。

初级永磁型直线电机具备永磁电机的高效率和高功率密度的优点，同时由于永磁体和绕组均位于电机初级(动子侧)，沿轨道铺设的定子(次级)仅是导磁材料(如碳钢)。该类电机可以显著降低制造成本，基本不需维护，因此在轨道交通领域展现出良好的应用前景。

结语叙述了定子永磁型无刷电机概念的提出、发展和应用，重点分析了3种类型电机的结构特点和运行原理、电磁特性和设计方法、控制策略以及高可靠性设计等关键理论与技术。总体而言，经过近20年的研究与发展，定子永磁型无刷电机系统的分析、设计与控制的基本理论体系已经形成，也揭示出定子永磁型无刷电机作为一种新型永磁无刷电机，具备高效率、高功率密度和高可靠性等优点，在电动汽车、飞轮储能及轨道交通等领域展现出特有的优势和良好的应用前景。

但是，作为一种结构和原理均新颖独特的无刷电机系统，仍有许多理论问题和关键技术有待深入研究，主要有:

1)损耗与温升。定子永磁型无刷电机的结构和工作原理决定了其损耗分布规律不同于传统转子永磁电机，如何准确分析计算其定转子铁心损耗、永磁体损耗等，仍是一个值得深入研究的课题。在损耗分析计算基础上，研究不同冷却条件下电机的温升分布规律和计算规则，则是该电机获得实际应用必须解决的关键问题之一。

2)振动与噪声。定子永磁型无刷电机的双凸极结构，不仅易导致切向力及转矩的波动，也会导致径向力波动，从而引起振动和噪声，但至今尚未引起足够的关注。

3)容错电机与故障诊断。关于容错电机结构设计和容错控制策略已取得一定成果，但主要是针对电机开路故障。而电机系统短路故障的影响可能更为严重，如何设计电机结构和绕组参数，提高电机抗短路能力，以及如何准确诊断定子永磁型电机系统的故障，现有文献甚少涉及。

4)转矩脉动抑制。虽然已有不少文献至力于减小电机系统的定位力矩和力矩脉动，但缺少系统性，对实际电机系统的研究开发指导性不强。

5)与应用相结合的电机新结构。作为一类新型特种永磁无刷电机系统，其未来不应着眼于取代面广量大的传统电机系统，而应主要着眼于充分挖掘定子永磁型电机系统的优势和潜力，寻找与定子永磁型无刷电机系统特性高度契合的新应用或特殊应用，并针对性地设计开发电机新结构。