1.2.2 永磁雙凸極電機(jī)的發(fā)展方向

定子永磁型電機(jī)是由SRM發(fā)展而來(lái)。SRM是一種典型的雙凸極結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由硅鋼片疊壓而成，定子上僅有集中繞組。因此，SRM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、制造成本低、適合高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但是，SRM僅能在磁鏈上升區(qū)間產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)矩密度較低；同時(shí)，為了獲得較高的氣隙磁密，SRM鐵心一般工作在較飽和工況，從而造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲高、振動(dòng)強(qiáng)等問(wèn)題[21-24]。為提高SRM轉(zhuǎn)矩密度，改善其轉(zhuǎn)矩性能，相關(guān)學(xué)者通過(guò)直流勵(lì)磁繞組建立氣隙磁場(chǎng)，以增強(qiáng)氣隙磁密。該方法雖能在一定程度上提高SRM的轉(zhuǎn)矩密度，但其工作原理并未發(fā)生本質(zhì)變化，僅在磁鏈上升區(qū)間產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩密度仍然較低。

1992年，美國(guó)電機(jī)專家T. A. Lipo教授在SRM的基礎(chǔ)上提出了一種新結(jié)構(gòu)磁阻電機(jī)，在電機(jī)定子軛上嵌入一套永磁體，即永磁雙凸極電機(jī)（DSPM）。電機(jī)定/轉(zhuǎn)子仍呈雙凸極結(jié)構(gòu)，圖1.3為6/4極結(jié)構(gòu)DSPM，圖1.4為12/8極結(jié)構(gòu)DSPM。經(jīng)過(guò)大量的分析與研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)結(jié)合永磁特性與雙凸極結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的DSPM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、速度響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩密度高和效率高的特點(diǎn)。同時(shí)T. A. Lipo教授也提出了此種電機(jī)相應(yīng)的控制方式，在電感上升區(qū)間（dL(θ)/dθ>0）通入正向電流，在電感下降區(qū)間（dL(θ)/dθ<0）通入反向電流。在一個(gè)電感周期內(nèi)產(chǎn)生對(duì)稱的正、負(fù)磁阻轉(zhuǎn)矩，并相互抵消，電機(jī)最終輸出的是永磁轉(zhuǎn)矩，該控制方式提升了電機(jī)材料利用率。DSPM同樣會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且永磁場(chǎng)幾乎是恒量勵(lì)磁磁場(chǎng)，無(wú)法靈活有效地調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)[25,26]。

因永磁場(chǎng)的不可調(diào)節(jié)性，DSPM作為發(fā)電機(jī)時(shí)勵(lì)磁調(diào)磁、調(diào)壓非常困難，也不具備故障滅磁能力，所以此種電機(jī)結(jié)構(gòu)不太適合用于發(fā)電系統(tǒng)。基于上述考慮，學(xué)者們?yōu)閷?shí)現(xiàn)DSPM氣隙磁場(chǎng)的可調(diào)節(jié)性，對(duì)嵌入永磁體的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，相繼提出了兩種機(jī)械調(diào)磁的DSPM，如圖1.5所示，其中圖a為旋轉(zhuǎn)式機(jī)械調(diào)磁DSPM，圖b為直線式機(jī)械調(diào)磁DSPM。這兩種電機(jī)的永磁體仍嵌于定子上，但可通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)永磁體位置以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)。永磁體靠近勵(lì)磁磁極時(shí)永磁場(chǎng)分流，氣隙磁場(chǎng)減弱；永磁體遠(yuǎn)離勵(lì)磁磁極時(shí)氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)。但這兩種DSPM制作工藝過(guò)于復(fù)雜，削弱了SRM固有的成本低、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，特別是在高溫環(huán)境下永磁體存在高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)[27]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)DSPM的關(guān)注也較早，相繼開(kāi)展了其本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制方法方面的研究，取得了較多的成果。例如，南京航空航天大學(xué)的嚴(yán)仰光教授和東南大學(xué)的程明教授對(duì)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，與6/4極結(jié)構(gòu)相比，8/6極結(jié)構(gòu)和12/8極結(jié)構(gòu)在功率密度和電機(jī)性能方面都具有優(yōu)越性，并提出了多種結(jié)構(gòu)形式的DSPM，為雙凸極電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[28,29]。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)DSPM進(jìn)行了大量研究，相關(guān)研究可概括為以下兩類：電磁特性分析和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究。其中，電磁特性分析采用的主要方法包括有限元法、解析法、簡(jiǎn)單磁路法和變網(wǎng)絡(luò)磁路模型等；新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要圍繞提升轉(zhuǎn)矩密度、降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、改善弱磁性能等方面進(jìn)行。

1.電磁特性

（1）有限元法與解析法

有限元法以電機(jī)電磁場(chǎng)分布為基礎(chǔ)，綜合考慮電機(jī)材料和磁路的非線性等因素，對(duì)電機(jī)電磁特性進(jìn)行細(xì)致分析。然而，由于需要對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分或采用特殊動(dòng)態(tài)網(wǎng)格剖分技術(shù)，其求解區(qū)域較大、計(jì)算單元眾多，存在計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。解析法是從電機(jī)基本理論出發(fā)，通過(guò)理想化假設(shè)將電機(jī)近似看作線性系統(tǒng)，從而推導(dǎo)其電磁參數(shù)（磁鏈、電感、轉(zhuǎn)矩和功率等）與主要設(shè)計(jì)參數(shù)（熱負(fù)荷、磁負(fù)荷、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)等）之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)電機(jī)電磁性能進(jìn)行分析。由于鐵心飽和等多方面非線性因素的影響，解析法準(zhǔn)確度相對(duì)較差。因此，在對(duì)DSPM電磁特性進(jìn)行分析時(shí)，一般將解析法和有限元法進(jìn)行結(jié)合。

參考文獻(xiàn)[30]通過(guò)相關(guān)理論推導(dǎo)分析了一臺(tái)三相6/4極轉(zhuǎn)子永磁型DSPM（見(jiàn)圖1.6）的工作原理和基本控制策略，并通過(guò)建立線性數(shù)學(xué)模型分析了其靜態(tài)特性。參考文獻(xiàn)[31]提出了兩種計(jì)算DSPM電感的方法，該方法能夠在一定程度上考慮永磁體和電樞反應(yīng)對(duì)電感的影響。參考文獻(xiàn)[32]基于有限元法分析了6/4極DSPM（見(jiàn)圖1.7）的空載磁鏈、自感、互感等靜態(tài)特性，并利用參考文獻(xiàn)[33]所述電感計(jì)算方法分析了其電感。參考文獻(xiàn)[34]提出了一種橄欖型四相8/6極DSPM，如圖1.8所示。通過(guò)相關(guān)理論分析，推導(dǎo)了其尺寸方程，為電機(jī)初始方案的確定提供了參考；同時(shí)，基于有限元法分析了其空載磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)和電感等特性。參考文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)了一臺(tái)轉(zhuǎn)子斜極的12/8極DSPM，如圖1.9所示，并基于有限元法和相關(guān)理論推導(dǎo)，分析了電機(jī)的空載磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電感和轉(zhuǎn)矩特性。參考文獻(xiàn)[36]提出了一種外轉(zhuǎn)子12/8極DSPM，推導(dǎo)了其尺寸方程，建立了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)電機(jī)的磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電感和輸出功率等進(jìn)行了分析。

（2）簡(jiǎn)單磁路法

簡(jiǎn)單磁路法通過(guò)理想化假設(shè)（忽略鐵心飽和等非線性因素影響）將電機(jī)簡(jiǎn)化為線性系統(tǒng)，根據(jù)電機(jī)基本理論得到簡(jiǎn)單等效磁路模型，進(jìn)而對(duì)氣隙磁通、電感、繞組磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)等特性進(jìn)行分析。由于忽略鐵心飽和等因素影響，其誤差相對(duì)較大，僅可對(duì)電機(jī)電磁特性進(jìn)行近似計(jì)算。參考文獻(xiàn)[37]通過(guò)建立空載工況下12/8極混合勵(lì)磁DSPM簡(jiǎn)單等效磁路模型（見(jiàn)圖1.10），推導(dǎo)了最大氣隙磁通表達(dá)式，進(jìn)而分析了直流勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)和鐵心磁橋?qū)﹄姍C(jī)調(diào)磁能力的影響。

相關(guān)分析結(jié)果表明，引入鐵心磁橋，可極大地提高直流勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力。參考文獻(xiàn)[38]提出了一種無(wú)軸承12/8極DSPM，該電機(jī)通過(guò)一套懸浮繞組產(chǎn)生懸浮力，如圖1.11所示。該文通過(guò)建立電機(jī)簡(jiǎn)單磁路模型推導(dǎo)了電機(jī)懸浮力表達(dá)式，并通過(guò)有限元法分析驗(yàn)證了相關(guān)分析。

（3）變網(wǎng)絡(luò)磁路模型

變網(wǎng)絡(luò)磁路模型基本思想為：基于電機(jī)電磁場(chǎng)基本理論，將永磁體磁動(dòng)勢(shì)和電機(jī)各部分磁路磁阻通過(guò)公式表示出來(lái)，通過(guò)搭建電機(jī)等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，建立磁網(wǎng)絡(luò)方程，并采用電路理論相關(guān)知識(shí)求解該方程，以得到各部分磁路磁通，進(jìn)而對(duì)電機(jī)氣隙磁密、電感、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)等電磁參數(shù)進(jìn)行分析。同時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，可對(duì)磁網(wǎng)絡(luò)模型各支路氣隙磁阻進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而可計(jì)算不同轉(zhuǎn)子位置處的電磁特性。該方法具有求解速度快、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電機(jī)氣隙磁路復(fù)雜（難以準(zhǔn)確計(jì)算）、磁路飽和等因素的影響，該方法求解精度較有限元法差，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)引入相關(guān)修正系數(shù)（加大了分析難度），以滿足工程需求。

參考文獻(xiàn)[39]研究了6/4極和12/8極DSPM的非線性變網(wǎng)絡(luò)磁路模型，該模型能在一定程度上考慮鐵心飽和對(duì)電機(jī)靜態(tài)特性的影響。參考文獻(xiàn)[40]研究了48/64極DSPM磁網(wǎng)絡(luò)模型的建立方法，并與有限元法進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)該方法計(jì)算的電機(jī)空載磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電感以及轉(zhuǎn)矩等電磁參數(shù)均與有限元法分析結(jié)果較接近，從而提高了電機(jī)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。由于定子和轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，DSPM氣隙磁導(dǎo)非常復(fù)雜，且難以準(zhǔn)確計(jì)算；同時(shí)，該方法需要結(jié)合有限元法結(jié)果進(jìn)行校核修正，以確保其精度，當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，所用修正系數(shù)可能發(fā)生變化。因此，采用該方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其準(zhǔn)確度相對(duì)較差，難以獲得較好的效果。

2.新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）提升轉(zhuǎn)矩密度

傳統(tǒng)6/4極或12/8極DSPM繞組磁鏈為單極性，磁鏈變化幅度相對(duì)較小，為了獲得雙極性磁鏈的DSPM，進(jìn)而改善其轉(zhuǎn)矩輸出性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。參考文獻(xiàn)[41]提出了一種圖1.12a所示的單相4/6極DSPM，該電機(jī)電樞繞組為整距繞組，并采用階梯氣隙結(jié)構(gòu)。文中對(duì)該電機(jī)的工作原理、數(shù)學(xué)模型及基本控制方式進(jìn)行了探討，表明該電機(jī)可獲得雙極性磁鏈，并能夠?qū)崿F(xiàn)自起動(dòng)。參考文獻(xiàn)[42]提出了圖1.12b所示采用整距繞組的單相DSPM，其采用方形定子鐵心結(jié)構(gòu)，可放置更多永磁體，因而轉(zhuǎn)矩密度得以進(jìn)一步提高。文中對(duì)該電機(jī)的空載磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電感以及轉(zhuǎn)矩等電磁特性進(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)采用集中繞組結(jié)構(gòu)的DSPM進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，該電機(jī)能獲得與傳統(tǒng)采用集中繞組的DSPM相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩密度，但具有銅耗更小、效率更高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

DSPM為定子和轉(zhuǎn)子均開(kāi)槽的雙凸極結(jié)構(gòu)，其齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相對(duì)較高。為了減小DSPM的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。參考文獻(xiàn)[43]通過(guò)理論分析推導(dǎo)了6/4極DSPM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)表達(dá)式，并深入分析了影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的關(guān)鍵因素，進(jìn)而提出轉(zhuǎn)子斜槽和優(yōu)化開(kāi)通關(guān)斷角的方法，以減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。參考文獻(xiàn)[44]提出了定子分段式新型12/10極DSPM以降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，如圖1.13所示。但該結(jié)構(gòu)永磁體漏磁較大，其利用率相對(duì)較低。此外，也有相關(guān)學(xué)者通過(guò)改進(jìn)控制方式來(lái)降低DSPM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。例如，參考文獻(xiàn)[45]通過(guò)對(duì)6/4極DSPM的定轉(zhuǎn)子極弧進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合轉(zhuǎn)子斜槽和六狀態(tài)換流控制模式，極大地降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。參考文獻(xiàn)[46]通過(guò)基因遺傳算法對(duì)6/4極DSPM開(kāi)通關(guān)斷角進(jìn)行優(yōu)化控制，進(jìn)而降低了電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

（3）改善弱磁性能

由于DSPM氣隙磁場(chǎng)僅由永磁體建立，存在氣隙磁密難以調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于較高轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組中將產(chǎn)生較高的反電動(dòng)勢(shì)，如果反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到變頻器能提供的最高電壓（一般為電機(jī)的額定工作電壓），能量則無(wú)法再?gòu)淖冾l器輸入到電機(jī)，從而限制其轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升。因此，DSPM一般難以獲得較寬的恒功率運(yùn)行范圍（弱磁擴(kuò)速能力較差）。同時(shí)，為了獲得低速大轉(zhuǎn)矩特性，DSPM的氣隙磁密一般設(shè)計(jì)在較高的水平，從而進(jìn)一步降低了其弱磁擴(kuò)速能力，即DSPM難以同時(shí)獲得低速大轉(zhuǎn)矩和寬調(diào)速范圍的運(yùn)行特性。為了解決DSPM弱磁擴(kuò)速能力較差的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者提出了混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)（Doubly Salient Hybrid Excitation Machine, DSHEM）。通過(guò)控制直流勵(lì)磁繞組中電流的大小和方向，DSHEM可方便調(diào)節(jié)氣隙磁密大小，從而能夠獲得較強(qiáng)的弱磁擴(kuò)速能力。同時(shí)，也能保證DSHEM在低速時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度。

根據(jù)直流勵(lì)磁繞組和永磁體磁路的特點(diǎn)，可將DSHEM分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式。其中，串聯(lián)式表示直流勵(lì)磁繞組磁路通過(guò)永磁體；并聯(lián)式表示直流勵(lì)磁繞組磁路不通過(guò)永磁體；混合式表示直流勵(lì)磁繞組磁路部分通過(guò)永磁體。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)以上三種結(jié)構(gòu)的DSHEM均開(kāi)展了大量研究。參考文獻(xiàn)[47,48]將SMC（軟磁復(fù)合）材料應(yīng)用到DSHEM中（見(jiàn)圖1.14），從而減少了永磁體用量，并獲得了一定弱磁擴(kuò)速能力。但是，該電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難，且SMC材料飽和磁密較低，使得轉(zhuǎn)矩密度較低和磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力較弱。

參考文獻(xiàn)[49]提出了一種并聯(lián)式12/8極DSHEM，該電機(jī)由一臺(tái)DSEM與一臺(tái)DSPM同軸連接組成，從而能夠獲得較大的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，但其體積較大、功率和轉(zhuǎn)矩密度較低。參考文獻(xiàn)[50]提出了一種永磁體位于槽間的12/10極DSHEM（見(jiàn)圖1.15），該結(jié)構(gòu)電機(jī)能夠獲得較高的轉(zhuǎn)矩密度和磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，但永磁體中存在較高的渦流損耗，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率偏低。參考文獻(xiàn)[51]提出了一種6/4極DSHEM（見(jiàn)圖1.16），并基于等效磁路法分析了氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)系數(shù)與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。研究表明，該結(jié)構(gòu)能夠獲得較強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，但是永磁體存在較大漏磁，導(dǎo)致電機(jī)材料利用率和轉(zhuǎn)矩密度偏低。