1.永磁电机系统

1.1永磁电机系统的优势

电能作为当今社会最重要的能源之一，是各种电气设备正常运行的动力支撑。电机作为一种能够实现机电能量转换的装置，既是产生电能的主要工具，同时也是利用电能的典型器件，广泛应用于工业和国防领域，被誉为是“机器心脏”。

在机械生产中，电机常作为各种机械设备的动力来源，驱动和控制轧钢机、纺织机等各种大型工业机械设备正常运行。同时由于其具有低噪声振动、定位精度高等优势。近几年，在数控机床、工业机器人、空间站等国家重器中得到广泛的使用。

电机的工作原理可以通过永磁体进行解释。永磁体间同极相斥，异极相吸，如图1-1所示。对于两个极性相反的永磁体，我们可以利用磁极间的相互作用力，通过拖着一个磁极旋转，从而带动另一个磁极运动。

 

图1-1 永磁体不同极性磁极相互作用

在电机中情况也类似，如图1-2所示，电机主要结构包括电机定子和转子。其中，定子和转子可以看作两块极性相反的磁体。当定子磁场旋转时，定转子磁场间的相互作用力会拖动转子，从而实现转子旋转。

 

图1-2 电机工作示意图

根据磁场产生方式是绕组电励磁还是永磁励磁，电机通常可以简单划分为电励磁电机，例如感应电机，和永磁电机。以感应电机为代表的电励磁电机，经过了近百年的发展，关于其电机本体和控制技术的研究较为成熟，因此在工业界具有最广泛的应用。如图1-3所示是感应电机结构示意图。但电励磁电机转子换向需要依靠电刷和滑环，因此其机械结构限制了电机功率密度无法设计过大，同时降低了电机系统的可靠性。

 

图1-3 感应电机结构

为了提高电机性能以及运行可靠性，利用永磁体代替转子绕组产生磁场是一条可行的路。得益于上世纪七十年代以来稀土永磁材料的进步，以钕铁硼为代表的永磁体在电机中广泛应用。由于摆脱了电刷和滑环，电机系统体积减小、重量减轻，实现转矩密度和功率密度的有效提高，成为高效率和高可靠电机系统的研究方向，如图1-4所示。

 

图1-4 永磁电机结构

1.2转子永磁型电机的劣势

转子永磁型电机根据永磁体安装方式不同可以分为表贴式永磁电机和内嵌式永磁电机，如图1-5和图1-6所示。其中表贴式永磁电机永磁体安装方式简单、气隙磁场正弦程度高、转矩脉动小；而内嵌式永磁电机，能够利用凸极效应提高电机平均转矩，同时具有更宽的调速范围。

虽然采用永磁体能够极大程度上避免传统电励磁电机转子绕组故障，但永磁电机运行过程中仍不可避免会出现运行故障。其中，较为广泛同时比较棘手的问题是由于磁钢退磁导致的电机性能衰退。磁钢出现退磁产生的原因主要有：电枢电流的去磁作用以及温度过大引起的磁钢工作点变化。其中，过温所引起的永磁体不可逆退磁对电机系统影响显著，容易导致系统出现电流大、效率低、堵转等故障。在一般永磁电机中，永磁磁场的作用是为了取代转子电励磁磁场，因此通常永磁体磁钢安装在转子侧，冷却条件差、永磁体散热困难。

为了克服定子永磁电机上述缺陷的影响，容易想到，改变永磁体位置，将永磁体由转子侧转移至定子侧，从而提出定子永磁型电机。目前学术界已经提出多种定子永磁型电机，例如：双凸极永磁电机、磁通切换电机和磁通反向电机等。其中又以磁通切换电机研究最为广泛。

2.定子永磁型磁通切换电机工作原理

2.1工作原理

下图2-1展示了一个经典的定子永磁型磁通切换电机拓扑，其中定子铁心采用模块化设计，每个定子模块之间安装有永磁体，由一块“U”形硅钢片导磁铁心和一片永磁体组成的部分称之为一个“单元（cell）”，则磁通切换电机的定子部分是由多个单元依次紧贴拼装而成，便于电机的生产加工。三相定子绕组安装在定子槽内。转子采用凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体，结构非常简单。由上文提到，电机的工作原理是，定子旋转电枢磁场带动转子磁场旋转。而对于磁通切换电机而言，电枢磁场和永磁磁场均位于定子侧，那么磁通切换电机是如何实现转子旋转呢？

 

图2-1 12槽/10极定子永磁型磁通切换电机

答案就在于永磁体和转子凸极。如图2-2所示是两个典型的一个极距范围内定转子相对位置。在电机中，与电路中电流类似，永磁体产生的磁通会依据“磁通最小原理”，由永磁体经过定子铁心，穿过气隙，由转子凸极进入转子铁心。由于定子绕组围绕永磁体安装。因此，永磁磁通匝链定子绕组，将在定子绕组中感应产生反电势。显然，图中2-2(a)和2-2(b)所示的两种转子位置下，定子绕组所匝链的磁通方向相反，说明当转子在所图所示的两个位置连续转动时，随着转子位置的变化，定子绕组所匝链的磁通不断在正负最大值之间进行周期行变化，从而在定子绕组中感应产生周期性变化的反电势。这种由于转子凸极位置变化所引起的绕组内磁通方向变换过程，称为“磁通切换”。而这种由于转子旋转所引起的绕组内反电势周期性变化类似于有一个虚拟的“旋转”永磁磁场在以转子同步转速在定子绕组中产生反电势。因此，如果在电机定子绕组中通入同相位同频率电枢电流，则电枢电流将产生与“旋转”永磁磁场同步旋转的电枢磁场，电枢磁场和永磁磁场相互作用，即可实现电机的稳定运行。

(a)	(b)	(c)
图2-2定子永磁型磁通切换电机工作原理

2.2定子永磁型磁通切换电机优缺点

对于定子永磁型磁通切换电机，除了上文提到的永磁体热量易于通过定子铁心经外壳冷却通道直接散出，从而避免永磁体温度过高所导致失磁现象外，电机能够利用永磁体聚磁效应提高气隙磁密，从而提高电机转矩密度以及功率密度。

即便如此，当定子永磁型磁通切换电机应用于电动汽车这类对转矩密度/功率密度要求极高的领域时，定子永磁型电机仍存在一下缺陷：

1. 电机必须通过对电枢绕组施加较大电流密度方能产生所需转矩，导致电负荷较大；

2. 电枢绕组、永磁体、定子铁心同时置于定子，必然导致定子铁心面积减小，定子齿宽、轭厚都受到空间限制，在施加较大的电负荷时必然引起定子铁心急剧饱和，转矩出力受限。

为了克服定子永磁型磁通切换电机定子铁心易于饱和、转矩出力受限的缺点，提出一种新的构想，即通过改变永磁体位置，设计一种新型永磁型磁通切换电机。

3.转子永磁型磁通切换电机

3.1转子永磁型磁通切换电机结构

如何解决电机铁心饱和问题是新型电机设计的关键。在定子永磁型磁通切换中，电机定子铁心饱和的根源在于电枢绕组和永磁体同时安装于定子，使得二者分别产生的电枢磁场和永磁磁场同时作用于定子铁心，导致铁心。由此可知，解决饱和问题的关键在于将电枢绕组和永磁体分开布置。

为了保证电机无刷化，电枢绕组必须保留在定子上，因此对于新电机，需要将永磁体转移至转子上。通过前文分析可知，虽然这种永磁体安装方式会在一定程度上降低转子的可靠性，但可以有效提高转子空间利用率。

此外，为了继续继承定子永磁型磁通切换电机转矩密度高的优势，所设计的新电机中所选用的直插型永磁体安装方式依旧保留，利用永磁体的聚磁效应来提高气隙磁密大小。综合上述分析，为了满足上述所有设计需求，本项目创新性地提出了转子永磁型磁通切换电机，如图3-1所示。

将传统三相定子永磁型磁通切换电机的永磁体由定子侧移至转子，与相邻两转子凸极齿共同构成转子模块单元，如图3-2(b)所示。转子模块单元通过卡槽固定于非导磁支撑件上，构成转子整体。而原定子永磁型磁通切换电机相邻两定子“U”型铁心合并成一个整体，共同构成转子永磁型磁通切换电机的电枢齿，如图3-2(b)所示。同时，保持定子永磁型磁通切换电机的电枢绕组结构不变，依然采用集中绕组结构，绕置于合并后的电枢齿上，如图3-2(c)所示。由于永磁体由定子侧移置转子侧，进一步减小了转子永磁型磁通切换电机的集中绕组端部长度，降低端部铜耗。此外，为了给永磁磁链提供回路，在转子旋转过程中实现“磁通切换”，相邻两电枢齿之间添加一个容错齿如图3-2(c)所示。至此，可以得到一台三相转子永磁型磁通切换电机拓扑结构。

 

图3-1 转子永磁型磁通切换电机

 

(a)                   (b)                  (c)

图3-2 转子永磁型磁通切换电机变化过程

3.2工作原理

和定子永磁型磁通切换电机类似，转子永磁型磁通切换电机同样通过转子位置变化实现定子绕组匝链磁通方向变化，所不同的是，对于转子永磁型磁通切换电机，永磁磁场由转子产生。

如图3-3(a)所示，在一个极距范围内当转子齿R1运行到与定子电枢齿A1对齐位置时。依据“磁通最小原理”，永磁体产生的永磁磁通由定子齿穿出，经过气隙进入转子齿中，并与电枢线圈A1匝链。此时，电枢线圈A1匝链的永磁磁链幅值绝对值达到最大。假设此时永磁磁链幅值为正极性最大。则当转子齿R2运行至与电枢齿重合时，如图3-3(b)所示，永磁体产生的永磁磁通以相反方向穿过气隙和电枢齿，并与电枢线圈A1匝链，此时电枢绕组A1中的永磁磁链幅值为负极性最大值。

随着转子的持续旋转，转子齿与电枢齿的相对位置不断变化，电枢线圈A1中匝链的永磁磁链根据转子的不同位置不断切换方向和数量。电枢绕组A1所匝链的永磁磁链在极性和幅值呈周期性变化，说明转子永磁型磁通切换电机保持了定子永磁型磁通切换电机均的“磁通切换”运行原理。

(a)	(b)
图3-3 转子永磁型磁通切换电机工作原理

3.3转子永磁型磁通切换电机优缺点

所提的转子永磁型磁通切换电机定子铁心与传统直流无刷电机结构相似，单层集中式电枢绕组绕置于定子齿上。转子采用模块化结构，即由若干个转子单元（转子极）构成，每个转子单元由两个转子齿与嵌于中间的一块永磁体拼装组成，永磁体沿圆周切向充磁，且充磁方向一致，这也是该类型电机与普通转子永磁电机的根本区别所在。转子单元之间通过非导磁材料固定支撑为一个整体。

通过将永磁体从定子侧转移至转子侧，新型转子永磁型磁通切换电机具有如下优势：

1. 继承了定子永磁型磁通切换电机“磁通切换”原理，依然具有永磁体聚磁效应；

2. 永磁体置于转子，释放了定子空间，提高了电负荷，进一步增加了转矩输出能力；

3. 解决了定子永磁型磁通切换电机定子铁心极易饱和、转矩过载能力弱的缺点；

4. 与定子永磁型磁通切换电机结构相比，转子永磁型磁通切换电机的永磁体用量明显减小，具有更强的转矩输出能力和调速范围。

4.转子永磁型磁通切换电机应用前景

1. 轨道交通方面：磁通切换电机高转矩密度和功率密度特性，适用电动汽车等对电机转矩密度要求较高场合，能够提高驱动系统效率。

图4-1 轮毂驱动

2. 电动涡轮增压：磁通切换电机由于转子结构简单，因此能够实现较高转速下的全封闭运行，提高发动机动力表现，提升燃油经济性。

图4-2 电动涡轮增压

3. 能源行业：磁通切换电机定子绕组采用集中式绕组连接方式，效率高，容错性能好。在风力发电系统中具有较好的应用前景。

图4-3 风力发电

4.参考文献

[1]程明,花为著.定子永磁无刷电机--理论、设计与控制[M].北京:科学出版社,2021:123-151.

[2]https://zhuanlan.zhihu.com/p/45757542

[3] Z. Q. Zhu and D. Howe, "Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles,"Proc. IEEE, vol. 95, no. 4, pp. 746-765, April 2007.

[4] P. Su, W. Hua, Z. Wu, P. Han and M. Cheng, “Analysis of the Operation Principle for Rotor-Permanent-Magnet Flux-Switching Machines,”IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65, no. 2, pp. 1062-1073, Feb. 2018.