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1、双凸极永磁电机浅析双凸极永磁电机浅析 组员：胡森军组员：胡森军 龚孝欣龚孝欣 俞东俞东DSPM 电机（双凸极永磁电机电机（双凸极永磁电机 ）是磁阻电机和永磁电）是磁阻电机和永磁电机的有机结合体，是开关磁阻电机的创造性发展。机的有机结合体，是开关磁阻电机的创造性发展。 开关磁阻电机的双凸极结构在转矩输出方面有一些问题，开关磁阻电机的双凸极结构在转矩输出方面有一些问题，主要表现在主要表现在: (1)由于主开关必须在电感较大处关断，电流换相较慢，从由于主开关必须在电感较大处关断，电流换相较慢，从而降低了转矩输出；而降低了转矩输出；(2)为了增加饱和度以提高开关磁阻电机出力，定转子间气为了增加饱和度以
2、提高开关磁阻电机出力，定转子间气隙较小，因此将产生噪声和振动问题；隙较小，因此将产生噪声和振动问题；(3)开关磁阻电机只能在半周内出力；即正半周电感增加时开关磁阻电机只能在半周内出力；即正半周电感增加时产生电动转矩，产生电动转矩， 而负半周电感减小时产生制动转矩，材而负半周电感减小时产生制动转矩，材料利用率低。料利用率低。 为了解决这些问为了解决这些问题，题，90 年代初，年代初，人们将永磁材料人们将永磁材料嵌入转子嵌入转子(或定子或定子) 体内，形成所体内，形成所谓的双凸极永磁谓的双凸极永磁电机。电机。基基本本结结构构和和工作原理工作原理特点和优缺特点和优缺点点发展前景发展前景双凸极永磁电机
3、基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理 （以（以6/4极的双凸极永磁电机（极的双凸极永磁电机（DSPM）为例）为例 ）定子定子永磁体永磁体转子转子该电机定子铁芯有六个齿极，转子铁芯该电机定子铁芯有六个齿极，转子铁芯有四个齿极，均由导磁良好的硅钢片冲有四个齿极，均由导磁良好的硅钢片冲制后叠成。转子与定子之间有很小缝隙，制后叠成。转子与定子之间有很小缝隙，转子可在定子内自由转动。转子可在定子内自由转动。在定子齿极上绕有线圈，是向电机提供在定子齿极上绕有线圈，是向电机提供工作磁场的励磁绕组。在转子上没有线工作磁场的励磁绕组。在转子上没有线圈。并且在定子轭中对称嵌入了两块高圈。并且在定子轭
4、中对称嵌入了两块高性能永久磁钢。性能永久磁钢。 双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理DSPM中的气隙磁场主中的气隙磁场主要由永久磁钢建立。要由永久磁钢建立。 双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理在理想空载（即各相电流均为零）在理想空载（即各相电流均为零）时时,永久磁钢在各相绕阻中的永磁永久磁钢在各相绕阻中的永磁磁链磁链pm 将随转子位置将随转子位置的变化的变化而周期性地近似线性变化，显然，而周期性地近似线性变化，显然，当定子极和转子极重合时当定子极和转子极重合时pm 最大，而定子和转子极对槽时最大，而定子和转子极对槽时pm最小。最小。 空
5、载情况下：空载情况下：当转子齿进入定子齿下时，该定子当转子齿进入定子齿下时，该定子绕组的磁链和电感均随之增加。绕组的磁链和电感均随之增加。 当转子齿与定子齿完全重合时，磁当转子齿与定子齿完全重合时，磁链有最大值。链有最大值。 当转子齿离开定子齿时，磁链随之当转子齿离开定子齿时，磁链随之减小。减小。当转子齿对着定子槽时，磁链有最当转子齿对着定子槽时，磁链有最小值小值 。双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理负载运行时，相电流为负载运行时，相电流为iph ，其在相绕阻中将产生，其在相绕阻中将产生自感磁链自感磁链i ，因为永久磁钢相当于气隙的高磁阻，因为永久磁钢相当于气隙的
6、高磁阻，迫使迫使i沿相邻极铁芯闭合。沿相邻极铁芯闭合。当定子极和转子极重合时当定子极和转子极重合时i 的路径经大的气隙闭的路径经大的气隙闭合，对应电感值和定、转子极对槽位置时电感值一合，对应电感值和定、转子极对槽位置时电感值一样，均为最小值。样，均为最小值。当定、转子极一半重叠位置处，当定、转子极一半重叠位置处，i 闭合路径经过闭合路径经过的气隙最小，对应电感值最大的气隙最小，对应电感值最大。 双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理图中表现了磁链图中表现了磁链pm 以及相电感随转子位置以及相电感随转子位置的变化而变化的规律。的变化而变化的规律。双凸极永磁电机基本结构和
7、工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理电磁转矩分析电磁转矩分析设通入的三相电流为图设通入的三相电流为图2（b）所示的）所示的“理想理想”方方波电流，波电流，即在相绕阻永磁磁链即在相绕阻永磁磁链pm 增加区通入幅值为增加区通入幅值为Im 的的“正向电流正向电流”增强增强pm ，在在pm 减少区通入幅值为减少区通入幅值为Im 的的“负向电流负向电流”削弱削弱pm。 双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理基于线性假设，以一相绕组单独通电为例进行分析基于线性假设，以一相绕组单独通电为例进行分析 ，这时，这时相绕组磁链相绕组磁链ph为永磁磁链为永磁磁链pm 与其自感磁链与其自
8、感磁链i 之和，之和，即：即：其对应的磁共能为：其对应的磁共能为：由机电能量转换原理由机电能量转换原理,一相电磁转矩为：一相电磁转矩为：双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理由上述计算可得下图由上述计算可得下图双凸极永磁电机基本结构和工作原理双凸极永磁电机基本结构和工作原理特点以及优缺点特点以及优缺点1.定转子均为凸极结构；定转子均为凸极结构；特点特点2.定子齿上装有集中式绕组；定子齿上装有集中式绕组；3.转子上既没有绕组，也没有永磁体转子上既没有绕组，也没有永磁体适合高速运行；适合高速运行；4.定子上装有永磁体定子上装有永磁体结构稳定，易于冷却；结构稳定，易于冷却；
9、5.由于主磁路中放有两块磁导率与空气相近的永磁体，由于主磁路中放有两块磁导率与空气相近的永磁体，绕组电感比绕组电感比SR电机要小很多。电机要小很多。双凸极永磁电机双凸极永磁电机1、结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高；、结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高；2、因主磁场由高性能永磁体建立、因主磁场由高性能永磁体建立,相绕组匝数较少、相绕组匝数较少、相电流较小，铜耗较低，故可提高系统效率；相电流较小，铜耗较低，故可提高系统效率；3、因在一个转子极距中，绕组均可通电工作，产生、因在一个转子极距中，绕组均可通电工作，产生电动转矩，故增大了输出转矩，提高了单位体积能电动转矩，故增大
10、了输出转矩，提高了单位体积能量转换密度和转矩密度；量转换密度和转矩密度；4、转矩脉动较小，且功率密度高，材料利率高、转矩脉动较小，且功率密度高，材料利率高 ；5、因为相电流换向位置处的电感小，故换向冲击振、因为相电流换向位置处的电感小，故换向冲击振动和噪声较小。动和噪声较小。 优点优点双凸极永磁电机双凸极永磁电机1、DSPM 采用双极性功率变换器，以能提供正、负向电流，采用双极性功率变换器，以能提供正、负向电流，不仅所用主开关器件多（每相至少要用两只主开关器件），不仅所用主开关器件多（每相至少要用两只主开关器件），而且存在因误触发使上、下桥臂直通故障的隐患；而且存在因误触发使上、下桥臂直通故障
11、的隐患；2、永久磁钢的引入，降低了电动机结构整体性和坚固程度；、永久磁钢的引入，降低了电动机结构整体性和坚固程度； 3、磁阻转矩虽然在理想条件下其平均值为零，但实际运行、磁阻转矩虽然在理想条件下其平均值为零，但实际运行中，若控制参数不合适，不仅可能形成负的平均转矩，削中，若控制参数不合适，不仅可能形成负的平均转矩，削弱电动机的输出转矩，而且会增大瞬时转矩脉动；弱电动机的输出转矩，而且会增大瞬时转矩脉动； 4、存在高温环境运行能力有限、调速范围不易改变等局限、存在高温环境运行能力有限、调速范围不易改变等局限。 缺点缺点2024/8/23双凸极永磁电机控制及功率变换电路双凸极永磁电机控制及功率变换
12、电路发展现状及应用前景发展现状及应用前景学者在了解其以上特性之后，在对学者在了解其以上特性之后，在对DSPM电机的研究中，主要开电机的研究中，主要开展以下几方面的工作：展以下几方面的工作： 1. 参数和静态特性的分析计算参数和静态特性的分析计算 2. 永磁材料最佳用量永磁材料最佳用量3. 弱磁控制弱磁控制发展现状发展现状发展现状及应用前景发展现状及应用前景为了进一步了解该电机的特点及与其他电机的区别，下表列出了为了进一步了解该电机的特点及与其他电机的区别，下表列出了几种电机的性能比较。几种电机的性能比较。应用前景应用前景在外形尺寸基本相同的情况下，在外形尺寸基本相同的情况下，DSPM 电机的转
13、矩电机的转矩/电流比和电流比和转矩转矩/惯量比均明显高于其他各类电机惯量比均明显高于其他各类电机,而其永磁材料用量不到而其永磁材料用量不到永磁无刷直流电机和永磁同步电机的一半永磁无刷直流电机和永磁同步电机的一半,具有明显的优势。具有明显的优势。 发展现状及应用前景发展现状及应用前景随着微电子和电力电子技术的进一步发展，电子随着微电子和电力电子技术的进一步发展，电子元器件成本的下降，单片机功能的日益完善，高元器件成本的下降，单片机功能的日益完善，高性能的永磁材料的普及和成本的下降，以及性能的永磁材料的普及和成本的下降，以及DSPM 电机设计理论，系统优化设计，控制策略电机设计理论，系统优化设计，控制策略等的深入研究，等的深入研究，DSPM 电机调速系统可能在成本、电机调速系统可能在成本、性能方面超出现有的交流变频调速系统和开关磁性能方面超出现有的交流变频调速系统和开关磁阻电机调速系统，在调速和伺服（电动汽车）领阻电机调速系统，在调速和伺服（电动汽车）领域取得突破性发展。域取得突破性发展。 应用前景应用前景
