一．主要内容与待解决的问题

双凸极永磁电机现在得到了快速发展，然而开关磁阻电机的双凸极结构也给其转矩输出带来一些问题,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产生电动转矩,而负半周电感减小时产生制动转矩,材料利用率低。为了解决这些问题,充分利用双凸极结构的特点, 90年代初,人们将永磁材料嵌入转子(或定子)体内,形成所谓的双凸极永磁电机,当定子极弧满足一定条件时,磁铁工作点不随转子位置角而改变,绕组永磁磁链仅与该相磁导成正比;永磁转矩远大于磁阻转矩且与电流成正比,因此,在正、负半周分别通入正、负电流时,电机均产生正转矩,使该电机的单位体积出力比开关磁阻电机成倍增加。

同时,由于转子(或定子)内嵌入低磁导率的永磁材料,使绕阻电感小,这一方面使电流迅速换向成为可能,另一方面使磁场储能小,电机的能量转换率高。由于DSPM电机中电枢反应磁链远小于永磁磁琏,对合成磁链影响不大,而开关磁阻电机只有电枢反应磁链,它的大小主要由电流决定,故DSPM电机的绕组电流可以远小于开关磁阻电机的绕组电流,因而DSPM电机的发热和噪声远小于开关磁阻电机。近年来,DSPM电机的研究日益受到重视,

DSPM电机的结构也有一定的改进,逐渐提出了单相、三相的定子永磁的双凸极电机。但由于永磁体放在定子轭部,不仅永磁体安装困难,而且DSPM电机的定子集中绕组所交链的磁链从最小值变化到最大值,只是发生脉振式变化,而没有改变极性,使得DSPM电机磁链相对于转子位置的变化较小,在给定磁动势下产生的转矩较低。为了从根本上改变DSPM电机磁通脉振式变化本质,R.P.Deodhar等提出了一种磁通反向的DSPM电机(磁通反向电机FRM),它将永磁体放在定子齿的表面,随着转子的旋转,定子绕组所交链的磁通发生双极性变化。这时的FRM与绕组磁链脉振的DSPM电机相比,FRM的材料利用率较高,它在没有成倍增加材料重量的前提下,产生两倍的磁链变化率;磁通双极性变化,一定的定子磁动势会产生更大的转矩,功率密度较高;永磁体易于安装。

二、设计方法与实施方案

2.1 分析方法

对DSPM电机的定性分析,控制策略的制定以及电机的初步设计等均有重要价值。但由于电机的双凸极结构及永磁体的存在,整个系统为一强非线性系统,在准确分析电机性能、合理设计控制电路及计算静态特性时,必须考虑电机的非线性和电枢反应的影响.

(1)解析法　此方法假定铁芯磁导率=∞,铁芯和气隙的分界面为等位面,定、转子槽无限深,然后利用保角变换法计算出定子极中心线分别与转子槽中心线和转子极中心线相重合时的气隙磁导和电感,即最小和最大电感。

(2)有限元法　对DSPM电机的非线性磁场进行有限元分析,这时可以考虑到电机结构的几何形状和铁磁材料的非线性饱和特性。有限元法可以准确地计算各个不同转子位置和不同绕组电流时绕组磁链和电感的大小。

2.2永磁材料最佳用量

在DSPM电机中,永磁转矩起主要作用,故永磁材料的用量对电机的性能影响较大,增加永磁体,可提高电机的输出转矩,但使磁路过于饱和,损耗增加,机体发热,同时增加电机成本，研究了永磁材料用量对电机静态特性的影响,得到一组曲线,有一定的参考价值。但并未研究电机的几何尺寸以及电枢电流对永磁材料用量的影响,DSPM电机的永磁体尺寸的选择应综合电机的性能、尺寸、成本和驱动电路等因素来考虑,有待进一步深入研究,从而得到一个最佳永磁材料用量。

2.3弱磁控制

由于DSPM电机转子结构简单、坚固,得到广泛地应用。但在高速运行时,将产生过高的永磁感应电势,为了维持恒定的功率输出,应设法减弱气隙中的永磁磁场，给出了几种DSPM电机的弱磁控制方法,其中一种是用机械力将铁磁材料靠近定子上的永磁体,从而”短路”一部分永磁磁通,;另一种比较实用的方法是采用铁磁与非磁性材料交替排列的外壳套在定子外,通过旋转外壳达到弱磁控制的目的。以上两种方法都是通过一定的机械装置来进行弱磁控制,方法简单,但使电机结构复杂化,增加成本。