新型双凸极永磁记忆电机的特性分析

　　0 引言

　　相比转子永磁型电机，定子永磁型电机在永磁体散热、转子结构强度等方面具有一定优势。早在1955 年，定子永磁型交流电机便已出现[1]，但是受当时永磁材料的性能所限，并没有得到进一步的发展。直至 20 世纪 90 年代，随着稀土永磁材料与功率器件的不断革新，定子永磁型电机的典型代表之一，双凸极永磁(doubly salient permanent magnet，DSPM)电机的概念才由 Lipo 教授提出并逐步完善起来[2]。DSPM 电机既具有开关磁阻电机的鲁棒性，又能通过绕组电流的双极性控制，有效改善转矩密度。近 10 年来国内外在该电机的结构设计[3-7]、算法理论[8-10]及驱动控制[11-14]等方面已经取得了一系列卓有成效的研究成果。特别是在电机设计上，为了增加电机的弱磁扩速能力，提出了包括机械分磁[3]、分裂绕组[4]和混合励磁[5]等方法，前两者通过外加装置方式旁路掉部分永磁磁通和减少绕组匝数达到扩速的效果，操作稍显复杂;后者直接利用励磁绕组磁势来削弱永磁磁通，但是持续的励磁电流会产生额外的损耗，因此，如何更方便、高效地实现DSPM 电机气隙磁场较宽范围的调节是一个研究热点。

　　为了更好地解决弱磁问题，本文把记忆电机的概念引入到 DSPM 电机的设计中。记忆电机是由Ostovic 在 2001 年首次提出的[15]，其设计关键点可以归纳为 2 个方面：第一，采用具有记忆功能的永磁体，所谓记忆功能就是指能够随时对永磁体进行在线反复充去磁，并根据记录的充去磁参数随时调用以满足运行目标，满足这一要求的永磁体必须具有低矫顽力的特点，同时为了得到较高的力能指标，永磁体的剩磁应尽可能大，典型的材料即为铝镍钴(AlNiCo);正由于矫顽力较低，因此避免电枢反应对永磁体工作点的扰动就成为了第 2 个要求。

　　不同于记忆电机原型机使用电枢绕组去磁的形本文提出的 DSPM 记忆电机采用了混合励磁结构形式，可以更方便地调节永磁磁场;同时，由于采用了外转子结构，直流绕组可充分利用内定子轭部的空间，在结构上较紧凑;再次，永磁体与电枢槽的相对位置决定了电枢反应几乎不会对永磁体产生影响。

　　1 电机基本结构与设计原理

　　图1 给出了新型 DSPM 记忆电机的剖面示意图。该电机采用五相绕组形式，电机采用外转子结构，既可用作车辆轮毂电机，又可与风叶片直接耦合作为风力发电机使用，减少中间传动环节，提高效率。电机内定子由 3 部分构成，分别为电枢绕组、直流调磁绕组与永磁体层。每个永磁体对应 5 个齿槽，分别放置五相集中绕组。永磁体之间的开槽既起到隔磁，减轻重量的作用，又能放置直流绕组对永磁体进行在线调磁，降低了控制难度。直流绕组采用一个全桥电路来控制，以便在需要的时候提供双向电流脉冲，对永磁体进行在线充、去磁。由于持续时间很短(100ms 左右)，所引起的铜耗几乎可以忽略。