新型磁阻電動機的發展綜述
謝大綱，寇寶泉，程樹康
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱市150001)
摘要：磁阻電動機通常具有結構簡單、成本低、可靠性高、調速范圍寬等優點，因此越來越成為國內外學者研究的熱點。作者在分析國內外磁阻電動機研究現狀的基礎上，提出了磁力線開關型混合勵磁磁阻電動機的新方案，并介紹了其結構和工作原理。
關鍵詞：磁阻電動機；永磁體；開關磁阻電動機；混合勵磁
中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)04—0057—03
0引 言
磁阻電動機從電動機本體和驅動方式上大致可分為同步磁阻電動機、開關磁阻電動機和低速同步磁阻電動機(旋轉磁場工作和脈振磁場工作)。同步磁阻電動機采用正弦波驅動，轉子的轉速與旋轉磁場的轉速相同，由于功率因數和效率較低，目前只是在小功率驅動領域有所應用；低速同步磁阻電動機可以采用正弦波驅動(低速同步電動機)，也可以采用方波驅動(步進電動機)，基本上也只是應用在小功率、開環控制領域，難以形成大功率驅動系統。開關磁阻電動機(以下簡稱sRM)由于具有結構簡單、成本較低、運行可靠、控制靈活、在寬廣的調速范圍內效率較高等優點，成為感應電動機、直流電動機和永磁同步電動機的強有力的競爭者，在工業、農業以及國防等領域的應用越來越廣泛[1]。
近年來，隨著磁性能的提高與成本的降低，稀土永磁材料在各個領域得到了迅速的普及應用，采用稀土永磁體勵磁極大地提高了電機的性能，新型稀土永磁電動機進入了一個嶄新的發展階段。因此，如何將高性能的稀土永磁材料與磁阻電動機有機地結合，來提高電動機的性能，成為電機領域的一個研究熱點。本文對近幾年國內外磁阻電動機的發展進行一下分析。
1磁阻電動機的國內外研究現狀
1 1圓筒形開關磁阻電動機
圖1為圓筒形開關磁阻電動機的基本結構[2]。該電動機在轉子大極之間設有窄極，窄極上繞有短路繞組。當電機定子勵磁時，漏磁通會在設在q軸的短路繞組中會感應電流，該電流會阻止q軸方向上漏磁通的通過，從而減小漏磁，增大了電機的輸出轉矩。但是由于轉子有短路繞組，限制了電機的極限轉速，增大了系統的復雜性。
1．2雙極性驅動開關磁阻電動機
1999年韓國學者提出了一種三相開關磁阻電動機兩相同時勵磁的新型控制方案[3]，如圖2所示。這種方案類似于步進電動機的三相六拍運行，任何時刻都有兩相繞組同時通電，避免了繞組的突然切換，從而大大減小了電動機的轉矩波動，降低了電動機的噪聲；電機的驅動系統采用與普通三相感應電動機變頻器相同的主回路，大大簡化了驅動主回路，提高了驅動系統的可靠性，降低了系統的成本。
1．3混合式開關磁阻電動機
為了提高電機效率和功率因數，減小振動和噪聲，在傳統開關磁阻電動機的轉子上安裝上與轉子極數不同的永磁體磁極，便形成了混合式開關磁阻電動機[4]，電動機的基本結構如圖3所示。通過雙極性驅動，既可利用定、轉子間的磁阻轉矩，又可利用定子與轉子永磁體之問的轉矩，能夠提高電動機的轉矩重量比。但該電動機由于定位轉矩的存在，如果控制方法不得當，反而會使輸出轉矩低于傳統的開關磁阻電動機，而且永磁體位于轉子上，限制了電動機的極限轉速。
1.4雙凸極永磁電動機
雙凸極永磁電動機(以下簡稱DsPM電動機)電機的基本結構如圖4所示[5]。與傳統的12／8極開關磁阻電動機相比，區別主要在于定子軛部對稱地嵌入四塊永磁體。由于永磁體的引入，該種電機的磁場分布與傳統開關磁阻電動機有較大的區別。當定子繞組通電時，繞組電流與永磁體磁場作用，產生電磁轉矩。同時可以看出，在單相繞組單獨通電情況下，若不考慮永磁體磁場，則可視永磁體區域為氣隙，給繞組磁通回路帶來較大的磁阻，因此在齒對齒以及齒對槽位置，繞組電感均較小，這也給電機相間快速換流提供了有利條件。
該電機保留了傳統開關磁阻電動機結構簡單的優點，同時通過高性能永磁體的引入，克服了傳統開關磁阻電動機中存在的換流相對較慢、能量利用率較低的缺點，增加了電機的轉矩密度。理論分析與實驗結果均表明，雙凸極永磁電動機在小功率變速驅動領域里有著廣泛的應用前景。但由于該電機的結構工藝性較差，不適合大功率驅動系統。
1.5具有弱磁功能的雙凸極永磁電動機[6]
該電機的定轉子結構如圖5所示。電機中永磁體采用鐵氧體，貼在定子軛鐵的內表面與定子電樞鐵心之間；在圓周方向布置有直流場控繞組，直流場控繞組產生磁通與永磁體產生磁通的方向相同或相反。因此，只要改變各相定子繞組電流方向，即可使氣隙磁場增加或減弱，從而產生電磁轉矩。與開關磁阻電動機相比，該電機****的特點是繞組的電流是交變的。但是由于當時條件所限，永磁體材料選用為鐵氧體。鐵氧體永磁材料剩磁較低，因此要獲得較高的氣隙磁通密度，需增加直流場控繞組產生磁通增大磁密，從而使電機結構復雜，銅損增加，效率降低。
1．6雙定子雙凸極永磁電動機
雙定子雙凸極永磁電動機的結構如圖6所示。該電動機由兩個單相的DSPM電動機構成，兩個電動機的轉子同軸聯接，定子位于同一個機殼內，每個DSPM電動機為4／6極結構，即定子為4極，轉子為6極。兩個DSPM電動機的定子(或轉子)之間沿圓周方向相互錯開45。，以保證在任何轉子位置都能夠順利起動[7]。
在電路上，兩個單相電動機形成一個兩相DSPlM電動機。在這種情況下，當一個電機處于完全對齊的位置時，另一個電機位于半對齊位置。兩相繞組相位差90。電角度。由于磁阻轉矩脈動的頻率是電流的兩倍，兩個繞組產生的磁阻轉矩相差180。，能夠從根本上相互抵消，從而解決了該類電動機不能自起動的難題。由于這種新結構電機有兩套定、轉子鐵心，它們之間無電磁耦合，因此兩套定子之間必須提供充分的繞組空間，這就造成此類電機的軸向尺寸過長，且額外的端部繞組勢必增加銅耗，此外漏磁通也相對較高。但從功率密度和效率方面的改善考慮，在小功率電機領域，雙定子雙凸極電機驅動與傳統交流驅動相比，有競爭優勢。
圖7為一種新型結構雙定子DsPM電動機[8]，在兩個定子鐵心的外表面上安裝有圓筒形磁通調整環，磁通調整環由磁性材料與非磁性材料沿圓周方向依次相間構成，且磁性材料與非磁性材料沿圓周方向扭斜。該結構的****優點在于通過調整磁通調整環與雙定子之間的相對位置可以調節與定子繞組交鏈磁通的多少，從而能夠實現寬范圍的速度調節。
1.7磁通反向電動機
磁通反向電動機是一種集永磁電動機和開關磁阻電動機優點于一體的新型電機[9]，其定轉子結構如圖8所示。與普通永磁電動機不同，磁通反向電動機將永磁體和繞組均放置在定子上，分別將兩塊充磁方向相反的稀土永磁體固定在每個定子凸極極靴表面，轉子與開關磁阻電動機的轉子結構相同，完全由硅鋼片疊壓而成，結構簡單，適于高速旋轉的場合。隨著轉子運動，定子繞組磁鏈將產生極性變化，與DsPM電動機的磁鏈脈動變化相比，磁鏈變化幅值更大，功率密度更高。正由于磁通反向電動機擁有高功率密度、小電感、低慣性等優點，現已成為國內外研究的熱點之一。
1．8磁通切換型雙凸極永磁電動機
磁通切換型雙凸極永磁電動機的定、轉子都為雙凸極結構[10]，如圖9所示。定子采用集中繞組，在定子的鐵心極中，沿軸向嵌有平板形的永磁體，永磁體為切向充磁，每相鄰極中永磁體的充磁方向相反，轉子上既無永磁體又無繞組[10]。研究表明，這種電動機具有高功率密度、高效率等優點，而且由于永磁體位于定子上，更有利于其冷卻，更適合用于環境溫度較高的場合。相對于DsPM電機，磁通切換型雙凸極永磁電動機由于其特殊的結構，決定了其永磁磁鏈和反電勢波形接近正弦，在交流調速領域有較好的發展前景。
1．9磁力線開關型混合勵磁磁阻電動機
磁力線開關型混合勵磁磁阻電動機是作者提出的一種新型結構的開關磁阻電動機方案[11]，如圖10所示。該電機的轉子與傳統的開關磁阻電動機轉子相同，定子則不同，在相鄰兩個磁極之間定子槽的槽口處嵌有切向充磁的稀土永磁體，相鄰兩槽口處永磁體的充磁方向相反。因此，定子上既有電勵磁磁勢，又有永磁體勵磁磁勢。屬于同一相的勵磁繞組繞在相鄰的兩個磁極上，即每相鄰兩個磁極屬于一相。該電機的控制方式與傳統開關磁阻電動機基本相同，勵磁繞組為固定的單方向通電，在確定通電方向時，要保證勵磁繞組產生的電勵磁支路與永磁體勵磁支路相并聯，兩者產生的磁力線并聯通過轉子磁路。由于是通過電勵磁磁勢的開關作用(繞組電流的通斷)來控制永磁體磁通(磁力線)的路徑與大小，來實現電機的轉矩控制，因此稱該電機為“磁力線開關型混合勵磁磁阻電動機”。
電勵磁磁勢既具有勵磁功能，又具有永磁體勵磁磁場的控制功能，使得該電動機成為兩個勵磁源相互耦合的高飽和度、變飽和度的復雜磁系統。該電動機與傳統的永磁同步電動機工作機理不同，傳的永磁同步電動機是由電樞電流與永磁體磁場相互作用產生轉矩；而該電動機屬于磁阻電動機，是通過電樞電流對永磁體磁場的控制來控制電動機轉矩的大小，電磁轉矩為磁阻性質的轉矩。
2結語
綜上所述，磁阻電動機的固有優勢是結構簡單、成本低、可靠性高，且調速范圍寬。在充分發揮其自身優勢的基礎上，利用高性能的稀土永磁體，進一步來提高系統的效率與功率密度，是磁阻電動機的發展趨勢。
|
