1.2.2 永磁双凸极电机的发展方向

定子永磁型电机是由SRM发展而来。SRM是一种典型的双凸极结构，其转子结构简单，仅由硅钢片叠压而成，定子上仅有集中绕组。因此，SRM具有结构简单、可靠性高、制造成本低、适合高速运行等优点。但是，SRM仅能在磁链上升区间产生输出转矩，其转矩密度较低；同时，为了获得较高的气隙磁密，SRM铁心一般工作在较饱和工况，从而造成转矩波动大、噪声高、振动强等问题 ^[21-24] 。为提高SRM转矩密度，改善其转矩性能，相关学者通过直流励磁绕组建立气隙磁场，以增强气隙磁密。该方法虽能在一定程度上提高SRM的转矩密度，但其工作原理并未发生本质变化，仅在磁链上升区间产生输出转矩，转矩密度仍然较低。

1992年，美国电机专家T. A. Lipo教授在SRM的基础上提出了一种新结构磁阻电机，在电机定子轭上嵌入一套永磁体，即永磁双凸极电机（DSPM）。电机定/转子仍呈双凸极结构，图1.3为6/4极结构DSPM，图1.4为12/8极结构DSPM。经过大量的分析与研究，学者们发现结合永磁特性与双凸极结构优势的DSPM具有结构简单坚固、速度响应快、转矩密度高和效率高的特点。同时T. A. Lipo教授也提出了此种电机相应的控制方式，在电感上升区间（d L ( θ )/d θ >0）通入正向电流，在电感下降区间（d L ( θ )/d θ <0）通入反向电流。在一个电感周期内产生对称的正、负磁阻转矩，并相互抵消，电机最终输出的是永磁转矩，该控制方式提升了电机材料利用率。DSPM同样会产生较大的转矩脉动，且永磁场几乎是恒量励磁磁场，无法灵活有效地调节气隙磁场 ^[25,26] 。

因永磁场的不可调节性，DSPM作为发电机时励磁调磁、调压非常困难，也不具备故障灭磁能力，所以此种电机结构不太适合用于发电系统。基于上述考虑，学者们为实现DSPM气隙磁场的可调节性，对嵌入永磁体的电机本体结构进行了深入研究，相继提出了两种机械调磁的DSPM，如图1.5所示，其中图a为旋转式机械调磁DSPM，图b为直线式机械调磁DSPM。这两种电机的永磁体仍嵌于定子上，但可通过机械结构移动永磁体位置以实现调节气隙磁场。永磁体靠近励磁磁极时永磁场分流，气隙磁场减弱；永磁体远离励磁磁极时气隙磁场增强。但这两种DSPM制作工艺过于复杂，削弱了SRM固有的成本低、可靠性高的优势，特别是在高温环境下永磁体存在高温退磁的风险 ^[27] 。

国内学者对DSPM的关注也较早，相继开展了其本体结构优化、控制方法方面的研究，取得了较多的成果。例如，南京航空航天大学的严仰光教授和东南大学的程明教授对本体结构进行了深入研究，结果表明，与6/4极结构相比，8/6极结构和12/8极结构在功率密度和电机性能方面都具有优越性，并提出了多种结构形式的DSPM，为双凸极电机的进一步发展奠定了基础 ^[28,29] 。

近几年来，国内外学者对DSPM进行了大量研究，相关研究可概括为以下两类：电磁特性分析和新型拓扑结构研究。其中，电磁特性分析采用的主要方法包括有限元法、解析法、简单磁路法和变网络磁路模型等；新型拓扑结构主要围绕提升转矩密度、降低转矩波动、改善弱磁性能等方面进行。

1.电磁特性

（1）有限元法与解析法

有限元法以电机电磁场分布为基础，综合考虑电机材料和磁路的非线性等因素，对电机电磁特性进行细致分析。然而，由于需要对电机模型进行网格剖分或采用特殊动态网格剖分技术，其求解区域较大、计算单元众多，存在计算量大、耗时长等缺点。解析法是从电机基本理论出发，通过理想化假设将电机近似看作线性系统，从而推导其电磁参数（磁链、电感、转矩和功率等）与主要设计参数（热负荷、磁负荷、主要结构参数等）之间的关系，进而对电机电磁性能进行分析。由于铁心饱和等多方面非线性因素的影响，解析法准确度相对较差。因此，在对DSPM电磁特性进行分析时，一般将解析法和有限元法进行结合。

参考文献[30]通过相关理论推导分析了一台三相6/4极转子永磁型DSPM（见图1.6）的工作原理和基本控制策略，并通过建立线性数学模型分析了其静态特性。参考文献[31]提出了两种计算DSPM电感的方法，该方法能够在一定程度上考虑永磁体和电枢反应对电感的影响。参考文献[32]基于有限元法分析了6/4极DSPM（见图1.7）的空载磁链、自感、互感等静态特性，并利用参考文献[33]所述电感计算方法分析了其电感。参考文献[34]提出了一种橄榄型四相8/6极DSPM，如图1.8所示。通过相关理论分析，推导了其尺寸方程，为电机初始方案的确定提供了参考；同时，基于有限元法分析了其空载磁链、反电动势和电感等特性。参考文献[35]设计了一台转子斜极的12/8极DSPM，如图1.9所示，并基于有限元法和相关理论推导，分析了电机的空载磁链、反电动势、电感和转矩特性。参考文献[36]提出了一种外转子12/8极DSPM，推导了其尺寸方程，建立了稳态和动态模型，并对电机的磁链、反电动势、电感和输出功率等进行了分析。

（2）简单磁路法

简单磁路法通过理想化假设（忽略铁心饱和等非线性因素影响）将电机简化为线性系统，根据电机基本理论得到简单等效磁路模型，进而对气隙磁通、电感、绕组磁链和反电动势等特性进行分析。由于忽略铁心饱和等因素影响，其误差相对较大，仅可对电机电磁特性进行近似计算。参考文献[37]通过建立空载工况下12/8极混合励磁DSPM简单等效磁路模型（见图1.10），推导了最大气隙磁通表达式，进而分析了直流励磁绕组磁动势和铁心磁桥对电机调磁能力的影响。

相关分析结果表明，引入铁心磁桥，可极大地提高直流励磁绕组的磁场调节能力。参考文献[38]提出了一种无轴承12/8极DSPM，该电机通过一套悬浮绕组产生悬浮力，如图1.11所示。该文通过建立电机简单磁路模型推导了电机悬浮力表达式，并通过有限元法分析验证了相关分析。

（3）变网络磁路模型

变网络磁路模型基本思想为：基于电机电磁场基本理论，将永磁体磁动势和电机各部分磁路磁阻通过公式表示出来，通过搭建电机等效磁网络模型，建立磁网络方程，并采用电路理论相关知识求解该方程，以得到各部分磁路磁通，进而对电机气隙磁密、电感、磁链、反电动势等电磁参数进行分析。同时，当转子位置发生变化时，可对磁网络模型各支路气隙磁阻进行调整，进而可计算不同转子位置处的电磁特性。该方法具有求解速度快、计算量小等优点。但是，由于电机气隙磁路复杂（难以准确计算）、磁路饱和等因素的影响，该方法求解精度较有限元法差，需要根据经验引入相关修正系数（加大了分析难度），以满足工程需求。

参考文献[39]研究了6/4极和12/8极DSPM的非线性变网络磁路模型，该模型能在一定程度上考虑铁心饱和对电机静态特性的影响。参考文献[40]研究了48/64极DSPM磁网络模型的建立方法，并与有限元法进行了对比分析。通过该方法计算的电机空载磁链、反电动势、电感以及转矩等电磁参数均与有限元法分析结果较接近，从而提高了电机分析和优化设计效率。由于定子和转子均为双凸极结构，DSPM气隙磁导非常复杂，且难以准确计算；同时，该方法需要结合有限元法结果进行校核修正，以确保其精度，当电机结构发生变化时，所用修正系数可能发生变化。因此，采用该方法对电机进行优化时，其准确度相对较差，难以获得较好的效果。

2.新型拓扑结构

（1）提升转矩密度

传统6/4极或12/8极DSPM绕组磁链为单极性，磁链变化幅度相对较小，为了获得双极性磁链的DSPM，进而改善其转矩输出性能，国内外学者进行了大量研究。参考文献[41]提出了一种图1.12a所示的单相4/6极DSPM，该电机电枢绕组为整距绕组，并采用阶梯气隙结构。文中对该电机的工作原理、数学模型及基本控制方式进行了探讨，表明该电机可获得双极性磁链，并能够实现自起动。参考文献[42]提出了图1.12b所示采用整距绕组的单相DSPM，其采用方形定子铁心结构，可放置更多永磁体，因而转矩密度得以进一步提高。文中对该电机的空载磁链、反电动势、电感以及转矩等电磁特性进行了分析，并与传统采用集中绕组结构的DSPM进行了对比。研究表明，该电机能获得与传统采用集中绕组的DSPM相当的转矩密度，但具有铜耗更小、效率更高等优点。

（2）降低转矩波动

DSPM为定子和转子均开槽的双凸极结构，其齿槽转矩和转矩波动相对较高。为了减小DSPM的转矩波动，国内外相关学者进行了大量的研究。参考文献[43]通过理论分析推导了6/4极DSPM转矩波动表达式，并深入分析了影响转矩波动的关键因素，进而提出转子斜槽和优化开通关断角的方法，以减小电机转矩波动。参考文献[44]提出了定子分段式新型12/10极DSPM以降低电机转矩波动，如图1.13所示。但该结构永磁体漏磁较大，其利用率相对较低。此外，也有相关学者通过改进控制方式来降低DSPM转矩波动。例如，参考文献[45]通过对6/4极DSPM的定转子极弧进行优化，并结合转子斜槽和六状态换流控制模式，极大地降低了电机的转矩波动。参考文献[46]通过基因遗传算法对6/4极DSPM开通关断角进行优化控制，进而降低了电机转矩波动。

（3）改善弱磁性能

由于DSPM气隙磁场仅由永磁体建立，存在气隙磁密难以调节等缺点。当电机运行于较高转速时，电枢绕组中将产生较高的反电动势，如果反电动势达到变频器能提供的最高电压（一般为电机的额定工作电压），能量则无法再从变频器输入到电机，从而限制其转速的进一步提升。因此，DSPM一般难以获得较宽的恒功率运行范围（弱磁扩速能力较差）。同时，为了获得低速大转矩特性，DSPM的气隙磁密一般设计在较高的水平，从而进一步降低了其弱磁扩速能力，即DSPM难以同时获得低速大转矩和宽调速范围的运行特性。为了解决DSPM弱磁扩速能力较差的问题，国内外相关学者提出了混合励磁双凸极电机（Doubly Salient Hybrid Excitation Machine, DSHEM）。通过控制直流励磁绕组中电流的大小和方向，DSHEM可方便调节气隙磁密大小，从而能够获得较强的弱磁扩速能力。同时，也能保证DSHEM在低速时具有较高的转矩密度。

根据直流励磁绕组和永磁体磁路的特点，可将DSHEM分为串联式、并联式和混合式。其中，串联式表示直流励磁绕组磁路通过永磁体；并联式表示直流励磁绕组磁路不通过永磁体；混合式表示直流励磁绕组磁路部分通过永磁体。国内外学者对以上三种结构的DSHEM均开展了大量研究。参考文献[47,48]将SMC（软磁复合）材料应用到DSHEM中（见图1.14），从而减少了永磁体用量，并获得了一定弱磁扩速能力。但是，该电机结构复杂，加工制造困难，且SMC材料饱和磁密较低，使得转矩密度较低和磁场调节能力较弱。

参考文献[49]提出了一种并联式12/8极DSHEM，该电机由一台DSEM与一台DSPM同轴连接组成，从而能够获得较大的磁场调节能力，但其体积较大、功率和转矩密度较低。参考文献[50]提出了一种永磁体位于槽间的12/10极DSHEM（见图1.15），该结构电机能够获得较高的转矩密度和磁场调节能力，但永磁体中存在较高的涡流损耗，会导致电机效率偏低。参考文献[51]提出了一种6/4极DSHEM（见图1.16），并基于等效磁路法分析了气隙磁场调节系数与励磁电流之间的关系。研究表明，该结构能够获得较强的气隙磁场调节能力，但是永磁体存在较大漏磁，导致电机材料利用率和转矩密度偏低。