稀土永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)比和最新研究熱點(diǎn)

一、稀土永磁磁路的基本結(jié)構(gòu)形式

稀土永磁同步電機(jī)和稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，一般把永磁體安置在轉(zhuǎn)子上，即內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有三種如圖1(a)、(b)和(c)所示 （其中1是轉(zhuǎn)子鐵芯，2是轉(zhuǎn)軸，3是永磁體，2是轉(zhuǎn)軸，下同）。圖1(a)為在轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體；圖1(b)為在轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀 稀土永磁體。這兩種結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子外套有一定厚度的緊圈，防止工作時(shí)離心力將永磁體甩出，同時(shí)在鹽霧等惡劣環(huán)境中對(duì)永磁體起保護(hù)作用。保護(hù)套材料通 常用不導(dǎo)磁不銹鋼、鋁或環(huán)氧無(wú)緯玻璃絲帶縛扎。圖1(c)為在轉(zhuǎn)子鐵心外套一個(gè)整體粘結(jié)稀土磁環(huán)，適于體積和功率較小的稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 子制造工藝性好。

(a)瓦片形磁體徑向磁化   (b)矩形永磁體切向磁化   (c)環(huán)形永磁體徑向磁化

圖1 常見(jiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有外凸式和內(nèi)嵌式兩種，如圖2(a)、(b)所示，這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常是瓦片形，永磁體的磁通方向是徑向，永磁體表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間一般套有一個(gè)起保護(hù)作用的非磁性圓筒。

(a) 外凸式                 (b) 內(nèi)嵌式

圖1表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

1.2內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

根據(jù)稀土永磁體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部放置的方向不同，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為徑向式、切向式和混合式。

徑向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓的半徑方向，優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小，無(wú)需隔磁措施，轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度高等，但非整體性的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致加工難度增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。圖3(圖中1是鼠籠條，2是轉(zhuǎn)軸，3是永磁體，4是非磁性材料，5是轉(zhuǎn)子鐵芯，6是隔磁槽，以下同。)中a、b均為切向式結(jié)構(gòu)。

(a)                                                                                                    (b)

圖3 內(nèi)置式徑向式結(jié)構(gòu)

切向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓周的切線方向，這種結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較大，并需采取隔磁措施，優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)極距下的磁通有相鄰的兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可有更大的每極磁通，尤其當(dāng)電動(dòng)機(jī)極數(shù)較多、徑向結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時(shí)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更為突出。圖4是四種不同的切向結(jié)構(gòu)，其中a是一種典型的4極切向式結(jié)構(gòu)，永磁體內(nèi)側(cè)采用非磁性套筒或非磁性轉(zhuǎn)軸;b、c的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)利用空氣隙隔磁，省去了a中的隔磁套，轉(zhuǎn)子沖片具有整體性，當(dāng)勵(lì)磁不足時(shí)還可在隔磁槽中放置永磁體來(lái)增加勵(lì)磁。

圖4 內(nèi)置式切向式結(jié)構(gòu)

混合式結(jié)構(gòu)集中上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，成本高。圖5國(guó)西門(mén)子公司的專(zhuān)利，永磁材料的高速發(fā)展，主要用于剩磁密度較低的鐵氧體永磁同步電動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)己失去其優(yōu)勢(shì)。

圖5 內(nèi)置式混合式結(jié)構(gòu)

在相同的條件下，三種內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中電機(jī)直軸同步電抗Xd相差不大，但交軸同步電抗Xq卻相差很大，其中切向式的Xq最大，徑向式次之。較大的Xq和凸極率可以提高電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)等，但會(huì)使電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)和噪聲變大，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。因此，設(shè)計(jì)高過(guò)載倍數(shù)的電動(dòng)機(jī)時(shí)可以利用大凸極率所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，而設(shè)計(jì)高起動(dòng)性能的電動(dòng)機(jī)時(shí)則應(yīng)設(shè)法降低磁阻轉(zhuǎn)矩。

二、稀土永磁磁路結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)

1. Halbaeh電機(jī)

1979年，美國(guó)著名學(xué)者KlausHalbach針對(duì)永磁體的構(gòu)造提出了一種新穎的設(shè)計(jì)—Halbach列。圖3是兩種典型Halbach列永磁體排列和磁場(chǎng)分布圖。

圖6 Halbach陣列及其磁場(chǎng)分布

從上面的磁場(chǎng)分布對(duì)比中可以明顯看出，相對(duì)于一般徑向永磁體構(gòu)造，Halbach列磁場(chǎng)分布是一個(gè)單邊磁場(chǎng)(one一sidedfield)分布。 將這種結(jié)構(gòu)引入到永磁電機(jī)中替代傳統(tǒng)的永磁體結(jié)構(gòu)，將有效地增大電機(jī)氣隙磁密，減小轉(zhuǎn)子扼上的磁密，這對(duì)提高電機(jī)的功率密度和降低轉(zhuǎn)子上的渦流損耗將有很 大的好處。

(1)功率密度大。相對(duì)于普通永磁體結(jié)構(gòu)，由于Halbach列分解后的切向磁場(chǎng)與徑向磁場(chǎng)的相互疊加使得氣隙一側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅度提高，這樣可有效地減小電機(jī)的體積，提高電機(jī)的功率密度。

(2)定轉(zhuǎn)子不再需要斜槽。在普通永磁電機(jī)中，由于氣隙磁場(chǎng)不可避免存在諧波，一般在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上采取斜槽削弱其影響。在Halbach電機(jī)中，由于氣隙磁場(chǎng)正弦分布程度較高，諧波含量小，定轉(zhuǎn)子無(wú)需斜槽。

(3)轉(zhuǎn)子可采用非鐵心材料。Halbach列自屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生的單邊磁場(chǎng)分布不再需要轉(zhuǎn)子采用磁性材料為其提供通路。這樣不僅為轉(zhuǎn)子選材提供了較大的選擇余度，而且可以使系統(tǒng)有較低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較好的快速響應(yīng)性能。

(4)氣隙長(zhǎng)度可加寬。理論分析表明，Halbach電機(jī)的氣隙磁密可以達(dá)到普通永磁電機(jī)氣隙磁密的萬(wàn)倍，如此以來(lái)可以通過(guò)加大氣隙長(zhǎng)度值來(lái)減少電機(jī)的鐵耗、改善電機(jī)起動(dòng)性能。

(5)永磁體利用率高。由于Halbach陣列分向磁化的結(jié)果，導(dǎo)致其永磁體工作點(diǎn)較高，一般均超過(guò)0.9，提高了永磁體的利用率。

(6)可使用集中式繞組。普通永磁電機(jī)中往往采用分布式繞組來(lái)削弱諧波磁勢(shì)的影響。在Halbach電機(jī)中由于其磁場(chǎng)正弦分布程度較高，諧波磁場(chǎng)影響較小，可通過(guò)采用集中式繞組來(lái)降低線包高度。

(7)可采用無(wú)槽結(jié)構(gòu)。相對(duì)于有槽結(jié)構(gòu)電機(jī)而言，無(wú)槽結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)都相對(duì)較弱。由于Halbach電機(jī)氣隙磁場(chǎng)較強(qiáng)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)的無(wú)槽Halbach電機(jī)仍能保持較高的氣隙磁密。

2. 混合勵(lì)磁電機(jī)

    普通永磁無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁繞組，不需要?jiǎng)?lì)磁功率，具有效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是，如果要實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速，必須采用弱磁控制技術(shù)。由于永磁無(wú)刷直流電機(jī)常 采用稀土永磁體勵(lì)磁，氣隙磁通基本保持恒定，弱磁控制不易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于直流勵(lì)磁的同步電機(jī)，磁通可以通過(guò)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)，弱磁控制易于實(shí)現(xiàn)。但由于電刷和滑環(huán) 的存在，造成電機(jī)的體積增大、效率降低和維護(hù)量增大。而混合勵(lì)磁永磁電機(jī)正是綜合了前兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)除了永磁磁鋼外，還有一套勵(lì)磁繞組來(lái)調(diào)節(jié)氣隙磁 密?；旌蟿?lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)具有以下特點(diǎn):

(1)由于磁場(chǎng)可以為勵(lì)磁繞組電流所調(diào)節(jié)，磁場(chǎng)控制很容易實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似直流電機(jī)的低速助磁控制和高速弱磁控制。

(2)與傳統(tǒng)的永磁電機(jī)相比，雖然混合勵(lì)磁永磁電機(jī)效率有所降低，但電勵(lì)磁部分勵(lì)磁電流小，繞組勵(lì)磁的功率小，效率的降低不多?；旌蟿?lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 是：調(diào)速性能好，可以達(dá)到直流電機(jī)一樣，但沒(méi)有直流電機(jī)的碳刷及集電環(huán)易損壞的缺點(diǎn)；效率高；體積小；重量輕；出力大。在方波無(wú)刷直流機(jī)中采用混合勵(lì)磁增 磁調(diào)節(jié)可以節(jié)省永磁材料、提高效率，比現(xiàn)有利用電樞反應(yīng)去磁的調(diào)速方法具有明顯的優(yōu)越性。

圖7 混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

這種電機(jī)保留了永磁電機(jī)效率高的優(yōu)點(diǎn)，又能方便的進(jìn)行調(diào)磁，擴(kuò)大了調(diào)速范圍。由于這種弱磁控制已完全獨(dú)立于電樞電流的控制，因此不僅可以用于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的弱磁擴(kuò)速功能，還可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的電壓調(diào)節(jié)功能，它成功地解決了永磁電機(jī)調(diào)磁調(diào)速的問(wèn)題。

3. 橫向磁通電機(jī)

橫向磁通永磁電機(jī)(Transverse flux permanent magnet machine，簡(jiǎn)稱(chēng)TFPM)，是相對(duì)于傳統(tǒng)的徑向磁通和軸向磁通電機(jī)而言的一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)種類(lèi)，橫向磁通結(jié)構(gòu)電機(jī)的特點(diǎn)是集中繞組沿電機(jī)周向放 置，磁力線徑向穿過(guò)氣隙、軸向穿過(guò)定子。橫向磁通電動(dòng)機(jī)中，磁力線所在平面垂直于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，如圖9(b)所示。

圖8 橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)

橫向磁通永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)比傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度大。因?yàn)榇怕放c電路分離，所以它的功率密度高?？梢栽诘退贂r(shí)保持高效率和大轉(zhuǎn)矩。適合用于低速和大轉(zhuǎn)矩的工業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域。

(2)定子各相之間沒(méi)有耦合，可獨(dú)立分析與控制。因此在多相時(shí)，即使缺少一相也能正常工作，也便于設(shè)計(jì)為多相結(jié)構(gòu)，使其具有良好的控制特性。

(3)它的許多參數(shù)是獨(dú)立的，可以任意選擇。設(shè)計(jì)自由度大，可根據(jù)需要調(diào)整磁路尺寸，選擇線圈的規(guī)格和匝數(shù)。

然而，橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)上更復(fù)雜、工藝性差，并且由于大的繞組漏感，電機(jī)的功率因數(shù)低，而造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量增大、控制系統(tǒng)成本增加。

4. 爪極電機(jī)

永磁爪極電機(jī)具有比功率大、效率高和工作可靠；橫向電樞反應(yīng)在爪極中閉合，磁體幾乎不受影響，氣隙磁場(chǎng)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生不可逆畸變；縱軸電樞反應(yīng)對(duì)電 機(jī)的去磁作用較小，磁體具有較強(qiáng)的過(guò)載能力；機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)牢固，磁體外徑較小，表面線速度不高；圓環(huán)形磁體的充磁和利用程度與極靴無(wú)關(guān)，適合于極數(shù)較 多或頻率較高的中頻發(fā)電機(jī)等優(yōu)點(diǎn)。

圖9爪極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

爪極電機(jī)的磁場(chǎng)分布，具有典型的三維特性。爪極形狀不規(guī)則，導(dǎo)致對(duì)它的設(shè)計(jì)、分析有一定的難度。爪極的一個(gè)很大特點(diǎn)是通過(guò)任一截面的磁通不相等，爪 尖部分最小，爪根部分最大，如果再考慮到爪極之間的漏磁通以及氣隙磁場(chǎng)軸向的不均勻分布則通過(guò)爪極各截面的磁通變化更加復(fù)雜。為了使爪極的磁阻和磁位差最 小，須使每截面的磁通密度均勻相等，因此，必須設(shè)計(jì)沿軸向截面積不等的爪極形狀。一般有寬爪極、梯形爪極和正弦爪極三種。