双凸极永磁电机基本结构及工作原理

    双凸极永磁电机(Doublysalientpermanentmagnetmotor,简称DSPM)是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在90年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统[1～6]。该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子(或定子)上放有永磁体,从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。DSPM系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大,可实现各种特殊要求的转矩/转速特性,功率因数接近于1,效率高,是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。

1、基本结构和工作原理：

    DSPM电机的基本结构与开关磁阻电机类似,其定、转子均为凸极齿槽结构,定子和转子铁芯由硅钢片叠压而成,定子上装有集中绕组,空间相对的两个定子齿上的绕组串联构成一相,转子无绕组,按永磁体安放位置不同,可分为定子永磁型和转子永磁型。图1为三相6/4极DSPM电机截面图。

    定子极弧为定子齿距的1/2,即P/6机械角,这样可以保证一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和恒等于转子极弧,而与转子位置无关 [1,8] ,从而使合成气隙磁导为一常数,磁铁工 作点将不随转子位置角H改变。这不仅保证电机静止时无定位力矩,而且保证任一相定子绕组所交链的永磁磁链仅与该相磁导成正比。要求转子极弧稍大于定子极弧以保证电流换向。由于定子(或转子)嵌入了低磁导率的永磁体,对电枢反应磁通来讲永磁体形成了一个高磁阻路径,因此绕组电感在气隙磁导大处(H=45°时)达到一个较小值,这一方面使电流迅速换向成为可能,另一方面使磁场储能Wf=1/2Li2较小,电机的能量转换率高(接近于1)。 

    当相绕组中通入电流时,将在转子上产生一转矩

    式中L,Wm分别为绕组电感和永磁磁链。由于永磁转矩3m远大于磁阻转矩Tr,因此可以在 5Wm/5H H时通入正电流,电机在正负半拍均产生正转矩,这一特点使DSPM电机的单位体积出力比开关磁阻电机成倍增加。转矩T的大小既可以通过控制电流大小或导通区间来实现,也可以采用单拍或双拍的运行方式来控制,改变电流的极性和导通顺序,即可改变转矩方向,因此DSPM电机可以方便地实现四象限运行,控制十分灵活。DSPM电机在功率变换器件的选择上也非常灵活,既可以像磁阻电机一样选择单极性功率变换器件,也可以像一般永磁直流无刷电机一样选择双极性功率变换器件。图2为三相6/4极DSPM电机驱动原理图,图中采用双极性功率变换器,并带有一条中性线以便电流换向。