一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机

摘要

本发明公开了一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其组成包括：两块定子(1)、一块转子(2)和电枢绕组(3)。两块定子(1)分别安装在转子(2)的两侧，且两块定子(1)均采用分段拼接的结构；电枢绕组(3)绕制在两块定子(1)的励磁极(103)上；再在励磁极(103)根部的内外两侧分别套上内部环形永磁体(105)和外部环形永磁体(106)；最后在内部环形永磁体(105)的内侧安装内部导磁环(102)，在外部环形永磁体(106)的外侧安装外部导磁环(101)。该电机能实现空载励磁磁场和电枢磁场的磁分路，同时改善了由于磁场叠加而造成较长饱和磁路的问题以及由于永磁体磁阻较大而抑制电枢反应的问题。

权利要求

1.一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其组成包括：两块定子(1)、一块转子(2)和电枢绕组(3)；两块定子(1)分别安装在转子(2)的两侧，且两块定子(1)均采用分段拼接的结构；电枢绕组(3)绕制在两块定子(1)的励磁极(103)上；再在励磁极(103)根部的内外两侧分别套上内部环形永磁体(105)和外部环形永磁体(106)；最后在内部环形永磁体(105)的内侧安装内部导磁环(102)，在外部环形永磁体(106)的外侧安装外部导磁环(101)，其特征在于：电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，且在定、转子轭部不存在共用铁心磁路；两块定子(1)均采用分段拼接的结构，包括外部导磁环(101)、内部导磁环(102)、励磁极(103)、三段定子轭(104)、内部环形永磁体(105)和外部环形永磁体(106)；转子(2)由两部分组成，包括转子轭(202)和转子轭(202)两侧的转子极(201)。

2.根据权利要求1所述的磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：定子(1)上安装有两块环形永磁体，包括内部环形永磁体(105)和外部环形永磁体(106)，且这两块环形永磁体采用聚磁形式，即一块环形永磁体沿径向向外充磁，另一块环形永磁体沿径向向内充磁。

3.根据权利要求1所述的磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：外部导磁环(101)和内部导磁环(102)均为环形柱状结构。

4.根据权利要求1所述的磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：励磁极(103)呈扇形柱状结构，且沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360°/Ns，其中Ns为定子极数。

5.根据权利要求1所述的磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：转子轭(202)两侧的转子极(201)沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/Nr，其中Nr为转子极数。

6.根据权利要求1所述的磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：电枢绕组(3)采用集中绕组形式，绕制在定子的励磁极(103)上。

说明书

一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机

技术领域

[0001] 本发明属于电机领域，具体涉及一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机。

背景技术

[0002] 双凸极永磁电机(doubly salient permanent magnet motor,DSPM电机)的最初概念可以溯源至1955年，由Rauch和Johnson提出，但受到当时永磁材料和功率器件的限制，难以在实际中应用。

[0003] 随着新的高磁能积的永磁材料的出现，在上世纪九十年代初DSPM电机又重新得到了重视，国内学者也对此进行了大量的研究工作，提出了各种结构形式的DSPM电机，并对电机的特性进行了深入的研究，从而为双凸极电机机理的深入理解作出了很大贡献。华中理工大学的詹琼华教授提出了一种单相4/6极DSPM电机，定子极采用阶梯形结构，使电机可以可靠起动，且实现双向起动能力(边敦新,詹琼华,哈里布·法迪,郭伟.一种新型双凸极单相永磁电动机的工作原理与参数计算[J].中国电机工程学报,2000,(10):15-19)。东南大学的程明教授提出一种新型的定子永磁型8/6极DSPM电机，相对于6/4极结构具有功率密度高、速度范围宽、转矩脉动小等优点，并针对DSPM电机存在的永磁磁场调节能力相比于电励磁较弱而导致的恒功率运行范围十分有限的问题，提出了采用分裂绕组扩展电机恒功率运行区的新方法(程明,周鹗.新型分裂绕组双凸极变速永磁电机的分析与控制[J].中国科学E辑:技术科学,2001,(03):228-237.)。东南大学的林明耀教授提出了一种新型12/8极DSPM电机，它集永磁无刷直流电机和SRM的主要优点于一身，加上其独特的转子斜槽和12/8极结构，该电机具有功率密度高、用铜量小、绕组电阻小和转矩脉动小等优点(林明耀,程明,周鹗.新型12/8极双凸极变速永磁电机的设计与分析[J].东南大学学报(自然科学版),2002,(06):944-948.)。

[0004] 上述电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场均采用共用定、转子轭部铁心磁路的方式，使得电机具有较长的饱和磁路，加剧了电机的铁心损耗；此外，由于采用稀土永磁体励磁，而稀土永磁体的磁阻较大，减弱了电枢电流产生的磁场，抑制了电枢反应。

发明内容

[0005] 本发明的目的是要提供一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，它能实现永磁体励磁磁场和电枢磁场的磁分路，不仅改善了由于磁场叠加而使得电机具有较长的饱和磁路而产生较大铁心损耗的问题，还改善了由于永磁体磁阻较大而抑制电枢反应的问题。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：

[0007] 1、磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其组成包括：两块定子1、一块转子2和电枢绕组3。两块定子1分别安装在转子2的两侧，且两块定子1均采用分段拼接的结构；电枢绕组3绕制在两块定子1的励磁极103上；再在励磁极103根部的内外两侧分别套上内部环形永磁体105和外部环形永磁体106；最后在内部环形永磁体105的内侧安装内部导磁环102，在外部环形永磁体106的外侧安装外部导磁环101。

[0008] 2、两块定子1均采用分段拼接的结构，包括外部导磁环101、内部导磁环102、励磁极103、三段定子轭104、内部环形永磁体105和外部环形永磁体106。

[0009] 3、转子2由两部分组成，包括转子轭202和转子轭202两侧的转子极201。

[0010] 4、定子1上安装有两块环形永磁体，包括内部环形永磁体105和外部环形永磁体106，且这两块环形永磁体采用聚磁形式，即一块环形永磁体沿径向向外充磁，另一块环形永磁体沿径向向内充磁。

[0011] 5、外部导磁环101和内部导磁环102均为环形柱状结构。

[0012] 6、励磁极103呈扇形柱状结构，且沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个定子极距360°/Ns，其中Ns为定子极数。

[0013] 7、转子轭202两侧的转子极201沿圆周等间隔分布，分布间隔为一个转子极距360°/Nr，其中Nr为转子极数。

[0014] 8、电枢绕组3采用集中绕组形式，绕制在定子的励磁极103上。

[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点：

[0016] 1、从磁路结构上看，该电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，在定、转子轭部不存在共用铁心磁路，改善了由于磁场叠加而使得电机具有较长的饱和磁路的问题，有利于抑制电机的铁心损耗；

[0017] 2、从磁路结构上看，该电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，改善了由于永磁体磁阻较大而抑制了电枢反应的问题；

[0018] 3、从空间利用率上看，该电机具有较高的内部空间利用率，具有结构紧凑的优点；

[0019] 4、从制造工艺上看，该电机的定转子均采用分段拼接的方式，各分段均采用切削加工的新型软磁复合材料来实现，制造工艺简单，且电枢绕组结构简单，便于手工嵌线，且嵌线工艺简单；

[0020] 5、从应用场合上看，由于是采用轴向磁通的盘式结构，该电机适用于低速大转矩的场合。

附图说明

[0021] 图1是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的爆破示意图；

[0022] 图2是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的定子内侧示意图；

[0023] 图3是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的定子外侧示意图；

[0024] 图4是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的转子结构示意图；

[0025] 图5是所述6/4极轴向磁通双凸极永磁电机1/2圆周的展开图；

[0026] 图6是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的绕组匝链磁链、感生电势与转子位置角的关系曲线；

[0027] 图7(a)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的转子滑入过程；

[0028] 图7(b)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的转子滑出过程；

[0029] 图8(a)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机结构的定义的磁链正方向和绕组同名端之间的关系；

[0030] 图8(b)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的一相绕组的等效电路；

[0031] 图9是线性模型中相电感与转子位置角θ的关系曲线图；

[0032] 图10是磁链与位置角的关系曲线图；

[0033] 图11是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在转子位置角为45度时的空载主磁路；

[0034] 图12是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在转子位置角为30度时的空载主磁路；

[0035] 图13是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在滑出端发电方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；

[0036] 图14是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在滑入端发电方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；

[0037] 图15是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在滑入、滑出端均发电方式下转子位置角为30时电枢磁场的磁路示意图；

[0038] 图16是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在滑出端电动方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；

[0039] 图17是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在滑入端电动方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；

[0040] 图18是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在滑入、滑出端均电动方式下转子位置角为30度时电枢磁场的磁路示意图；

[0041] 图19是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机的相绕组电感曲线及相应相绕组的理想方波电流驱动波形；

[0042] 图20是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在转子位置角为30度时的空载永磁体励磁磁场的矢量分布；

[0043] 图21(a)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在转子位置角为30度时仅由滑入端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布；

[0044] 图21(b)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在转子位置角为30度时仅由滑出端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布；

[0045] 图21(c)是所述磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机在转子位置角为30度时由滑入和滑出端电枢绕组共同作用产生的电枢磁场的矢量分布。

[0046] 图中：1为定子，101为外部导磁环，102为内部导磁环，103为励磁极，104为定子轭，105为内部环形永磁体，106为外部环形永磁体，2为转子，201为转子极，202为转子轭，3为电枢绕组。

具体实施方式

[0047] 一种磁分路式的轴向磁通双凸极永磁电机，其组成包括：两块定子1、一块转子2和电枢绕组3，其特征在于：所述定子1采用分段拼接的结构，包括外部导磁环101、内部导磁环102、励磁极103、三段定子轭104、内部环形永磁体105和外部环形永磁体106；转子2包括转子轭202和转子轭202两侧的转子极201，且转子极201沿圆周等间隔分布。该技术方案具体实施如下：

[0048] 1.电机结构和电气定义

[0049] 1.1电机结构

[0050] 双凸极电机相数m、定子极数Ns和转子极数Nr之间有多种可能的组合。为使双凸极电机在电动运行时，在任一方向上均具有自起动能力，电机的相数应大于等于3，因而Ns/Nr＝6/4，8/6，12/8，16/12是可选的定、转子极对数比。本专利所述的磁分路式的轴向磁通DSPM电机采用三相6/4极结构。

[0051] 所述电机的各部位结构如图2～4所示，其中图2为一侧定子内侧的结构示意图，图3为一侧定子外侧的结构示意图，图4为转子结构示意图。所述电机的爆破模型如图1所示。
所述电机采用分段拼接的方式。所述电机的铁心采用软磁复合材料，通过对该铁心材料进行切削加工得到定子的各分段铁心，再对定子的各分段铁心和内外部环形永磁体进行拼接并固定安装在机壳内，而转子则可通过软磁复合材料进行切削加工而成。

[0052] 在DSPM电机中，定、转子均为凸极齿槽结构，定子和转子铁芯均采用软磁复合材料切削加工而成，定子上装有永磁体和集中电枢绕组，转子上无绕组，空间相对的二个定子极上的线圈串联构成一组，形成三相绕组。定子极弧为定子极距的1/2，即π/6机械角，这样可以保证一个极下转子极与定子极的重叠角之和恒等于转子极弧，而与转子位置角无关，线性分析时合成气隙磁导为一常数，磁铁工作点将不随转子位置角而改变，任一相定子绕组所交链的永磁磁链仅与该相磁导成正比。

[0053] 1.2电机旋转正方向和转子位置角的定义

[0054] 图5为6/4极DSPM电机1/2圆周的展开图，用以给出电机旋转正方向和转子位置角的定义。电机旋转正方向定义为逆时针旋转方向。转子位置角θr定义为转子槽中心线与a相定子极中心线的距离。并且规定：转子槽中心线沿逆时针超前a相定子极中心线时，转子位置角值为正，θr>0；否则为负，θr<0。

[0055] 1.3电机的磁链、电势和频率

[0056] 双凸极电机电枢绕组所匝链的磁链和绕组感生电势与转子位置角的关系曲线如图6所示。6/4极双凸极电机的转子旋转一圈，一相电枢绕组所匝链的磁链共变化4次，即4个转子极相当于4对极，故一相电枢绕组感生电势的频率

[0057]

[0058] 式中：n为电机转速，单位为r/min；Nr为转子极数；f为感生电势频率，单位为Hz。

[0059] 1.4电机滑入过程、滑出过程的定义

[0060] 电机转子在旋转时，a相定转子极重叠角从零逐渐增大至最大值，a相绕组匝链的磁链随着转子位置角增大而增大，这一过程定义为转子滑入过程，图7(a)给出这一过程的示意图。电机转子在旋转过程中，a相定转子极重叠角从最大值逐渐减小至零，a相绕组匝链的磁链随着转子位置角增大而减小，这一过程定义为转子滑出过程，图7(b)给出这一过程的示意图。

[0061] 1.5电机相绕组磁链、电势、电流正方向及同名端的定义

[0062] 6/4极结构双凸极电机每相绕组由每相所对应的空间两个定子极上的线圈经串联或并联方式组合而成。为便于分析，首先对每相绕组同名端和电势正方向进行定义。如图8(a)，给出电机结构所示的各相磁链与绕组连接的关系，及同名端的定义。图8(b)给出电机a相绕组等效示意图，这里忽略了绕组电阻和相间互感，从而等效为电势ea与自感La的串联组合，绕组电势正方向的定义与磁链正方向满足右手定则。电流正方向与电势正方向满足正相关关系。

[0063] 2.DSPM电机的数学模型

[0064] 由于双凸极结构以及磁路饱和效应等因素的影响，电机参数如磁链、电感等都不是常数，不仅与转子位置有关，而且是绕组电流和励磁绕组电流的函数，无法用解析式准确表达，但是双凸极电机在运行过程中仍满足电工理论中的基本原理和定律，如能量守恒原理、磁路基本定律、电压基本定律和牛顿运动定律等。

[0065] 2.1磁链方程

[0066] 对于6/4极双凸极电机，电枢绕组中通以电流时，三相绕组磁链可用下式表示[0067] [ψ]＝[ψf]+[L][I]   (2-1)

[0068] 式中，[ψ]为各相绕组所匝链的磁链矩阵；[ψf]为各相绕组所匝链的励磁磁链矩阵；[L]为绕组电感矩阵；[I]为绕组中电流矩阵。

[0069]

[0070] 式中，ψa、ψb、ψc分别为a、b、c相电枢绕组匝链的磁链。

[0071] 对于DSPM电机，[ψf]为永磁磁链矩阵

[0072]

[0073]

[0074]

[0075] 式中，ψpma、ψpmb、ψpmc分别为a、b、c相电枢绕组匝链的永磁磁链，Laa、Lbb、Lcc分别为a、b、c相的自感，Lab、Lbc、Lca分别为各相之间的互感，ia、ib、ic分别为a、b、c相电枢绕组中的电流。

[0076] 在双凸极电机中，磁链是转子位置角和电流的函数，自感和互感也是转子位置角和电流的函数。所述电机的相绕组电感关于转子位置角的变化曲线如图9所示。由图9可知，当转子处于转子槽中轴线与定子极轴向对齐位置时，相绕组电感最小；当转子处于转子极轴线与定子极轴线对齐位置时，相绕组电感达到最大。所述电机的自感磁链关于转子位置角的变化曲线如图10所示，图中θon和θoff分别绕组开通和关断角。

[0077] 2.2感生电势

[0078] 随着电机转动，各绕组所匝链的磁链发生变化，在绕组中产生感应电势

[0079]

[0080] 式中， ea、eb、ec分别为a、b、c相电枢绕组中感生的电势。

[0081] 对于DSPM电机，[e]对应永磁体作用后所产生的感生电势

[0082]

[0083] 2.3电压方程

[0084] 根据基尔霍夫电压定律和电磁感应定律，绕组端电压等于感生电势与内抗压降之差，即

[0085]

[0086] 式中，[U]为绕组端电压， [R]为绕组内阻， Ra、Rb、Rc分别为a、b、c相绕组电阻。

[0087] 2.4转矩方程

[0088] 转矩求解方程可以通过功率平衡原理得到。

[0089] 忽略三相电枢绕组电阻后，可推导得出双凸极电机的输出转矩

[0090] Te＝Tf+Tsr+Tmr   (2-9)

[0091] 式中，Tf为电枢绕组所匝链的励磁磁链随转子位置角变化而产生的转矩分量，称为励磁转矩；Tsr为电枢绕组中通入电流时，绕组自感随转子位置角变化而产生的转矩分量，称为自感磁阻转矩；Tmr为电枢绕组中通入电流时，绕组间互感随转子位置角变化而产生的转矩分量，称为互感磁阻转矩。自感磁阻转矩和互感磁阻转矩合称为磁阻转矩Tr。

[0092] 在DSPM电机中，励磁转矩为永磁转矩

[0093]

[0094] 自感磁阻转矩为

[0095]

[0096] 互感磁阻转矩为

[0097]

[0098] 永磁转矩是DSPM电机输出转矩的主要构成部分。

[0099] 2.5机械运动方程

[0100] 旋转电机的机械运动方程为

[0101]

[0102]

[0103] 式中：J为系统转动惯量；B为系统摩擦系数；Tl系统负载转矩。

[0104] 归纳上述方程式，式(2.8)、(2.9)、(2.13)构成了双凸极电机的动态数学模型。

[0105] 3.电机的基本原理

[0106] 3.1空载磁场

[0107] 在转子极滑入a相定子极的过程中，a相绕组所交链的空载永磁体励磁磁通随定转子重叠角增大而逐渐增强；在转子极滑出a相定子极的过程中，a相绕组所交链的空载永磁体励磁磁通随定转子重叠角减小而逐渐减弱。

[0108] 图11以a相定子极与转子极重叠位置，即θr＝45°为例，给出了由永磁体励磁而产生的空载主磁路。由于内外环形永磁极采用聚磁形式，内外环形永磁体的励磁方向相对，内部环形永磁体沿径向方向向外充磁，而外部环形永磁体沿径向方向向内充磁，进而两块环形永磁体在所述的磁分路式的轴向磁通DSPM电机内产生空载磁场，该空载磁场的主磁路如图11所示。该空载主磁路由两部分组成，一部分空载主磁路由内部环形永磁体产生，经由定子励磁极、中间气隙、转子极、内部气隙、内部导磁环并最终到达内部环形永磁体形成闭合磁通回路；另一部分空载主磁路由外部环形永磁体产生，经由定子励磁极、中间气隙、转子极、外部气隙、外部导磁环并最终到达外部环形永磁体形成闭合磁通回路。

[0109] 3.2电枢磁场

[0110] 双凸极电机空载时，气隙中仅有励磁磁场。负载时，电枢绕组中流过电流，电枢电流产生的电枢磁势也作用于气隙，并与励磁磁势共同产生气隙合成磁场。合成磁场的分布不同于空载时的主磁场。双凸极电机中电枢磁势使气隙磁场发生的变化，称作电枢反应。本节首先从磁路角度出发，分析双凸极电机的电枢反应，继而通过负载下的磁场仿真验证原理分析，从而揭示出双凸极电机电枢反应的规律。此外，负载后，电枢电流还改变了铁芯的饱和程度，导致电机电感的变化。

[0111] 3.2.1电枢反应

[0112] 三相双凸极电机发电运行时，可工作于滑出端发电、滑入端发电，和滑入滑出端均发电三种方式。三相双凸极电机电动运行时，可工作于一相通电、两相通电，和三相通电模式。为便于揭示电枢反应的规律，本节分析只考虑任一时刻只有一相绕组通电或两相绕组同时通电的工作方式。

[0113] 首先对双凸极电机发电运行时的电枢反应规律进行分析，再对电动运行时的电枢反应规律进行分析。图12给出DSPM电机θr＝30°下空载磁路示意图，图中仅对c、a相的两个齿作表示，其余齿上的空载磁路依此类推。

[0114] (1)滑出端发电方式下的电枢反应

[0115] 图13给出DSPM电机滑出端发电方式下θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有c相流过电流。电枢磁场方向与永磁体励磁方向相同，图中仅对电机c相的一个齿进行了标示，c相的其它三个齿可作类似分析。c相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为增磁作用，即在滑出端发电方式下，一相通电时，DSPM电机为直轴增磁电枢反应。

[0116] (2)滑入端发电方式下的电枢反应

[0117] 图14给出DSPM电机滑入端发电方式下θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有a相流过电流。电枢磁场方向与永磁体励磁方向相反，图中仅对电机a相的一个齿进行了标示，a相的其它三个齿可作类似分析。a相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为去磁作用，即在滑入端发电方式下，一相通电时，DSPM电机为直轴去磁电枢反应。

[0118] (3)滑入、滑出端均发电方式下的电枢反应

[0119] 图15给出DSPM电机滑入、滑出端均发电方式下θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机a、c两相流过电流。从图15可见，在励磁电流所经过的磁路中，a、c两相电流分别产生的电枢磁场方向相反而互消，因而电枢磁场的磁路如图15所示。图中仅对电机a相的一个齿和c相的一个齿进行了标示，a相的其它三个齿和c相的其它三个齿可作类似分析。a、c两相流过电流后，c相增磁，a相去磁，因电机磁路饱和，增磁量小而去磁量多，电枢磁场对励磁磁场表现为去磁反应。

[0120] 三相双凸极电机电动运行时，一相通电和两相通电的电枢反应规律也不同。一相通电时，可在滑入端通电，也可在滑出端通电，分别称为滑入端电动、滑出端电动，滑入、滑出端均电动，即两相均通电的电动方式。

[0121] 为便于与发电运行时的电枢反应进行比较，仍对DSPM电机在θr＝30°时的情况进行研究，电动运行的相电流方向与发电运行的相电流方向相反。

[0122] (1)滑出端电动方式下的电枢反应

[0123] 图16给出DSPM电机滑出端电动方式下，θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有c相流过电流，电枢磁场方向与永磁体励磁方向相反，图中仅对电机c相的一个齿进行了标示，c相的其它三个齿可作类似分析。c相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为去磁作用，即在滑出端电动方式下，一相通电时，DSPM电机为直轴去磁电枢反应。

[0124] (2)滑入端电动方式下的电枢反应

[0125] 图17给出DSPM电机滑入端电动方式下，θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机只有a相流过电流，电枢磁场方向与永磁体励磁方向相同，图中仅对电机a相的一个齿进行了标示，a相的其它三个齿可作类似分析。a相流过电流后，电枢磁场对励磁磁场表现为增磁作用，即在滑入端电动方式下，一相通电时，DSPM电机为直轴增磁电枢反应。

[0126] (3)滑入、滑出端均电动的两相通电情况下的电枢反应

[0127] 图18给出DSPM电机滑入、滑出端均电动的两相通电方式下，θr＝30°时电枢磁场的磁路示意图，电机工作在饱和状态下，a、c两相流过电流。a相电流增磁，c相电流去磁，由于磁路总的起去磁作用。

[0128] 由上分析研究，可归纳得出双凸极电机的电枢反应规律：

[0129] 1)滑出端发电和滑出端电动方式下，电枢磁场为直轴电枢反应磁场。滑出端发电方式下，电枢电流为直轴增磁电枢反应；滑出端电动方式下，电枢电流与滑出端发电方式下的电枢电流方向相反，电枢电流为直轴去磁电枢反应；

[0130] 2)滑入端发电和滑入端电动方式下，电枢磁场为直轴电枢反应磁场。滑入端发电方式下，电枢电流为直轴去磁电枢反应；滑入端电动方式下，电枢电流与滑入端发电方式下的电枢电流方向相反，电枢电流为直轴增磁电枢反应；

[0131] 3)滑入、滑出端均发电和滑入、滑出端均电动方式下，电枢电流不产生直轴电枢反应，只产生交轴电枢反应。对于DSPM电机，若永磁体矫顽力较小，磁路不饱和，则增磁、去磁相同，电枢电流对主磁场没有影响。永磁体矫顽力较大，铁芯饱和时，电机总体表现为去磁。铁芯饱和程度加大，电枢电流去磁作用加强。

[0132] 3.2.2等效电感

[0133] 双凸极电机负载工作时，相电感发生变化，从而引起区间等效电感的变化。

[0134] 作为发电机接负载运行时，在滑出端发电方式下，因电枢电流增磁，与空载相比，等效电感减小；在滑入端发电方式下，因电枢电流去磁，与空载相比，等效电感增大；在滑入滑出端均发电方式下，等效电感增大或减小取决于工作状态下的励磁电流和电枢电流大小，需根据实际工况计算才能得出。

[0135] 作为电动机负载运行时，在滑出端电动时，电枢电流去磁，与空载相比，等效电感增大；在滑入端电动时，电枢电流增磁，与空载相比，等效电感减小；在滑入端和滑出端均电动时，区间等效合成电感增大还是减小也取决于工作状态下的励磁电流和电枢电流大小，需根据实际工况计算才能得出。

[0136] 3.3控制规则

[0137] 所述DSPM电机的各相绕组的电感曲线及各相绕组的等效方波电流如图19所示。由图19可知，各相绕组的电感曲线互差一个步距角 (q为DSPM电机的相数)。对于任意一相绕组，当该相绕组处于电感上升区时，给该相通以正向绕组电流，该正向绕组电流对空载磁场起增磁作用；而当该相绕组处于电感下降区时，给该相通以反向绕组电流，该反向绕组电流对空载磁场起去磁作用。

[0138] 4.DSPM电机的设计

[0139] 设计DSPM电机，绕组相数与定、转子极数有多种组合。根据DSPM电机的工作原理，定子极数Ns、转子极数Nr和相数q之间需满足如下关

[0140]

[0141] 式中：k为正整数。

[0142] 当电机以速度n运行时，任一相的换向频率如式(1-1)。

[0143] 为降低开关频率，减小磁极和定子轭中的铁耗和功率开关损耗，转子极数应尽可能少，通常小于定子极数。当然，也可选择转子极数大于定子极数，对于相同的Ns，较大的Nr的优点是步距角较小，可减小转矩脉动。

[0144] 单相DSPM电机和功率变换器结构最为简单。为了获得起动转矩。定子极下采用步进气隙。但是，在单相电动机中，不可避免的存在零转矩区，应有足够大的负载转动惯量将转子带出该区域。

[0145] 采用2相电机结构可使零转矩区域明显减小。为了能在任意转子位置具有起动转矩，一台单相电机的定子(或转子)相对于另一台偏移。当绕组中通入180°导通的梯形波电流，该电机具有较高的转矩密度，它的缺点是由于额外的绕组端部，轴向长度太长，绕组用铜量增大。

[0146] 欲使DSPM电机具有在任一转子位置正、反向自起动能力，其相数应大于等于3。因而，Ns/Nr等于6/4、8/6和12/8是DSPM电机最常用的结构。其中，3相6/4极电机具有最少开关器件并可在任一方向自起动；对3相12/8极电机，在相同结构尺寸下，与6/4极电机相比，每极磁通可减半，定子轭可设计得较薄，具有较高的内/外径比，因而12/8极电机具有高的功率密度，此外，12/8极电机较小的定子齿宽，导致较短的绕组端部，较少的用铜量和较小的定子电阻，效率较高。其缺点是基波励磁频率加倍，这部分抵消了铁耗较低的优点，高速时更是如此。

[0147] 设施加于DSPM电机绕组上的相电压为U，绕组电流为方波，幅值等于Im，其中θ1～θ4由电机结构参数确定，则电机的输入功率为

[0148]

[0149] 式中，T＝θcr/ωr，ΔT＝θw/ωr，θcr＝2π/Nr为以弧度表示的转子极距，ωr为电机转子角速度，t1～t4为与θ1～θ4相对应的时间，θw＝θ2-θ1＝θ4-θ3，m为电机相数。由此，式(4-2)也可以表示为

[0150] P1＝2mUIm(θw/θcr)   (4-3)

[0151] 用η表示电机效率，则电机输出功率为

[0152] P2＝P1η＝2mUImη(θw/θcr)   (4-4)

[0153] 将θcr代入上式，则得

[0154] P2＝NrmkeEImθwη/π   (4-5)

[0155] 式中，ke＝U/E，E则是由永磁磁链在一相绕组中感应产生的反电势，它可以表示为[0156]

[0157] 式中，w为每相绕组串联匝数。ΔФm可以表示为

[0158] Δφm≈0.9φm＝0.9kdαsτsleBδ＝0.9kdαsπDavleBδ/Ns   (4-7)

[0159] 式中，τs＝πDav/Ns为定子极距，kd为边缘效应系数，αs为定子极弧系数，Ns为定子极数，Bδ为气隙磁密，Dav为定子励磁极的等效电枢直径，le为有效轴向长度。将式(4-7)代入式(4-6)，则可得反电势表示式为

[0160]

[0161] 另一方面，电流Im可表示为

[0162] Im＝kiIrms＝kiπDavAs/2mw   (4-9)

[0163] 式中，As为线负荷，Irms为相电流有效值，ki＝Im/Irms。将式(4-8)和(4-9)代入式(4-5)，并考虑到在通常情况下αs≈0.5，可得DSPM电机的输出功率为

[0164]

[0165] 式中，ns为DSPM电机的额定转速。式(4-10)是DSPM电机稳态性能分析和设计计算的基础，它反映了电机输出功率与主要设计参数之间的关系。例如，从式(4-10)可知，DSPM电机的输出功率正比于转子极数与定子极数之比Nr/Ns，当As和Bδ一定时，Nr/Ns越大，电机的输出功率越大，因此，8/6极电机的功率密度要比6/4极电机高12.5％。当然，它也具有较多的相数、较多的功率开关和较高的变换器成本。另外，由式(4-10)可以得到电机的尺寸方程为

[0166]

[0167] 5.仿真分析

[0168] 当作电动运行时，通过仿真计算得到所述的磁分路式的轴向磁通DSPM电机在θr＝30°时的空载永磁体励磁磁场的矢量分布如图20所示，在θr＝30°时仅由滑入端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布如图21(a)所示，在θr＝30°时仅由滑出端电枢绕组产生的电枢磁场的矢量分布如图21(b)所示，由滑入端和滑出端电枢绕组共同作用产生的电枢磁场的矢量分布如图21(c)所示。由图20可知，空载永磁体励磁磁场的主磁路仅从转子极流通，而不经过转子轭。由图21可知，由电枢绕组产生的电枢磁场从转子轭部流通。

[0169] 综上所述，该电机的永磁体励磁磁场和电枢磁场的主磁路相互分离，在定、转子轭部不存在共用铁心磁路，改善了由于磁场叠加而使得电机具有较长的饱和磁路的问题，进而有效抑制电机的铁心损耗。此外，由图20和21可知，这种磁分路的结构使得电枢磁场的主磁路仅由定转子铁心磁路和定转子极间气隙组成，而不经过内外环形永磁体形成闭合磁路，改善了由于永磁体磁阻较大而抑制电枢反应的问题。