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場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)（FMPM）憑借其轉(zhuǎn)矩密度大、效率高、無需配套機(jī)械齒輪箱使用等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、電力船舶推進(jìn)等低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)場(chǎng)合受到了許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。眾所周知，集成磁性齒輪永磁電機(jī)（IMGPM）和常規(guī)永磁游標(biāo)電機(jī)（PMVM）是兩種最常見的場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)。與集成磁性齒輪永磁電機(jī)的多層氣隙結(jié)構(gòu)相比，常規(guī)永磁游標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造難度小、成本低，更適合用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域。

從結(jié)構(gòu)上來看，常規(guī)永磁游標(biāo)電機(jī)只有一套永磁體，且磁體與電樞繞組的極對(duì)數(shù)不相等；從運(yùn)行原理來看，永磁游標(biāo)電機(jī)基于“單向磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)（UFME）”工作。在該效應(yīng)的作用下，永磁游標(biāo)電機(jī)在氣隙中調(diào)制出大量的磁場(chǎng)諧波。在這些極對(duì)數(shù)相等且轉(zhuǎn)速相同的有效諧波的相互作用下，永磁游標(biāo)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

近些年來出現(xiàn)了一種新型場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)，有學(xué)者將其命名為“雙永磁勵(lì)磁電機(jī)（DPMEM）”。該電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一層氣隙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；兩套永磁體分別位于定子和轉(zhuǎn)子上，且兩套磁體的極對(duì)數(shù)和電樞繞組的極對(duì)數(shù)彼此互不相等。

從工作原理來看，雙永磁勵(lì)磁電機(jī)在雙向磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)（BFME）的作用下，保證了兩套磁體激發(fā)的磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)有效耦合，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。有學(xué)者通過分析，證明了雙永磁勵(lì)磁電機(jī)比它自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所含的場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)能提供更大的轉(zhuǎn)矩，這使其在低速大轉(zhuǎn)矩領(lǐng)域成為一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

回顧現(xiàn)有關(guān)于永磁游標(biāo)電機(jī)和雙永磁勵(lì)磁電機(jī)的研究情況，其研究工作主要集中在工作原理的揭示、新型高性能電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析、電機(jī)的優(yōu)化分析、電機(jī)的控制、參數(shù)對(duì)性能的影響以及各自不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的性能比較。然而，幾乎沒有有關(guān)永磁游標(biāo)電機(jī)和雙永磁勵(lì)磁電機(jī)之間性能對(duì)比分析的研究。

基于此，澳門大學(xué)、南方科技大學(xué)的研究人員對(duì)比分析了兩種典型的場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)，即常規(guī)永磁游標(biāo)電機(jī)和雙永磁勵(lì)磁電機(jī)的性能和特點(diǎn)。為了公平比較，他們選擇了一臺(tái)常規(guī)表貼式游標(biāo)電機(jī)和一臺(tái)看成由這臺(tái)常規(guī)游標(biāo)電機(jī)演化而來的雙永磁勵(lì)磁電機(jī)作為研究對(duì)象。

首先，他們介紹了兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)，總結(jié)了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；其次，通過推導(dǎo)兩種電機(jī)的一般表達(dá)式，即空載反電動(dòng)勢(shì)及輸出轉(zhuǎn)矩，揭示了兩種電機(jī)的工作原理，比較總結(jié)了“單向磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)”與“雙向磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)”；接著，利用有限元法（FEM）對(duì)比分析了兩臺(tái)電機(jī)的性能，驗(yàn)證了一般性表達(dá)式的正確性；最后得出如下結(jié)論：

圖1 兩臺(tái)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1）從結(jié)構(gòu)上來看，常規(guī)表貼式PMVM只有一套磁體、一個(gè)齒極結(jié)構(gòu)，而DPMEM有兩套磁體、兩個(gè)齒極結(jié)構(gòu)；DPMEM磁體極對(duì)數(shù)的構(gòu)成采用CP方式，所有磁體極性相同，定轉(zhuǎn)子磁體極對(duì)數(shù)與相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同，確保了有效的磁場(chǎng)調(diào)制。

2）從工作原理來看，常規(guī)PMVM基于單向場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)，而DPMEM基于雙向磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)。前者氣隙有兩個(gè)主要永磁諧波，而后者有四個(gè)主要永磁諧波。后者雖然有四個(gè)主要諧波，但是從反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以看出，實(shí)際參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的只有三個(gè)，即轉(zhuǎn)子磁體基波和諧波、定子磁體諧波。

3）對(duì)比反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以得出，與UFME相比，BFME能夠額外引入一個(gè)定子永磁諧波。這是DPMEM反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩高于常規(guī)PMVM的原因。盡管BFME引入了一套定子永磁體，但是DPMEM磁體用量比常規(guī)PMVM的少，減少了11.17%。

4）仿真結(jié)果表明常規(guī)PMVM及DPMEM一般性表達(dá)式推導(dǎo)的正確性，仿真結(jié)果還表明DPMEM在磁體用量、反電動(dòng)勢(shì)、功率因數(shù)、效率、轉(zhuǎn)矩密度及單位磁體體積的轉(zhuǎn)矩方面優(yōu)于常規(guī)PMVM。與常規(guī)PMVM相較而言，DPMEM的磁體用量減少了11.17%，反電動(dòng)勢(shì)增加了一倍，轉(zhuǎn)矩密度、效率及單位磁體體積的轉(zhuǎn)矩分別提高了65%、5%及85%。

5）DPMEM的鐵損比常規(guī)PMVM的大，主要原因是雙永磁勵(lì)磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心上均有永磁體，其鐵心較常規(guī)永磁游標(biāo)電機(jī)的更易飽和。對(duì)于它們而言，鐵損都集中在定子鐵芯上。

6）雙永磁勵(lì)磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子雖然都有齒極結(jié)構(gòu)，但是交直軸電感很接近，凸極效應(yīng)很小，可以忽略不計(jì)。

7）在額定狀態(tài)下，常規(guī)PMVM不存在退磁風(fēng)險(xiǎn)，而DPMEM存在局部退磁風(fēng)險(xiǎn)。但經(jīng)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，退磁最嚴(yán)重的定、轉(zhuǎn)子磁體，退磁區(qū)域占整個(gè)磁體區(qū)域的比例很小，因此DPMEM在額定狀態(tài)下的退磁風(fēng)險(xiǎn)可以忽略不計(jì)。

以上研究成果發(fā)表在2021年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“兩種典型的場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)的對(duì)比分析”，作者為石玉君、程子活、蹇林旎。