- 頭條澳門大學科研成果表明：雙永磁勵磁電機的性能要優于永磁游標電機2021-04-07 作者：石玉君 程子活 蹇林旎 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語澳門大學機電工程系、深圳市電力直驅技術重點實驗室（南方科技大學）的研究人員石玉君、程子活、蹇林旎，在2021年第1期《電工技術學報》上撰文，對比分析了兩種典型的場調制型永磁電機，即常規永磁游標電機和雙永磁勵磁電機的性能和特點。研究結果表明，在相同的尺寸、定子槽數、定子齒數、繞組極對數、轉子磁體極對數、線圈匝數、繞組聯結方式、電負荷、銅損耗及轉速的條件下，雙永磁勵磁電機在永磁體用量、反電動勢、轉矩密度、單位磁體體積的轉矩、功率因數及效率方面優于常規永磁游標電機。
場調制型永磁電機（FMPM）憑借其轉矩密度大、效率高、無需配套機械齒輪箱使用等優點，在風力發電、電力船舶推進等低速大轉矩直驅場合受到了許多專家學者的廣泛關注。眾所周知，集成磁性齒輪永磁電機（IMGPM）和常規永磁游標電機（PMVM）是兩種最常見的場調制型永磁電機。與集成磁性齒輪永磁電機的多層氣隙結構相比，常規永磁游標電機結構簡單、制造難度小、成本低，更適合用于低速大轉矩直驅應用領域。
從結構上來看，常規永磁游標電機只有一套永磁體，且磁體與電樞繞組的極對數不相等；從運行原理來看，永磁游標電機基于“單向磁場調制效應（UFME）”工作。在該效應的作用下，永磁游標電機在氣隙中調制出大量的磁場諧波。在這些極對數相等且轉速相同的有效諧波的相互作用下，永磁游標電機實現了穩定的機電能量轉換。
近些年來出現了一種新型場調制型永磁電機，有學者將其命名為“雙永磁勵磁電機（DPMEM）”。該電機的結構特點是只有一層氣隙，結構簡單；兩套永磁體分別位于定子和轉子上，且兩套磁體的極對數和電樞繞組的極對數彼此互不相等。
從工作原理來看，雙永磁勵磁電機在雙向磁場調制效應（BFME）的作用下，保證了兩套磁體激發的磁場與電樞磁場有效耦合，從而實現了穩定的機電能量轉換。有學者通過分析，證明了雙永磁勵磁電機比它自身拓撲結構中所含的場調制型永磁電機能提供更大的轉矩，這使其在低速大轉矩領域成為一個有力的競爭者。
回顧現有關于永磁游標電機和雙永磁勵磁電機的研究情況，其研究工作主要集中在工作原理的揭示、新型高性能電機拓撲結構的設計分析、電機的優化分析、電機的控制、參數對性能的影響以及各自不同拓撲結構之間的性能比較。然而，幾乎沒有有關永磁游標電機和雙永磁勵磁電機之間性能對比分析的研究。
基于此，澳門大學、南方科技大學的研究人員對比分析了兩種典型的場調制型永磁電機，即常規永磁游標電機和雙永磁勵磁電機的性能和特點。為了公平比較，他們選擇了一臺常規表貼式游標電機和一臺看成由這臺常規游標電機演化而來的雙永磁勵磁電機作為研究對象。
首先，他們介紹了兩種電機的結構，總結了其結構特點；其次，通過推導兩種電機的一般表達式，即空載反電動勢及輸出轉矩，揭示了兩種電機的工作原理，比較總結了“單向磁場調制效應”與“雙向磁場調制效應”；接著，利用有限元法（FEM）對比分析了兩臺電機的性能，驗證了一般性表達式的正確性；最后得出如下結論：
圖1 兩臺電機結構示意圖
1）從結構上來看，常規表貼式PMVM只有一套磁體、一個齒極結構，而DPMEM有兩套磁體、兩個齒極結構；DPMEM磁體極對數的構成采用CP方式，所有磁體極性相同，定轉子磁體極對數與相應的定轉子齒數相同，確保了有效的磁場調制。
2）從工作原理來看，常規PMVM基于單向場調制效應，而DPMEM基于雙向磁場調制效應。前者氣隙有兩個主要永磁諧波，而后者有四個主要永磁諧波。后者雖然有四個主要諧波，但是從反電動勢和轉矩表達式可以看出，實際參與機電能量轉換的只有三個，即轉子磁體基波和諧波、定子磁體諧波。
3）對比反電動勢和轉矩表達式可以得出，與UFME相比，BFME能夠額外引入一個定子永磁諧波。這是DPMEM反電動勢和轉矩高于常規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PMVM的少，減少了11.17%。
4）仿真結果表明常規PMVM及DPMEM一般性表達式推導的正確性，仿真結果還表明DPMEM在磁體用量、反電動勢、功率因數、效率、轉矩密度及單位磁體體積的轉矩方面優于常規PMVM。與常規PMVM相較而言，DPMEM的磁體用量減少了11.17%，反電動勢增加了一倍，轉矩密度、效率及單位磁體體積的轉矩分別提高了65%、5%及85%。
5）DPMEM的鐵損比常規PMVM的大，主要原因是雙永磁勵磁電機定、轉子鐵心上均有永磁體，其鐵心較常規永磁游標電機的更易飽和。對于它們而言，鐵損都集中在定子鐵芯上。
6）雙永磁勵磁電機定、轉子雖然都有齒極結構，但是交直軸電感很接近，凸極效應很小，可以忽略不計。
7）在額定狀態下，常規PMVM不存在退磁風險，而DPMEM存在局部退磁風險。但經評估發現，退磁最嚴重的定、轉子磁體，退磁區域占整個磁體區域的比例很小，因此DPMEM在額定狀態下的退磁風險可以忽略不計。
以上研究成果發表在2021年第1期《電工技術學報》，論文標題為“兩種典型的場調制型永磁電機的對比分析”，作者為石玉君、程子活、蹇林旎。
