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為了解決傳統(tǒng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的提升越來(lái)越緩慢，跟不上新能源汽車、新能源發(fā)電等新興行業(yè)需求的問(wèn)題，研究人員從電機(jī)基礎(chǔ)理論和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了一種新型電機(jī)，即游標(biāo)永磁電機(jī)，它翻譯自英文“Vernier motor”。

游標(biāo)永磁電機(jī)的定子極對(duì)數(shù)ps與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)pr不相等，(pr/ps)個(gè)轉(zhuǎn)子極對(duì)應(yīng)1個(gè)定子極，這種現(xiàn)象類似于游標(biāo)卡尺上下刻度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此命名為游標(biāo)電機(jī)。

游標(biāo)永磁電機(jī)基于磁場(chǎng)調(diào)制原理產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩，其電磁轉(zhuǎn)矩除了與電、磁負(fù)荷有關(guān)外，還要乘以一個(gè)轉(zhuǎn)矩放大系數(shù)PR（即極比），因此從外特性看，游標(biāo)永磁電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)普通永磁電機(jī)加一臺(tái)變比為PR的電磁齒輪的組合。因此，從原理上游標(biāo)永磁電機(jī)具有較傳統(tǒng)永磁電機(jī)更高的轉(zhuǎn)矩密度，并已經(jīng)得到了相關(guān)分析、仿真和實(shí)驗(yàn)的證明。

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，游標(biāo)永磁電機(jī)主要包括徑向勵(lì)磁游標(biāo)永磁電機(jī)、海爾貝克磁鋼游標(biāo)永磁電機(jī)和切向勵(lì)磁游標(biāo)永磁（Spoke-Array Vernier Permanent Magnet, SA-VPM）電機(jī)三種。切向勵(lì)磁方式具有聚磁效應(yīng)，氣隙磁通密度更高。因此，在相同的電機(jī)體積和散熱條件下，SA-VPM電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)更高、轉(zhuǎn)矩密度也更高。

圖1 切向勵(lì)磁游標(biāo)永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

然而，研究人員發(fā)現(xiàn)高極比SA-VPM電機(jī)存在嚴(yán)重的“磁障效應(yīng)”，造成定子軛部磁通密度反而下降，嚴(yán)重限制了SA-VPM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。

為了解決傳統(tǒng)SA-VPM電機(jī)存在“磁障效應(yīng)”的問(wèn)題，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）的研究人員在2020年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出了一種新型帶連接橋交替極切向勵(lì)磁游標(biāo)永磁電機(jī)。

圖2 空載時(shí)磁通密度分布對(duì)比

圖3 負(fù)載時(shí)磁通密度分布對(duì)比

該新型電機(jī)磁鋼極性相同，用量?jī)H為傳統(tǒng)拓?fù)涞囊话搿Ｅc永磁體相鄰的連接橋和轉(zhuǎn)子軛部為主磁場(chǎng)提供通路，從而減小氣隙磁阻，增加少極工作磁通密度并提升反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩密度。

有限元分析可知極比越高，新型SA-VPM電機(jī)優(yōu)勢(shì)越明顯。極比為11的新型SA-VPM電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)比傳統(tǒng)SA-VPM電機(jī)高87.3%，平均轉(zhuǎn)矩高23.6%且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更低。同時(shí)，新型SA-VPM電機(jī)的永磁體用量減少了56.28%，因此轉(zhuǎn)矩/永磁體用量的值約是傳統(tǒng)SA-VPM電機(jī)的2.83倍，電機(jī)成本大幅下降。

本文編自2020年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“一種交替極切向勵(lì)磁游標(biāo)永磁電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)”，作者為梁子漪、曲榮海 等。