定子永磁型电机的未来

lidawei_zs

首先，小介绍下发展史，定子永磁型电机（既永磁体在定子上）已经在学术圈已经热了有段时间了，1955，“S. E. Rauch and L. J. Johnson, “Design principles of flux-switching alternators,” AIEE Trans., vol. 74, no. 3, pp. 1261–1268, Jan. 1955.” 算是定子永磁型电机的开端吧，然后随着永磁电机一起冷掉，又随着高性能永磁材料的推出，再度火起来。。1990 以后 T.A.Lipo教授提出双凸极永磁电机，很多人开始进行这方面研究，2000年左右，诸自强教授对开关磁链电机进行了非常详细的研究（虽然有些问题尚未解决），欧美也有很多人研究开关磁链电机，但是总体来说，诸自强和 K.T.Chau最成体系。国内以东南大学程明教授课题组研究比较多，也深入，有重点基金支持做这种定子永磁型电机在大型风力发电机中应用，江苏大学也有研究，自然科学基金委也给了很多基金支持（重点和面上都有），可见还是很重视 这类型电机的，。

技术层面：定子永磁型电机主要有：双凸极永磁电机（径向、轴向、横向都有，单相多相都有），开关磁链永磁电机（径向、轴向、横向都有，单相多相都有）。 结构特点，转子上只有转子齿，绕组和永磁体均在定子上。技术优点：永磁体在定子上冷却比较容易，绕组为集中绕组，转子结构坚固（跟开关磁阻电机一样），等等，相比于开关磁阻电机噪声振动不是问题（因为它利用的是永磁转矩没有磁阻转矩），目前的问题：转矩脉动比较大，控制方法不完善等等。

可以看到优点貌似比缺点多很多，但是目前还没有广泛应用。。大家可以针对定子永磁型电机的发展，提出自己看法，我们一起讨论讨论

标准答案

此帖似乎非常不专业，常规的永磁直流电机大多就是“定子永磁型电机（既永磁体在定子上）”这有那么新鲜吗？有那么玄吗？“已经在学术圈已经热了有段时间了”吗？

enjoyingzk

楼主，能说的再详细点嘛，没太想明白是啥结构的，和开关磁阻电机有什么区别。

Edwin_Sun

源于开关磁阻，转矩脉动太大会限制其应用场合；

关于散热容易我一直持有怀疑态度，永磁体直接被热源-铜耗和铁耗包围，热量直接包围永磁，永磁还是很危险的；转子永磁型至少还有一个大的热阻-气隙所隔开；所以我一直想做一个实验，那就是同样的机壳，功率密度，转矩密度，损耗什么的尽量一样，用同样的散热，看看转子永磁型和定子永磁型的永磁谁的温度高；做定子永磁型的人很多，每个都会讲散热容易，却没有几个能好好分析设计一下它的散热系统，以及与转子永磁型的比较

lidawei_zs

标准答案 发表于 2013-9-30 00:22
此帖似乎非常不专业，常规的永磁直流电机大多就是“定子永磁型电机（既永磁体在定子上）”这有那么新鲜吗？ ...

不好意思，第一次发原创帖不严谨。应该是定子永磁型无刷电机，（方波或正弦波驱动），主要指的也是我在1娄说的电机拓扑，开关磁链，双凸极永磁，等等。永磁直流有刷的太常用了就不说了

lidawei_zs

enjoyingzk 发表于 2013-10-1 19:06
楼主，能说的再详细点嘛，没太想明白是啥结构的，和开关磁阻电机有什么区别。

首先先贴几个图说明结构。

smartwinner

“目前的问题：转矩脉动比较大，控制方法不完善等等”
相比开关磁阻电机，永磁同步电机的转矩脉动并不是很大吧，我仿真过10000Nm的转矩波动几百Nm。另外控制方法目前来讲还是比较成熟的了，矢量控制、直接转矩控制、SHE等技术已经广泛应用，何以说控制方法不完善？
我认为真正的问题是成本和可靠性的问题。

lidawei_zs

enjoyingzk 发表于 2013-10-1 19:06
楼主，能说的再详细点嘛，没太想明白是啥结构的，和开关磁阻电机有什么区别。

可以看到，跟开关磁阻电机相比不同在于有永磁体的，结构很类型，都是双凸极，绕组也都是单齿绕集中绕组，但工作原理却不同。。首先开关磁阻电机是利用的凸极效应工作，而以上三种电机是永磁体磁场和电枢磁场相互作用产生转矩，换句话讲如果你去掉永磁体，他是没有转矩的。另外从控制上看，开关磁阻电机的磁场是跳跃磁场，而定子永磁型无刷电机倾向用正弦波驱动（反电势很正弦）。
下图是开关磁链电机的工作原理示意图，转子移动一个转子齿距，永磁体在绕组产生的磁链交变一个周期，产生动生电动势，通入电流产生转矩（不能用BIL解释）。

lidawei_zs

smartwinner 发表于 2013-10-5 10:06
“目前的问题：转矩脉动比较大，控制方法不完善等等”
相比开关磁阻电机，永磁同步电机的转矩脉动并不是很 ...

转矩脉动是很大的，但是这个大不是相对于开关磁阻电机，而且对于其他永磁电机，目前研究最多的就是从控制角度抑制转矩脉动，至于工艺成本，首先它还是二维的，不像横向磁通，如果真的电磁上优势很明显，企业愿意大规模搞，这些肯定都能解决。即使电磁上不是全面有优势，只要它有比较突出的特点（比如高速）等等，也会它的用途

lidawei_zs

Edwin_Sun 发表于 2013-10-4 17:03
源于开关磁阻，转矩脉动太大会限制其应用场合；

关于散热容易我一直持有怀疑态度，永磁体直接被热源-铜 ...

专业人士。。转矩脉动我是同意的，还有振动等，我认为，关于转矩脉动，当然研究者会很关心，我的看法是在一般应用场合都没什么问题（除非超低速和伺服），实际运行起来机械惯性一般都能将脉动给滤掉。。关于散热容易，我的理解是容易采用一些办法散热，毕竟是定子上。

smartwinner

您指的转矩脉动大量化后是多少呢？2~3%算大吗？转矩脉动通常是由谐波电流造成的，集中式绕组和凸极式结构是谐波转矩的物理引入途径，而控制上PWM波也会引入谐波电流，一般低载波比的时候会使用SHE，目前控制技术上个人认为还是比较成熟的，对于大功率的永磁同步电机，主要还是散热问题。

lidawei_zs

smartwinner 发表于 2013-10-5 10:22
您指的转矩脉动大量化后是多少呢？2~3%算大吗？转矩脉动通常是由谐波电流造成的，集中式绕组和凸极式结构是 ...

你是做过这个。首先电机为了尽可能提高材料利用率，都会涉及在微饱和，对于开关磁链电机由于永磁体是立着的，定子齿的聚磁效果使得定子齿饱和很严重，尤其是带载的时候。如果你从空载反电势角度来看确实正弦，轻载的时候转矩脉动也不错，但是你加到额定负载您在观察观察，局部磁饱和，（因双凸极结构造成的），对它的转矩脉动就影响很大了，你看内置永磁电机的转矩脉动就很大，有部分原因也是因为极靴饱和造成的。还有，分数槽集中绕组SPM的转矩脉动很低，即使他的电枢磁动势谐波很丰富。

smartwinner

lidawei_zs 发表于 2013-10-5 10:39
你是做过这个。首先电机为了尽可能提高材料利用率，都会涉及在微饱和，对于开关磁链电机由于永磁体是立着 ...

您应该是企业界的工程师吧。我是研究电机控制的，对于极靴饱和、二次气隙效应等不是很理解。既然您说转矩脉动过大，那您期望的额定点的转矩脉动是多少呢，能够有数据吗？

lidawei_zs

smartwinner 发表于 2013-10-5 10:53
您应该是企业界的工程师吧。我是研究电机控制的，对于极靴饱和、二次气隙效应等不是很理解。既然您说转矩 ...

不同应用场合对转矩脉动的要求是不一样的，以电动汽车为例，美国的自由车计划（FreedomCar2020）的要求转矩脉动在全速度范围不能超过平均转矩的5%，这里转矩脉动指的是峰峰值。您提到的二次气隙也不知道指的什么，有没有前后文

smartwinner

lidawei_zs 发表于 2013-10-5 14:29
不同应用场合对转矩脉动的要求是不一样的，以电动汽车为例，美国的自由车计划（FreedomCar2020）的要求转 ...

二次气隙问题是电机专业的一个比较深层次的问题，我只是了解一点。我提起这个只是泛指我对电机专业不是很懂，并无它意。本人也是 研究电动汽车的，刚入行1年，不太了解行业里面电动汽车对电机转矩波动的要求。如果说5%是个标准，如果用隐极式的PMSM比较好做到，对于凸极式的我还不太清楚。还望高手赐教。

lidawei_zs

smartwinner 发表于 2013-10-5 15:44
二次气隙问题是电机专业的一个比较深层次的问题，我只是了解一点。我提起这个只是泛指我对电机专业不是很 ...

隐极电机确实转矩脉动比较低，但是高速时候，一方面弱磁能力不太好，另一方面，钢套也需要比较厚，也就增大了等效气隙了。当然这些都是泛指，这跟很多因素有关，IPM 性能受到很多因素的影响，单从设计角度讲，也决定于定子绕组，转子 磁体层数，磁体弧度等等，很多方面，就从一些资料看来，传统叠绕组，单层磁体，额定转矩脉动都在10%以上。。还有，我觉得工程问题没什么深层次，原理都摆在那。。

smartwinner

lidawei_zs 发表于 2013-10-5 18:51
隐极电机确实转矩脉动比较低，但是高速时候，一方面弱磁能力不太好，另一方面，钢套也需要比较厚，也就增 ...

不管是学术问题还是工程问题，我认为都还是有层次的，我们就经常会问要关注某个问题到哪个层级才够。这个也看你如何定义“层次”吧。
隐极电机确实有它自己的问题，我们一般都只研究凸极电机，隐极电机可以看做是凸极电机的一种特例。我不知道您有没有调研过安川电机等这些车用电机供应商，它们的电机都有拆解资料，就电机设计方面完全可以参考它们的电磁设计加以改进。而控制方面，我掌握的数据也不全，不敢乱说，不过根据我们这里的研究情况，满足车用需求的永磁同步电机不是问题。不知道大家有没有有关永磁同步电机转矩波动、效率MAP、技术参数等数据可供分享。