1.2.3 電勵磁雙凸極電機的發展方向

1.電勵磁雙凸極電機的結構

1998年由南京航空航天大學研發了一種新型勵磁源的雙凸極電機，即電勵磁雙凸極電機（DSEM），并申請了國家發明專利[52,53]。在定子齒上施加一套繞勵磁繞組裝置，相比于用永磁體產生勵磁磁場，DSEM能夠較好地彌補勵磁磁場恒定不可調節以及無法故障滅磁的問題。與DSPM相比，DSEM制造成本更低，在高溫惡劣條件下高效運行能力更強，適用于航空航天、交通等領域。

目前，國外學者對DSPM的研究工作較多，主要集中在電機結構參數優化設計，磁鏈、電感特性分析，以及在各種功率變換器下的控制策略。國內的東南大學對DSPM進行了大量研究工作，主要研究內容包括電感特性分析、弱磁擴速能力、電機變結構設計等。南京航空航天大學對DSPM、DSEM及DSHEM這三種雙凸極電機的結構原理與設計、等效磁路建模方法和控制規律等方面進行了深入研究，并取得了一定成果。

研究表明，DSEM具有下列特點：①不存在電刷和集電環；②轉子上沒有繞組，轉子結構簡單堅固，可高速運行；③發電運行時，不需要位置傳感器和可控功率變換器，通過調節勵磁電流即可實現輸出電壓的調節，斷開勵磁電路滅磁，可實現電機系統故障保護；④電動運行時，勵磁轉矩大于磁阻轉矩，且與電樞電流成正比，在勵磁繞組與電樞繞組間互感的上升區與下降區分別通以正負電流時，電機均產生正轉矩，電機雙邊出力；⑤電動機可在四象限內運行。

2.電勵磁雙凸極發電機的整流方式

DSEM的氣隙磁通可以通過調節勵磁電流來實現控制，故發電運行時僅需要外接不可控二極管整流電路。現有的DSEM的發電方式對應的整流電路如圖1.17所示，主要包括開關磁阻發電機（Switched Reluctance Generator, SRG）發電方式[54]、第一種雙凸極發電機（Doubly Salient Generator 1, DSG1）發電方式、第二種雙凸極發電機（Doubly Salient Generator 2, DSG2）發電方式、第三種雙凸極發電機（Doubly Salient Generator 3, DSG3）發電方式四種發電方式。

其中SRG是電機相繞組與半波整流電路連接，整流二極管的陰極連接在一起，如圖1.17a所示，電機轉子滑出定子極時對應相繞組通過二極管向負載供電，產生增磁電樞反應，這種方式最為簡單，勵磁功率最小。DSG1發電方式中的二極管方向與SRG中的相反，整流二極管的陽極連接在一起，如圖1.17b所示，這種連接方式僅在轉子極滑入定子極時對應相電樞繞組輸出電能，產生去磁電樞反應，該方式需要勵磁電流較大，發電輸出功率較低。DSG2發電方式中，相繞組與橋式整流電路相接，如圖1.17c所示，轉子極滑出和滑入定子極時相繞組均輸出電能，同一時刻兩相繞組串聯輸出電壓。DSG3發電方式對應著串聯和并聯單相橋兩種整流電路，如圖1.17d所示，串聯單相橋適用于高壓輸出場合，并聯單相橋適用于大電流的輸出。

3.電勵磁雙凸極發電機的容錯技術

航空航天、新能源等領域的發展對電機的可靠性提出了更高的要求，余度是增強電機系統可靠性和安全性的重要方式，是指使用一套以上的設備來完成任務，最常用的是雙余度電機系統，可以工作在冷備份和熱備份兩種形式，熱備份的余度形式因能夠提高電能裝置的效率而最為常用。余度電機控制系統有兩套相互獨立的電機繞組和驅動器，它們互為備份，增加了系統的可靠性，實現了容錯控制。雙余度電機系統結構簡單，控制容易，但存在著繞組的利用率低、所占空間較大、結構復雜、電流不均衡等問題。為解決雙余度電機系統的種種缺陷，用一套設備增強電機系統的可靠性顯得尤為重要。

圖1.17 四種DSEM發電方式

電機系統的可靠性還可以通過本體設計和控制方法設計兩方面來實現。通過本體設計使得當電機發生故障時，故障相能夠被立刻隔離，即電機繞組發生開路或者短路故障時，故障相繞組不會對其他正常相繞組的運行產生影響，發生故障時電機輸出功率降低較少，由此達到容錯的目的。容錯控制方法是指在電機發生開路或短路等故障時，通過改變控制策略使得電機性能降低較少，保持與正常運行時類似的輸出特性，依然具有輸出額定轉矩的能力。DSEM發電運行時不可控，無法通過控制算法實現容錯。DSEM各相繞組在并聯外接單相橋整流方式下獨立向負載輸出電能，具有容錯能力。參考文獻[55]針對新型的五相DSEM的結構特點和工作原理，在二維磁場有限元非線性計算分析的基礎上，對電機在外接單相橋整流發電方式下發生二極管短路故障時的容錯特性進行了理論分析和仿真驗證。分析表明，外接單相整流橋的五相DSEM在發生二極管短路故障時仍有一定的輸出，不會由于短路相的影響發生系統崩潰，同時可通過增加勵磁電流保證正常時的輸出功率。參考文獻[56]以一臺四相DSEM樣機為研究對象，對電機在相繞組端部發生短路故障和二極管發生短路故障時的負載特性進行了研究。參考文獻[57]對三相DSEM工作在外接并聯單相橋方式下發生單相開路故障的運行特性進行了研究，故障時輸出壓降小于10%。DSEM發電運行時不可控，無法通過控制算法實現容錯。增加相數是實現電機容錯的重要方式，參考文獻[58]對一種用于直驅式風力發電機的五相容錯DSEM進行了研究，該電機帶有容錯極，通過有限元仿真對開路故障及理想短路故障進行了分析研究。