1.3 新結構線圈輔助勵磁雙凸極電機

1.3.1 線圈輔助勵磁雙凸極電機研究目的及意義

隨著電機行業和永磁材料的應用和發展，體積小、壽命長并且效率高的永磁無刷直流電機（PM-BLDCM）在調速領域有非常明顯的優勢，且控制方式靈活。隨著永磁材料和傳感器技術的不斷創新和發展，以及在本體和控制上的技術也在不斷進步，PM-BLDCM隨之也成為各方研究學者的熱點研究對象，并且在家用電器、電動汽車、船舶、機車牽引和數控機床等場合獲得了廣泛的應用，這些場合都要求電機有高控制精度和高可靠性。21世紀以來，通過減少轉子損耗和溫升、抑制轉矩脈動、無傳感器轉子位置檢測等來提高電機控制精度并擴大應用范圍成為研究PM-BLDCM的專家學者新的研究方向。但永磁體的加入不僅增加了電機的成本，而且高溫或者大的反向磁動勢都可能使永磁體退磁，電機的恒功率范圍和調速范圍還被其產生的不可控的永磁磁通所限制，另外，永磁體與轉子軛之間的裝配強度也會影響電機的高速性能，永磁體這些固有的缺陷限制了PM-BLDCM或者其他帶有永磁體的電機在許多領域中的應用。

由于雙凸極電機定子上采用集中繞組，轉子上沒有繞組和永磁體，以及雙凸極結構和步進式旋轉，導致電機的磁鏈和電樞繞組的電感呈強非線性，不僅加大了電機控制系統的難度，還導致了轉矩波動大，運行不穩定。這又引起了電機的振動以及噪聲等問題，阻礙了電機的發展，限制了電機的應用領域。目前，國內外學者針對雙凸極電機抑制轉矩脈動的方法主要分為兩個方向：

1）優化電機本體設計參數，改變電機結構。雙凸極電機由于它的特殊結構和強非線性導致較大的轉矩脈動，因此電機結構優化有利于削弱轉矩脈動。例如，優化設計定子結構，用兩段式的非均勻氣隙代替傳統的均勻氣隙，又或者是將轉子齒改成T形帶極靴結構，通過減小徑向力波積分面積減小電機的轉矩脈動。

2）在電機結構已經確定的情況下，采用合理的控制方法和智能算法抑制電機轉矩脈動。當電機的基本參數確定后，可以通過合理的電機控制方法來有效抑制電機的轉矩脈動，常用的抑制電機轉矩脈動的控制方法有兩種，分別是轉矩分配函數控制和直接轉矩控制。轉矩分配函數控制適用于低速電機，該方法根據轉矩分配函數將期望總轉矩分成三相期望轉矩，轉矩分配函數的作用是優化各相電流和磁鏈，使合成后的三相總轉矩保持穩定，達到抑制轉矩脈動的效果。

在永磁電機和SRM的研究基礎上提出了一種新型無刷直流電機，即線圈輔助勵磁雙凸極電機（Doubly Salient Coil-Assisted Excitation Motor, DSCEM），通過引用輔助線圈的方式替代永磁體，從而避免出現永磁體退磁的現象。相比于SRM，DSCEM引入的輔助線圈，能一定程度上擴展電機的調速范圍和恒功率范圍。避免了電刷對使用環境的限制，具有機械結構單一、成本低以及不易受外界影響的優點，可應用于眾多行業。用勵磁線圈產生的輔助磁場起到無刷直流電機中轉子永磁體的作用。勵磁線圈的加入，產生了可調的磁場，更加有利于對電機轉速和轉矩的精確控制，新型軸向DSEM不僅與傳統SRM和無刷直流電機有類似的優點，而且作為一種新型的雙凸極電機，與傳統的無刷直流電機和SRM相比具有以下的技術優勢：

1）轉矩-重量比大。該電機結構緊湊，在相同體積和重量情況下可以產生更大的轉矩。

2）運轉平穩、噪聲小、可靠性高。通過調節電流來調節磁場使轉速更加平穩，并且可以抑制電機的轉矩脈動，減小噪聲，永磁體退磁的風險也不復存在，還提高了電機運行的可靠性。

3）控制精度高。由于雙套繞組的存在，使得各個變量更可控，提高了控制精度，有利于減小控制系統誤差。

4）不存在永磁體退磁現象，輔助線圈產生的磁場可進行調節，可以在高溫等惡劣環境下工作。

該電機的起動轉矩大，可實現重載軟起動，適合應用在提升機械、運輸機械、采煤機械等需要大轉矩的設備中，還可與其他直流電機一樣應用于電動車輛、家用電器、伺服控制、航空等通用工業，或將成為電機領域的一個具有廣闊應用前景和極具研究價值的方向。