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場調(diào)制型永磁電機（FMPM）憑借其轉(zhuǎn)矩密度大、效率高、無需配套機械齒輪箱使用等優(yōu)點，在風(fēng)力發(fā)電、電力船舶推進等低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)場合受到了許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。眾所周知，集成磁性齒輪永磁電機（IMGPM）和常規(guī)永磁游標電機（PMVM）是兩種最常見的場調(diào)制型永磁電機。與集成磁性齒輪永磁電機的多層氣隙結(jié)構(gòu)相比，常規(guī)永磁游標電機結(jié)構(gòu)簡單、制造難度小、成本低，更適合用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域。

從結(jié)構(gòu)上來看，常規(guī)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(shù)不相等；從運行原理來看，永磁游標電機基于“單向磁場調(diào)制效應(yīng)（UFME）”工作。在該效應(yīng)的作用下，永磁游標電機在氣隙中調(diào)制出大量的磁場諧波。在這些極對數(shù)相等且轉(zhuǎn)速相同的有效諧波的相互作用下，永磁游標電機實現(xiàn)了穩(wěn)定的機電能量轉(zhuǎn)換。

近些年來出現(xiàn)了一種新型場調(diào)制型永磁電機，有學(xué)者將其命名為“雙永磁勵磁電機（DPMEM）”。該電機的結(jié)構(gòu)特點是只有一層氣隙，結(jié)構(gòu)簡單；兩套永磁體分別位于定子和轉(zhuǎn)子上，且兩套磁體的極對數(shù)和電樞繞組的極對數(shù)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(diào)制效應(yīng)（BFME）的作用下，保證了兩套磁體激發(fā)的磁場與電樞磁場有效耦合，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定的機電能量轉(zhuǎn)換。有學(xué)者通過分析，證明了雙永磁勵磁電機比它自身拓撲結(jié)構(gòu)中所含的場調(diào)制型永磁電機能提供更大的轉(zhuǎn)矩，這使其在低速大轉(zhuǎn)矩領(lǐng)域成為一個有力的競爭者。

回顧現(xiàn)有關(guān)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(jié)構(gòu)的設(shè)計分析、電機的優(yōu)化分析、電機的控制、參數(shù)對性能的影響以及各自不同拓撲結(jié)構(gòu)之間的性能比較。然而，幾乎沒有有關(guān)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(xué)、南方科技大學(xué)的研究人員對比分析了兩種典型的場調(diào)制型永磁電機，即常規(guī)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(guī)表貼式游標電機和一臺看成由這臺常規(guī)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(jié)構(gòu)，總結(jié)了其結(jié)構(gòu)特點；其次，通過推導(dǎo)兩種電機的一般表達式，即空載反電動勢及輸出轉(zhuǎn)矩，揭示了兩種電機的工作原理，比較總結(jié)了“單向磁場調(diào)制效應(yīng)”與“雙向磁場調(diào)制效應(yīng)”；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(jié)論：

圖1 兩臺電機結(jié)構(gòu)示意圖

1）從結(jié)構(gòu)上來看，常規(guī)表貼式PMVM只有一套磁體、一個齒極結(jié)構(gòu)，而DPMEM有兩套磁體、兩個齒極結(jié)構(gòu)；DPMEM磁體極對數(shù)的構(gòu)成采用CP方式，所有磁體極性相同，定轉(zhuǎn)子磁體極對數(shù)與相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同，確保了有效的磁場調(diào)制。

2）從工作原理來看，常規(guī)PMVM基于單向場調(diào)制效應(yīng)，而DPMEM基于雙向磁場調(diào)制效應(yīng)。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(zhuǎn)矩表達式可以看出，實際參與機電能量轉(zhuǎn)換的只有三個，即轉(zhuǎn)子磁體基波和諧波、定子磁體諧波。

3）對比反電動勢和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩高于常規(guī)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(guī)PMVM的少，減少了11.17%。

4）仿真結(jié)果表明常規(guī)PMVM及DPMEM一般性表達式推導(dǎo)的正確性，仿真結(jié)果還表明DPMEM在磁體用量、反電動勢、功率因數(shù)、效率、轉(zhuǎn)矩密度及單位磁體體積的轉(zhuǎn)矩方面優(yōu)于常規(guī)PMVM。與常規(guī)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(zhuǎn)矩密度、效率及單位磁體體積的轉(zhuǎn)矩分別提高了65%、5%及85%。

5）DPMEM的鐵損比常規(guī)PMVM的大，主要原因是雙永磁勵磁電機定、轉(zhuǎn)子鐵心上均有永磁體，其鐵心較常規(guī)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(zhuǎn)子雖然都有齒極結(jié)構(gòu)，但是交直軸電感很接近，凸極效應(yīng)很小，可以忽略不計。

7）在額定狀態(tài)下，常規(guī)PMVM不存在退磁風(fēng)險，而DPMEM存在局部退磁風(fēng)險。但經(jīng)評估發(fā)現(xiàn)，退磁最嚴重的定、轉(zhuǎn)子磁體，退磁區(qū)域占整個磁體區(qū)域的比例很小，因此DPMEM在額定狀態(tài)下的退磁風(fēng)險可以忽略不計。

以上研究成果發(fā)表在2021年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“兩種典型的場調(diào)制型永磁電機的對比分析”，作者為石玉君、程子活、蹇林旎。