永磁偏磁式磁阻电机偏磁电机之三.docx

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永磁偏磁式磁阻电机偏磁电机之三

永磁偏磁式磁阻电机（偏磁电机之三）

永磁偏磁式磁阻电机

——偏磁电机之三

朱正风（ZhengFengZHU）

偏磁式磁阻电机（简称偏磁电机），是磁阻电机的改进。

其原始结构是在磁阻电机基础上，仅仅通过改进绕组，把每相绕组一分为二，分别作为励磁型偏磁绕组和驱动绕组而成。

偏磁绕组通直流，驱动绕组用交流驱动。

在此基础上再把励磁绕组去除，把定子铁芯稍作改变，用永磁偏磁替代励磁，便是永磁型偏磁电机了。

磁路混合式磁阻电机和单凸极磁阻电机分别都是偏磁电机中的一种典型结构。

一、概述

前面谈到以傅里叶级数展开原理，提出偏磁电机理论后，在用星角连接法探讨两相电机驱动绕组星形接法时，遇到中点一旦浮空，实际上成为单相电机的问题，转而导出了对偶反接式偏磁电机原理。

为了简化对偶反接式磁阻电机每相磁极数太多的问题，又推导出了极偶反接式偏磁电机原理。

至此，似乎已基本完成传统磁阻电机升级换代之目的。

美中不足的是，偏磁绕组必须消耗一定能量。

上述三种偏磁式磁阻电机，正常工作状态下，偏磁与驱动磁势一直处在正反交替过程中变换，偏磁若由娇顽力不够大（如铁氧体）永磁体担任，被去磁的机会就很大，不解决这一问题，永磁式偏磁就不可能实现。

从偏磁电机基本原理可知，其驱动部分绕组等同于同步电机定子绕组。

于是多极距绕组就在分析、比较中产生了。

理论推理上证明，分布式绕组完全适用于偏磁电机。

既然偏磁绕组用集中式，驱动绕组可以用分布式；那么反过来，若驱动绕组用集中式，偏磁绕组用全极距式当然没有问题。

全极距绕组内已经包容了电机各相所有磁极。

从前面图5、图6、图7所示驱动电流波形上分析，偏磁电机在运行过程中，各相驱动电流之和为零。

也就是说，当驱动采用集中式绕组时，偏磁若选用全极距式绕组，穿过偏磁绕组的磁通之和为零。

若在各相间设置一磁阻很小的短路磁轭，基本上可旁路穿过偏磁绕组的交变磁通。

于是，全极距式偏磁绕组可用一永磁体来取而代之。

至此，永磁式偏磁电机的原理已推理成立。

虽然如此，在工艺上、设计方面还要满足下列要求：

1、要求永磁体有足够高的居里点和比较好的传热系数，以便将定子热量散发出去。

2、永磁材料的成型性能好，易于制作成型，或能注塑成型。

3、定子铁芯留出一定的磁分路，为交变磁通提供一条捷径，避免其穿过永磁材料。

二、单定子结构

采用永磁偏磁最容易想到的结构就是直接把磁钢粘贴在缩短了的定子极齿上，这对大步距角的磁阻电机（比如开关磁阻电机）是很合适的（这部分在后面其它偏章会专门论述），但对步进电机这类齿很小、很多的电机，做起来就不方便了。

另方面这种贴片方式需要使用高性能的烧结型钕铁硼磁钢，但最近稀土永磁价格很高，对电机成本影响很大。

能否用相对便宜的铁氧体磁钢呢？

为此先回忆上篇文章图16所示的极偶反接式改四相开关磁阻电机为两相电机的绕组联接，可以看出偏磁绕组形成的磁极同极性相连，一共可合并为两大磁极。

在每两个相同极性的偏磁绕组间的线槽里，两个相邻偏磁绕组铜线方向相反，产生的磁动势作用抵消，因此可以把几个相邻同极性的偏磁绕组合并。

以三相电机为例，上篇文章的附录中也给出了几种绕组的改进，介绍了如图16-1所示的合并多个偏磁绕组为一个大绕组的方法。

图16-1左边是绕组内部接线图，中间是定子6极、转子4极开关磁阻电机常见的铁芯图改进结构，右边是外部接线图。

图16-1中间的定子冲片图上看到左右两个线槽较大，可放置偏磁绕组和驱动绕组；中间几个小线槽只放置驱动绕组。

为使偏磁直流磁通顺利通过，外壳采用椭圆形。

按这个思路想下去，我们再回到常见的定子八极、转子六极的开关磁阻电机图16，以对偶反接法改四相开关磁阻电机接线为两相偏磁电机的磁极排列，也以四相电机，定转子间两齿差为例，提出一种实用的永磁偏磁电机方案，最后可画出图17所示的永磁步进电机的定子结构。

图17中，导磁外壳1可采用普通低碳钢、铸铁、铸钢等材料；永磁材料3可选用粘结型钕铁硼，直接注射到外壳与定子铁芯之间，也可以采用廉价的铁氧体磁环，大大降低了电机的制造成本。

图17结构是按粘接型钕铁硼注射工艺设计的，如果采用铁氧体磁环，中间两个隔磁部分就要改成不导磁材料制作的定位销或定位块。

虽然用的是铁氧体永磁，但图17电机把大面积磁环上的磁通聚集到面积小得多的磁极上，使极齿上能产生几倍的磁密度，局部磁密完全可能超过钕铁硼表面磁密。

这种磁极排列，可使驱动绕组产生的交变磁通，绝大部分都从铁芯的磁轭通过，穿过永磁体的成分最小，对铁氧体的去磁极会很小，因此没必要选太厚的磁环。

其它相数电机，也可采用类似结构。

图17的定子结构完全可以替代磁路混合式步进电机，性能指标类似，但工艺性比混合式电机好得多。

如果是生产过反应式步进电机的厂家，可直接利用原来的外壳和转子，只需改动定子铁芯就可以，改装后，铜线消耗量能降低到原来的一半。

图17是以步进电机为例的，如果去除小齿，也可制成转子6齿，定子8齿的开关磁阻电机型式。

图17-1画出按图16所示两相偏磁电机的对偶反接法接线的开关偏磁电机的定转子的结构图和绕组接线图。

在该图中，上、下定子间没有使用永磁填充料，改用安装定位功能更好的隔磁定位销。

该定位销应使用不导磁的材料（如不锈钢、铜、铝、塑胶等）。

为使导磁效果更好，图17-1的铁外壳制作成椭园形截面。

在图17的基础上，稍作改动，可变形为端面电机，内定子、外转子电机。

图17所示定子分为两段铁芯，每相两极结构，磁环内充两个大的永磁磁极，稍作改动定子可变为四段、六段、八段等结构，对应磁环就充成四极、六极、八极等。

此时若还是四相的话，定子就相应被划分为16槽、24槽、32槽结构。

其它相数电机也可参照类似结构。

使用永磁偏磁，能节约磁阻电机一倍以上铜线材料，减少下线空间，节省铁芯消耗量，缩小电机定子尺寸，缩小后的空间刚好可用来置入磁环。

因此用该方法改进反应式步进电机和开关磁阻电机可以不改变机座、端盖和转子、轴等。

铁氧体永磁材料价格便宜，使用永磁材料后能降低电机的铜损、铁损，提高效率，降低电机温升，大大提高偏磁电机的性价比。

与传统磁阻电机比，降低视在驱动功率一倍以上，简化驱动电路，驱动电路价格也同时降低。

与励磁式偏磁电机相比，没有偏磁绕组问题，大大简化外部接线，驱动电路的联接更加灵活。

作为配套，推荐一种典型的驱动主电路，如图18所示。

采用斩波式驱动电路，R为电流检测电阻，总电流达最大值Imax时，关断全部开关管，电机电流通过相应二极管，自动向电源反馈，待电流降到Imin时，按原导通相序继续导通……。

关于转子位置传感器，可以选用无刷直流电机的磁环加霍尔元件的传感器，也可选用开关磁阻电机的遮光盘加光电管的检测方式。

反电动势等无传感器无刷直流电机用的反馈检测方法也可应用在这里。

当然，如果不用传感器，直接使用变频器来驱动，替代异步电机构成偏磁电机变频调

圆柱面上，称为同面排列。

图19中，上、下定子相对排列，称为对面排列。

同面排列，在上、下定子之间要设置隔磁材料，对面排列就不必了。

从磁路上来说，对面排列时转子可选用比较薄一些，因此磁阻小，直流磁轭结构尺寸较大，也能减小磁阻，因而对面排列比同面排列总磁阻较小，铁芯损耗少。

对永磁式磁阻电机来说，定子最好采用对面排列方式。

四、双定子结构

作为一个扩展的例子，图20画出一杯形转子永磁步进电机的定子磁路结构示意图。

图20中，左边是结构示意图，右边是接线图，（类似图19中的）上定子作为外圈定子，下定子为内定子，每个定子12个磁极，相当于每相四极电机。

图20的内磁轭安装在导磁的端面上，利用外壳完成磁路联通。

这种利用外壳构成永磁通路的结构称为外磁路永磁偏磁式磁阻电机。

内外直流磁轭通过端面连在一起。

图20-1把图20中的内外两个磁环替换成端面磁盘，使安装工艺更加简化。

图17可以变形为直线电机、杯形电机、端面电机，同样原理，图20结构也可以变形为盘式转子电机，图20-2所示为双气隙盘式电机。

两定子对面排列形成的双气隙直线式、杯式、盘式电机，能更充分利用空间，缩小尺寸，减少材料消耗，提高效率，减轻转子惯量，提高反应速度，磁路分布更加合理，结构更加对称。

图20电机有两个定子，与混合式电机有两段定子比较相似。

如果偏磁电机也作成与混合式电机类似的结构，如图21所示。

图21所示偏磁电机与磁路混合式电机不同之处，在于：

1、定子绕组不同。

混合式电机的绕组是左右段磁极共用一个同向绕组，而图21偏磁电机左右段用“8”字形异向绕组。

2、齿槽走向不同。

混合式电机两段转子必须错开半个齿距，图21偏磁电机不错齿，跟普通磁阻电机一样。

3、磁路走向不同。

混合式电机两段定子对应磁极产生同样的径向磁场，偏磁电机两段定子对应极性异向磁极形成一对磁极。

混合式电机每个定子对称分布一对异向磁极，偏磁电机每段定子，对称设置俩同向磁极。

4、两定子间距离不同。

混合式电机可把两段定子轴向靠在一起，偏磁电机由于“8”字形绕组的下线问题，必须保持一定距离。

相比之下，图21结构不如混合式电机。

前面已证明，混合式电机也是偏磁电机的一种，是极偶反接式和对偶反接式的变形，仅是机械结构不同而已。

混合式电机也仅限于这种定、转子双柱面，气隙同轴、同形、前后排列的典型结构而已。

此时其绕组最简化，双定、转子可以靠在一起，空间利用率较高。

图20所示内、外定子，中间杯形转子以及轴向气隙，前、后定子，中间盘式转子电机等其它结构的双定、转子形式，混合式电机的上述绕组和空间优越性便不再存在。

而图19、图20所示磁极排列，使磁通上、下，里、外贯穿，转子双面极齿同位排列时，能使磁路最短，转子受力最均匀，因此可允许转子制作的比较薄、轻，转动贯量小，变形少，结构更合理。

五、叉指形组合定子结构

从图17定子磁极同面排列到图19、图20、图21的定子磁极对面排列，看起来结构都不是太理想。

图17存在不对称问题，图19太分散，图20太复杂，图21转动贯量太大，轴向长度也太长，工艺性又不够好。

仔细分析磁阻电机的特点，与普通电机最大的不同就在于平均磁导

大，随转子角位移产生的有效磁导变化量

相对较小。

列出式子：

考虑到偏磁式电机驱动磁通仅占总磁通的一小半，为了充分利用铁芯材料，采用叉指型磁极结构。

图22示出一种新的组合定子结构。

铁芯材料仍然是硅钢片叠成。

若采用烧结型高频磁芯，工艺性能好，结构更合理。

可惜，现有高频磁性材料，导磁系数都偏小。

永磁体为各向异性粘结型钕铁硼，注塑于两定子间，形成定子组件。

当然为降低成本，也可用空心磁盘加上几块弧形磁瓦组合来替代。

转子采用硅钢片叠片铁芯粘结在薄壁钢杯之内，有较好的机械强度，比一般内转子结构轻巧，反应速度快。

定转子齿数为两齿差均布结构。

选择不同的定、转子齿数，可适应各种不同转速场合。

图22所示定子结构简单，磁路巧妙，充分利用材料，单位体积功率大，效率高，铜线耗用量少，永磁体空间大，适合价廉的铁氧体永磁，可制作各种大小规格电机。

这种结构还有个好处就是可以使用前面介绍的类似于分布式绕组的全极距绕组，可以更大幅度地减少铜线的消耗量。

如果将上述结构里外翻转一下，如图23所示，就成为内转子式电机了。

内转子结构适合较大尺寸的大功率电机，此时转子有前后轴承支撑，机械强度好。

制作时叉指磁极的粘结是工艺难点，可采用扣叠方式先初步固定，后装入模具注塑或安装永磁体，最后浸漆，让漆自动透入缝隙粘牢。

图22结构与前面几种有很大的不同，是偏磁磁极采用交叉（即N、S极依次相错）排列。

混合式电机与前面图17、19、20、21的结构，都是统一大磁极排列，相邻两驱动相的偏磁极性一样，只能采用集中式驱动绕组。

图22结构可以使用半分布式绕组（线圈下在圆线槽内）还可以采用全分布式（取消圆线槽，加大加深外圈的方齿槽，线圈直接下到方齿槽）绕组。

分布式与集中绕组相比，一方面可改善磁场分布，降低谐波影响，另一方面可减少线圈匝数一半（双极性驱动时），即节约铜线又降低槽满率，简化工艺。

关于分布式绕组的论述，请看“偏磁式磁阻电机多相分布式绕组的研究”一文。

电机制造方面，绕组的下线一直是一个工艺难题。

现在微小型电机，一般采用数控绕线机，直接在定子上绕线，省工省事，接头处理也简单。

图22内定子型结构，绕线空间大，绕制单极距线圈或多极距线圈都很容易。

图23外定子型结构，内部空间小，稍大些的绕线机头就进不去，只有电机尺寸较大时这种工艺才有可能。

当然如果用全极距绕组，用下线的工艺就简单了，这时图23较小尺寸也可以。

图22内定子结构，还有一个妙处，在于可以使用芯轴贯穿式结构，也就是定、转子都安装在一根芯轴上。

定子与芯轴静配合，转子用轴承支承在芯轴上。

芯轴安装定子一端，紧固在机座上，外转子本身可充当电机外壳，端部直接可带动执行机构工作，这样就简化了传统电机结构。

图22-2是芯轴贯穿式微电机结构。

图中支座8要用不导磁材料。

适当修改外部连接方式，如皮带轮改为齿轮或转子外端面直接联接负载，配合适当驱动电路，用单片计算机控制，图22-2结构可用于录音机、录像机、VCD机、DVD机、电脑硬盘驱动器、软盘驱动器、打印机、绘图机、洗衣机、空调、冰箱、电风扇、数控机床的主轴驱动及伺服控制等各种场合。

这种结构既可以作步进电机，又能作动力驱动；既能开环作同步运行，又能闭环作自控运行；既能低速慢行，（选用每磁极一齿结构时）也能高速运转。

当开关频率为数千Hz时，最高转速每分钟可达几万转以上。

对于功率稍大一些的微电机，图22-2也可改用端盘支座，定子通过套筒紧固，转轴穿过端盘，前伸引出的结构。

为安全起见，还可在杯形转子外加一薄壳保护套，固定在端盘上。

轴承安装位可分布在定子两端，一个在端盘内；另一在套筒外压配一轴承盒，正好利用端部绕组突出部剩下的空间。

内定子最大的缺点是定子散热不良，大功率电机只好改用图23外定子结构了。

一般永磁电机如直流电机、同步电机等，都是将永磁体直接装在气隙界面上，气隙磁密取决于永磁材料。

偏磁式磁阻电机由于永磁体在定子中，不是在气隙上，与矽钢铁芯，能各自发挥所长。

永磁体磁通密度低，定子中有较大容积空间能容纳足够多永磁材料；矽钢材料导磁性能好，磁通密度高，气隙磁密很容易超过2T（永磁同步电机和无刷直流电机的钕铁硼一般也只能达到1T）。

因此这种使用铁氧体的永磁式偏磁电机，单位体积转矩跟永磁式同步电机都不会差太多。

由于外露磁极都是矽钢材料组成，充磁极头不须设计复杂的造型就可以保证质量。

各相磁场强度分布均匀，有利于进一步减低脉振、噪音，提高效率。

六、细化磁极

传统磁阻电机一般采用集中式绕组，为了减少绕组数，一般采用每相二磁极结构。

二极电机磁路长，磁极尺寸大，绕组匝数多，线圈电感大。

如果把磁极数增加一倍，比如二相四极改为二相八极。

由于磁路缩短一倍，同时，磁极尺寸又减小一倍，在同样铁芯气隙尺寸下，每个磁极绕组匝数可减小为原来的1/2，抵消绕组数增加一倍等其它因数后，每相电感可降到原来的1/2。

根据以上原理，一种方法是在图22和图23的基础上，直接增加叉指数，从而增加磁极数，达到细化磁极目的。

这种方法的缺点是叉指数增加并细化后，带来组装上的工艺困难。

每个组装磁极尺寸减小后，叉指磁极定位误差增加，组装后的定子齿间相对位置精度下降。

另外一种细化磁极的方法是把图17单定子结构与图22叉指形结构混合起来，可画出图24混合定子结构。

这样一来就把图17所示的“同面排列”与所谓“对面排列”混合起来了。

图24结构可设计配合两相八极，四相四极，二相四极等各种绕组。

不同的绕组设计，作不同用途时，相应定、转子齿要另作设计。

图24定子结构，同样可改成外定子结构。

图24也可简化为每极一齿，成为典型开关磁阻电机结构，图24-1就是这种结构的示意。

图24-1

虽然这里仅画出四极十六槽结构，根据需要，也可设计成六极二十四槽，四极三十二槽。

二极十八槽等各种结构。

还可根据需要设计成内转子，端面转子，盘形转子等各种型式。

图24结构看起来更加接近于普通永磁式同步电机的结构。

但永磁式电机的永磁体在转子上，而偏磁电机的永磁体在定子上。

因此偏磁电机的转子简单，动平衡容易，适合更高转速，电机功率密度高，成本低。

同时，这种结构也是无刷直流电机的一种结构形式。

微型电机关键问题是要简单、便宜、工艺性好，上述叉指式矽钢片结构的工艺都还太复杂。

一种方法是把矽钢铸锭经热处理后，直接粉碎，然后拌入少量热塑性塑料作粘结剂，热压成一对多极叉指，中间安装永磁体，组成定子。

这有待电机工艺的进一步发展。

至此，经典的偏磁电机原理已经全部讲完了。

经典偏磁电机的主要思路，还是没有离开传统磁阻电机基本磁路结构，只是在其基础上作一些改进，电机凸极转子根本就没变，定子还是凸极的，只是从驱动方式出发，把直流脉冲分接为直流和交流两部分，直流用励磁或永磁，驱动从直流脉冲就改为幅值小一倍左右的交流。

偏磁电机原理对精通磁阻电机的人是不难理解的，如果对磁阻电机原理不太清楚的，读起来会很吃力。

后面的章节就将谈谈对磁阻电机定子、转子齿槽结构方面的一些较大改动。

比如磁阻电机是否一定是双凸极的？

单凸极可行吗？

齿槽要如何改进能减少点漏磁？