永磁偏磁式磁阻電機(偏磁電機之三)

1、永磁偏磁式磁阻電機(偏磁電機之三) 永磁偏磁式磁阻電機 偏磁電機之三 朱正風(fēng) （Zheng Feng ZHU） 偏磁式磁阻電機(簡稱偏磁電機)，是磁阻電機的改進。其原始結(jié)構(gòu)是在磁阻電機基礎(chǔ)上，僅僅通過改進繞組，把每相繞組一分為二，分別作為勵磁型偏磁繞組和驅(qū)動繞組而成。偏磁繞組通直流，驅(qū)動繞組用交流驅(qū)動。在此基礎(chǔ)上再把勵磁繞組去除，把定子鐵芯稍作改變，用永磁偏磁替代勵磁，便是永磁型偏磁電機了。磁路混合式磁阻電機和單凸極磁阻電機分別都是偏磁電機中的一種典型結(jié)構(gòu)。 一、概述 前面談到以傅里葉級數(shù)展開原理，提出偏磁電機理論后，在用星角連接法探討兩相電機驅(qū)動繞組星形接法時，遇到中點一旦浮空，實際上成為單

2、相電機的問題，轉(zhuǎn)而導(dǎo)出了對偶反接式偏磁電機原理。為了簡化對偶反接式磁阻電機每相磁極數(shù)太多的問題，又推導(dǎo)出了極偶反接式偏磁電機原理。至此，似乎已基本完成傳統(tǒng)磁阻電機升級換代之目的。 美中不足的是，偏磁繞組必須消耗一定能量。上述三種偏磁式磁阻電機，正常工作狀態(tài)下，偏磁與驅(qū)動磁勢一直處在正反交替過程中變換，偏磁若由嬌頑力不夠大（如鐵氧體）永磁體擔(dān)任，被去磁的機會就很大，不解決這一問題，永磁式偏磁就不可能實現(xiàn)。 從偏磁電機基本原理可知，其驅(qū)動部分繞組等同于同步電機定子繞組。于是多極距繞組就在分析、比較中產(chǎn)生了。理論推理上證明，分布式繞組完全適用于偏磁電機。既然偏磁繞組用集中式，驅(qū)動繞組可以用分布式；那

3、么反過來，若驅(qū)動繞組用集中式，偏磁繞組用全極距式當(dāng)然沒有問題。全極距繞組內(nèi)已經(jīng)包容了電機各相所有磁極。 從前面圖5、圖6、圖7所示驅(qū)動電流波形上分析，偏磁電機在運行過程中，各相驅(qū)動電流之和為零。也就是說，當(dāng)驅(qū)動采用集中式繞組時，偏磁若選用全極距式繞組，穿過偏磁繞組的磁通之和為零。若在各相間設(shè)置一磁阻很小的短路磁軛，基本上可旁路穿過偏磁繞組的交變磁通。 于是，全極距式偏磁繞組可用一永磁體來取而代之。至此，永磁式偏磁電機的原理已推理成立。雖然如此，在工藝上、設(shè)計方面還要滿足下列要求： 1、要求永磁體有足夠高的居里點和比較好的傳熱系數(shù)，以便將定子熱量散發(fā)出去。 2、永磁材料的成型性能好，易于制作成型

4、，或能注塑成型。 3、定子鐵芯留出一定的磁分路，為交變磁通提供一條捷徑，避免其穿過永磁材料。 二、單定子結(jié)構(gòu) 采用永磁偏磁最容易想到的結(jié)構(gòu)就是直接把磁鋼粘貼在縮短了的定子極齒上，這對大步距角的磁阻電機（比如開關(guān)磁阻電機）是很合適的（這部分在后面其它偏章會專門論述），但對步進電機這類齒很小、很多的電機，做起來就不方便了。另方面這種貼片 - 1 - 方式需要使用高性能的燒結(jié)型釹鐵硼磁鋼，但最近稀土永磁價格很高，對電機成本影響很大。能否用相對便宜的鐵氧體磁鋼呢？ 為此先回憶上篇文章圖16所示的極偶反接式改四相開關(guān)磁阻電機為兩相電機的繞組聯(lián)接，可以看出偏磁繞組形成的磁極同極性相連，一共可合并為兩大磁極

5、。在每兩個相同極性的偏磁繞組間的線槽里，兩個相鄰偏磁繞組銅線方向相反，產(chǎn)生的磁動勢作用抵消，因此可以把幾個相鄰?fù)瑯O性的偏磁繞組合并。以三相電機為例，上篇文章的附錄中也給出了幾種繞組的改進，介紹了如圖16-1所示的合并多個偏磁繞組為一個大繞組的方法。圖16-1左邊是繞組內(nèi)部接線圖，中間是定子6極、轉(zhuǎn)子4極開關(guān)磁阻電機常見的鐵芯圖改進結(jié)構(gòu)，右邊是外部接線圖。 圖16-1中間的定子沖片圖上看到左右兩個線槽較大，可放置偏磁繞組和驅(qū)動繞組；中間幾個小線槽只放置驅(qū)動繞組。為使偏磁直流磁通順利通過，外殼采用橢圓形。按這個思路想下去，我們再回到常見的定子八極、轉(zhuǎn)子六極的開關(guān)磁阻電機圖16，以對偶反接法改四相開

6、關(guān)磁阻電機接線為兩相偏磁電機的磁極排列，也以四相電機，定轉(zhuǎn)子間兩齒差為例，提出一種實用的永磁偏磁電機方案，最后可畫出圖17所示的永磁步進電機的定子結(jié)構(gòu)。 圖17中，導(dǎo)磁外殼1可采用普通低碳鋼、鑄鐵、鑄鋼等材料；永磁材料3可選用粘 - 2 - 結(jié)型釹鐵硼，直接注射到外殼與定子鐵芯之間，也可以采用廉價的鐵氧體磁環(huán)，大大降低了電機的制造成本。圖17結(jié)構(gòu)是按粘接型釹鐵硼注射工藝設(shè)計的，如果采用鐵氧體磁環(huán)，中間兩個隔磁部分就要改成不導(dǎo)磁材料制作的定位銷或定位塊。雖然用的是鐵氧體永磁，但圖17電機把大面積磁環(huán)上的磁通聚集到面積小得多的磁極上，使極齒上能產(chǎn)生幾倍的磁密度，局部磁密完全可能超過釹鐵硼表面磁密。

7、這種磁極排列，可使驅(qū)動繞組產(chǎn)生的交變磁通，絕大部分都從鐵芯的磁軛通過，穿過永磁體的成分最小，對鐵氧體的去磁極會很小，因此沒必要選太厚的磁環(huán)。其它相數(shù)電機，也可采用類似結(jié)構(gòu)。圖17的定子結(jié)構(gòu)完全可以替代磁路混合式步進電機，性能指標(biāo)類似，但工藝性比混合式電機好得多。如果是生產(chǎn)過反應(yīng)式步進電機的廠家，可直接利用原來的外殼和轉(zhuǎn)子，只需改動定子鐵芯就可以，改裝后，銅線消耗量能降低到原來的一半。 圖17是以步進電機為例的，如果去除小齒，也可制成轉(zhuǎn)子6齒，定子8齒的開關(guān)磁阻電機型式。圖17-1畫出按圖16所示兩相偏磁電機的對偶反接法接線的開關(guān)偏磁電機的定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖和繞組接線圖。在該圖中，上、下定子間沒有使

8、用永磁填充料，改用安裝定位功能更好的隔磁定位銷。該定位銷應(yīng)使用不導(dǎo)磁的材料（如不銹鋼、銅、鋁、塑膠等）。為使導(dǎo)磁效果更好，圖17-1的鐵外殼制作成橢園形截面。 在圖17的基礎(chǔ)上，稍作改動，可變形為端面電機，內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子電機。圖17所示定子分為兩段鐵芯，每相兩極結(jié)構(gòu)，磁環(huán)內(nèi)充兩個大的永磁磁極，稍作改動定子可變?yōu)樗亩?、六段、八段等結(jié)構(gòu)，對應(yīng)磁環(huán)就充成四極、六極、八極等。此時若還是四相的話，定子就相應(yīng)被劃分為16槽、24槽、32槽結(jié)構(gòu)。其它相數(shù)電機也可參照類似結(jié)構(gòu)。 使用永磁偏磁，能節(jié)約磁阻電機一倍以上銅線材料，減少下線空間，節(jié)省鐵芯消耗量，縮小電機定子尺寸，縮小后的空間剛好可用來置入磁環(huán)。因此用

9、該方法改進反應(yīng)式步進電機和開關(guān)磁阻電機可以不改變機座、端蓋和轉(zhuǎn)子、軸等。鐵氧體永磁材料價格便宜，使用永磁材料后能降低電機的銅損、鐵損，提高效率，降低電機溫升，大大提高偏磁電機的性價比。與傳統(tǒng)磁阻電機比，降低視在驅(qū)動功率一倍以上，簡化驅(qū)動電路，驅(qū)動電路價格也同時降低。 與勵磁式偏磁電機相比，沒有偏磁繞組問題，大大簡化外部接線，驅(qū)動電路的聯(lián)接更加靈活。 作為配套，推薦一種典型的驅(qū)動主電路，如圖18所示。采用斬波式驅(qū)動電路，R為電流檢測電阻，總電流達最大值I max 時，關(guān)斷全部開關(guān)管，電機電流通過相應(yīng)二極管，自動向電源反饋，待電流降到I min 時，按原導(dǎo)通相序繼續(xù)導(dǎo)通?。關(guān)于轉(zhuǎn)子位置傳感器，可以

10、選用無刷直流電機的磁環(huán)加霍爾元件的傳感器，也可選用開關(guān)磁阻電機的遮光盤加光電管的檢測方式。反電動勢等無傳感器無刷直流電機用的反饋檢測方法也可應(yīng)用 - 3 - 在這里。當(dāng)然，如果不用傳感器，直接使用變頻器來驅(qū)動，替代異步電機構(gòu)成偏磁電機變頻調(diào)速電機，其性價比要比異步電機高很多。 圖18由于中點浮空，通過永磁體的磁通變化很少，交變磁通都通過定子磁軛旁路過 去了。與混合式電機相同，二者都采用雙極性驅(qū)動，驅(qū)動電路相同?；旌鲜诫姍C是雙定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子疊片工藝較復(fù)雜。 在偏磁電機里，總磁通是永磁體產(chǎn)生的，驅(qū)動繞組僅起到偏移、分配永磁磁通的作用，使磁通離開特定磁極，流向指定的磁極。這樣理解就不會覺得驅(qū)動與

11、偏磁磁通一會兒抵銷，一會兒疊加，似乎浪費能量。用磁通偏移的概念，就很容易解釋偏磁電機比傳統(tǒng)磁阻電機效率高，消耗能量少的道理，因為磁通是永磁體產(chǎn)生的。 三、對面排列的直線電機、盤式電機 在圖17結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，很容易展開成圖19所示的直線電機、端面電機、盤式電機，以及外轉(zhuǎn)子形式電機。由于磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，可制成大型尺寸，采用局部定子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用起來特別方便。 比較圖17與圖19兩種磁極分布，雖然都是采用對繞式繞組，但排列卻不相同，為 - 4 - 了描述方便我們把圖19直線電機定子分為上、下兩個部分。圖17中，上、下定子都在同一圓柱面上，稱為同面排列。圖19中，上、下定子相對排列，稱為對面排列。同

12、面排列，在上、下定子之間要設(shè)置隔磁材料，對面排列就不必了。從磁路上來說，對面排列時轉(zhuǎn)子可選用比較薄一些，因此磁阻小，直流磁軛結(jié)構(gòu)尺寸較大，也能減小磁阻，因而對面排列比同面排列總磁阻較小，鐵芯損耗少。對永磁式磁阻電機來說，定子最好采用對面排列方式。 四、雙定子結(jié)構(gòu) 作為一個擴展的例子，圖20畫出一杯形轉(zhuǎn)子永磁步進電機的定子磁路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖20中，左邊是結(jié)構(gòu)示意圖，右邊是接線圖，（類似圖19中的）上定子作為外圈定子，下定子為內(nèi)定子，每個定子12個磁極，相當(dāng)于每相四極電機。圖20的內(nèi)磁軛安裝在導(dǎo)磁的端面上，利用外殼完成磁路聯(lián)通。這種利用外殼構(gòu)成永磁通路的結(jié)構(gòu)稱為外磁路永磁偏磁式磁阻電機。內(nèi)外直流

13、磁軛通過端面連在一起。圖20-1把圖20中的內(nèi)外兩個磁環(huán)替換成端面磁盤，使安裝工藝更加簡化。 - 5 - 圖17 可以變形為直線電機、杯形電機、端面電機，同樣原理，圖20結(jié)構(gòu)也可以變形為盤式轉(zhuǎn)子電機，圖20-2所示為雙氣隙盤式電機。 兩定子對面排列形成的雙氣隙直線式、杯式、盤式電機，能更充分利用空間，縮小尺寸，減少材料消耗，提高效率，減輕轉(zhuǎn)子慣量，提高反應(yīng)速度，磁路分布更加合理，結(jié)構(gòu)更加對稱。 圖20 電機有兩個定子，與混合式電機有兩段定子比較相似。如果偏磁電機也作成與混合式電機類似的結(jié)構(gòu)，如圖21 所示。 圖21 所示偏磁電機與磁路混合式電機不同之處，在于： 1、定子繞組不同?；旌鲜诫姍C的繞

14、組是左右段磁極共用一個同向繞組，而圖21偏磁電機左右段用“8”字形異向繞組。 2、齒槽走向不同?；旌鲜诫姍C兩段轉(zhuǎn)子必須錯開半個齒距，圖21偏磁電機不錯齒，跟普通磁阻電機一樣。 3、磁路走向不同?；旌鲜诫姍C兩段定子對應(yīng)磁極產(chǎn)生同樣的徑向磁場，偏磁電機兩段定子對應(yīng)極性異向磁極形成一對磁極?；旌鲜诫姍C每個定子對稱分布一對異向磁極，偏磁電機每段定子，對稱設(shè)置倆同向磁極。 4、兩定子間距離不同?；旌鲜诫姍C可把兩段定子軸向靠在一起，偏磁電機由于“8”字形繞組的下線問題，必須保持一定距離。 相比之下，圖21結(jié)構(gòu)不如混合式電機。前面已證明，混合式電機也是偏磁電機的一種，是極偶反接式和對偶反接式的變形，僅是機械

15、結(jié)構(gòu)不同而已?；旌鲜诫姍C也僅限于這種定、轉(zhuǎn)子雙柱面，氣隙同軸、同形、前后排列的典型結(jié)構(gòu)而已。此時其繞組最簡化，雙定、轉(zhuǎn)子可以靠在一起，空間利用率較高。 圖20所示內(nèi)、外定子，中間杯形轉(zhuǎn)子以及軸向氣隙，前、后定子，中間盤式轉(zhuǎn)子電機等其它結(jié)構(gòu)的雙定、轉(zhuǎn)子形式，混合式電機的上述繞組和空間優(yōu)越性便不再存在。而圖 19、圖20所示磁極排列，使磁通上、下，里、外貫穿，轉(zhuǎn)子雙面極齒同位排列時，能使磁路最短，轉(zhuǎn)子受力最均勻，因此可允許轉(zhuǎn)子制作的比較薄、輕，轉(zhuǎn)動貫量小，變形少，結(jié) - 6 - 構(gòu)更合理。 五、叉指形組合定子結(jié)構(gòu) 從圖17 定子磁極同面排列到圖19、圖20、圖21的定子磁極對面排列，看起來結(jié)構(gòu)都不

16、是太理想。圖17存在不對稱問題，圖19太分散，圖20太復(fù)雜，圖21轉(zhuǎn)動貫量太大，軸向長度也太長，工藝性又不夠好。 仔細(xì)分析磁阻電機的特點，與普通電機最大的不同就在于平均磁導(dǎo) 大，隨轉(zhuǎn)子角位移產(chǎn)生的有效磁導(dǎo)變化量相對較小。列出式子： 考慮到偏磁式電機驅(qū)動磁通僅占總磁通的一小半，為了充分利用鐵芯材料，采用叉指型磁極結(jié)構(gòu)。圖22 示出一種新的組合定子結(jié)構(gòu)。鐵芯材料仍然是硅鋼片疊成。若采用燒結(jié)型高頻磁芯，工藝性能好，結(jié)構(gòu)更合理?？上?，現(xiàn)有高頻磁性材料，導(dǎo)磁系數(shù)都偏小。永磁體為各向異性粘結(jié)型釹鐵硼，注塑于兩定子間，形成定子組件。當(dāng)然為降低成本，也可用空心磁盤加上幾塊弧形磁瓦組合來替代。轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊片

17、鐵芯粘結(jié)在薄壁鋼杯之內(nèi)，有較好的機械強度，比一般內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)輕巧，反應(yīng)速度快。定轉(zhuǎn)子齒數(shù)為兩齒差均布結(jié)構(gòu)。選擇不同的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)，可適應(yīng)各種不同轉(zhuǎn)速場合。 圖22所示定子結(jié)構(gòu)簡單， 磁路巧妙， 充分利用材料， 單位體積功率大， 效率高，銅線耗用量少，永磁體空間大，適合價廉的鐵氧體永磁，可制作各種大小規(guī)格電機。這種結(jié)構(gòu)還有個好處就是可以使用前面介紹的類似于分布式繞組的全極距繞組，可以更大幅度地減少銅線的消耗量。 如果將上述結(jié)構(gòu)里外翻轉(zhuǎn)一下， 如圖23所示，就成為內(nèi)轉(zhuǎn)子式電機了。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)適合較大尺寸的大功率電機，此時轉(zhuǎn)子有前后軸承支撐，機械強度好。 - 7 - 制作時叉指磁極的粘結(jié)是工藝難點，可采

18、用扣疊方式先初步固定，后裝入模具注塑或安裝永磁體， 最后浸漆，讓漆自動透入縫隙粘牢。 圖22結(jié)構(gòu)與前面幾種有很大的不同，是偏磁磁極采用交叉(即N、S極依次相錯)排列?；旌鲜诫姍C與前面圖17、19、20、21的結(jié)構(gòu)，都是統(tǒng)一大磁極排列，相鄰兩驅(qū)動相的偏磁極性一樣，只能采用集中式驅(qū)動繞組。圖22結(jié)構(gòu)可以使用半分布式繞組(線圈下在圓線槽內(nèi))還可以采用全分布式(取消圓線槽，加大加深外圈的方齒槽，線圈直接下到方齒槽)繞組。分布式與集中繞組相比，一方面可改善磁場分布，降低諧波影響，另一方面可減少線圈匝數(shù)一半(雙極性驅(qū)動時)，即節(jié)約銅線又降低槽滿率，簡化工藝。關(guān)于分布式繞組的論述，請看“偏磁式磁阻電機多相分

19、布式繞組的研究”一文。 電機制造方面，繞組的下線一直是一個工藝難題?，F(xiàn)在微小型電機，一般采用數(shù)控繞線機，直接在定子上繞線，省工省事，接頭處理也簡單。圖22內(nèi)定子型結(jié)構(gòu)，繞線空間大，繞制單極距線圈或多極距線圈都很容易。圖23外定子型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間小，稍大些的繞線機頭就進不去，只有電機尺寸較大時這種工藝才有可能。當(dāng)然如果用全極距繞組，用下線的工藝就簡單了，這時圖23較小尺寸也可以。 圖22內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，還有一個妙處，在于可以使用芯軸貫穿式結(jié)構(gòu)，也就是定、轉(zhuǎn)子都安裝在一根芯軸上。定子與芯軸靜配合，轉(zhuǎn)子用軸承支承在芯軸上。芯軸安裝定子一端，緊固在機座上，外轉(zhuǎn)子本身可充當(dāng)電機外殼，端部直接可帶動執(zhí)行機構(gòu)工

20、作，這樣就簡化了傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)。 - 8 - 圖22-2是芯軸貫穿式微電機結(jié)構(gòu)。圖中支座8要用不導(dǎo)磁材料。適當(dāng)修改外部連接方式，如皮帶輪改為齒輪或轉(zhuǎn)子外端面直接聯(lián)接負(fù)載，配合適當(dāng)驅(qū)動電路，用單片計算機控制，圖22-2結(jié)構(gòu)可用于錄音機、錄像機、VCD機、DVD機、電腦硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、打印機、繪圖機、洗衣機、空調(diào)、 冰箱、電風(fēng)扇、數(shù)控機床的主軸驅(qū)動及伺服控制等各種場合。這種結(jié)構(gòu)既可以作步進電機，又能作動力驅(qū)動；既能開環(huán)作同步運行，又能閉環(huán)作自控運行；既能低速慢行， (選用每磁極一齒結(jié)構(gòu)時) 也能高速運轉(zhuǎn)。當(dāng)開關(guān)頻率為數(shù)千Hz時，最高轉(zhuǎn)速每分鐘可達幾萬轉(zhuǎn)以上。 對于功率稍大一些的微電機，圖22

21、-2也可改用端盤支座，定子通過套筒緊固，轉(zhuǎn)軸穿過端盤，前伸引出的結(jié)構(gòu)。為安全起見，還可在杯形轉(zhuǎn)子外加一薄殼保護套，固定在端盤上。軸承安裝位可分布在定子兩端，一個在端盤內(nèi)；另一在套筒外壓配一軸承盒，正好利用端部繞組突出部剩下的空間。 內(nèi)定子最大的缺點是定子散熱不良，大功率電機只好改用圖23外定子結(jié)構(gòu)了。 一般永磁電機如直流電機、同步電機等，都是將永磁體直接裝在氣隙界面上，氣隙磁密取決于永磁材料。偏磁式磁阻電機由于永磁體在定子中，不是在氣隙上，與矽鋼鐵芯，能各自發(fā)揮所長。永磁體磁通密度低，定子中有較大容積空間能容納足夠多永磁材料；矽鋼材料導(dǎo)磁性能好，磁通密度高，氣隙磁密很容易超過2T(永磁同步電機

22、和無刷直流電機的釹鐵硼一般也只能達到1T)。因此這種使用鐵氧體的永磁式偏磁電機，單位體積轉(zhuǎn)矩跟永磁式同步電機都不會差太多。由于外露磁極都是矽鋼材料組成，充磁極頭不須設(shè)計復(fù)雜的造型就可以保證質(zhì)量。各相磁場強度分布均勻，有利于進一步減低脈振、噪音，提高效率。 六、細(xì)化磁極 傳統(tǒng)磁阻電機一般采用集中式繞組，為了減少繞組數(shù)，一般采用每相二磁極結(jié)構(gòu)。二極電機磁路長，磁極尺寸大，繞組匝數(shù)多，線圈電感大。 如果把磁極數(shù)增加一倍，比如二相四極改為二相八極。由于磁路縮短一倍，同時，磁極尺寸又減小一倍，在同樣鐵芯氣隙尺寸下，每個磁極繞組匝數(shù)可減小為原來的1/2，抵消繞組數(shù)增加一倍等其它因數(shù)后，每相電感可降到原來的1/2。 - 9 - 根據(jù)以上原理，一種方法是在圖22和圖23的基礎(chǔ)上，直接增加叉指數(shù)，從而增加磁極數(shù)，達到細(xì)化磁極目的。這種方法的缺點是叉指數(shù)增加并細(xì)化后，帶來組裝上的工藝?yán)щy。每個組裝磁極尺寸減小后，叉指磁極定位誤差增加，組裝后的定子齒間相對位置精度下降。另外一種細(xì)化磁極的方法是把圖17單定子結(jié)構(gòu)與圖22叉指形結(jié)構(gòu)混合起來，可畫出圖24混合