1.2.3 电励磁双凸极电机的发展方向

1.电励磁双凸极电机的结构

1998年由南京航空航天大学研发了一种新型励磁源的双凸极电机，即电励磁双凸极电机（DSEM），并申请了国家发明专利[52,53]。在定子齿上施加一套绕励磁绕组装置，相比于用永磁体产生励磁磁场，DSEM能够较好地弥补励磁磁场恒定不可调节以及无法故障灭磁的问题。与DSPM相比，DSEM制造成本更低，在高温恶劣条件下高效运行能力更强，适用于航空航天、交通等领域。

目前，国外学者对DSPM的研究工作较多，主要集中在电机结构参数优化设计，磁链、电感特性分析，以及在各种功率变换器下的控制策略。国内的东南大学对DSPM进行了大量研究工作，主要研究内容包括电感特性分析、弱磁扩速能力、电机变结构设计等。南京航空航天大学对DSPM、DSEM及DSHEM这三种双凸极电机的结构原理与设计、等效磁路建模方法和控制规律等方面进行了深入研究，并取得了一定成果。

研究表明，DSEM具有下列特点：①不存在电刷和集电环；②转子上没有绕组，转子结构简单坚固，可高速运行；③发电运行时，不需要位置传感器和可控功率变换器，通过调节励磁电流即可实现输出电压的调节，断开励磁电路灭磁，可实现电机系统故障保护；④电动运行时，励磁转矩大于磁阻转矩，且与电枢电流成正比，在励磁绕组与电枢绕组间互感的上升区与下降区分别通以正负电流时，电机均产生正转矩，电机双边出力；⑤电动机可在四象限内运行。

2.电励磁双凸极发电机的整流方式

DSEM的气隙磁通可以通过调节励磁电流来实现控制，故发电运行时仅需要外接不可控二极管整流电路。现有的DSEM的发电方式对应的整流电路如图1.17所示，主要包括开关磁阻发电机（Switched Reluctance Generator, SRG）发电方式[54]、第一种双凸极发电机（Doubly Salient Generator 1, DSG1）发电方式、第二种双凸极发电机（Doubly Salient Generator 2, DSG2）发电方式、第三种双凸极发电机（Doubly Salient Generator 3, DSG3）发电方式四种发电方式。

其中SRG是电机相绕组与半波整流电路连接，整流二极管的阴极连接在一起，如图1.17a所示，电机转子滑出定子极时对应相绕组通过二极管向负载供电，产生增磁电枢反应，这种方式最为简单，励磁功率最小。DSG1发电方式中的二极管方向与SRG中的相反，整流二极管的阳极连接在一起，如图1.17b所示，这种连接方式仅在转子极滑入定子极时对应相电枢绕组输出电能，产生去磁电枢反应，该方式需要励磁电流较大，发电输出功率较低。DSG2发电方式中，相绕组与桥式整流电路相接，如图1.17c所示，转子极滑出和滑入定子极时相绕组均输出电能，同一时刻两相绕组串联输出电压。DSG3发电方式对应着串联和并联单相桥两种整流电路，如图1.17d所示，串联单相桥适用于高压输出场合，并联单相桥适用于大电流的输出。

3.电励磁双凸极发电机的容错技术

航空航天、新能源等领域的发展对电机的可靠性提出了更高的要求，余度是增强电机系统可靠性和安全性的重要方式，是指使用一套以上的设备来完成任务，最常用的是双余度电机系统，可以工作在冷备份和热备份两种形式，热备份的余度形式因能够提高电能装置的效率而最为常用。余度电机控制系统有两套相互独立的电机绕组和驱动器，它们互为备份，增加了系统的可靠性，实现了容错控制。双余度电机系统结构简单，控制容易，但存在着绕组的利用率低、所占空间较大、结构复杂、电流不均衡等问题。为解决双余度电机系统的种种缺陷，用一套设备增强电机系统的可靠性显得尤为重要。

图1.17 四种DSEM发电方式

电机系统的可靠性还可以通过本体设计和控制方法设计两方面来实现。通过本体设计使得当电机发生故障时，故障相能够被立刻隔离，即电机绕组发生开路或者短路故障时，故障相绕组不会对其他正常相绕组的运行产生影响，发生故障时电机输出功率降低较少，由此达到容错的目的。容错控制方法是指在电机发生开路或短路等故障时，通过改变控制策略使得电机性能降低较少，保持与正常运行时类似的输出特性，依然具有输出额定转矩的能力。DSEM发电运行时不可控，无法通过控制算法实现容错。DSEM各相绕组在并联外接单相桥整流方式下独立向负载输出电能，具有容错能力。参考文献[55]针对新型的五相DSEM的结构特点和工作原理，在二维磁场有限元非线性计算分析的基础上，对电机在外接单相桥整流发电方式下发生二极管短路故障时的容错特性进行了理论分析和仿真验证。分析表明，外接单相整流桥的五相DSEM在发生二极管短路故障时仍有一定的输出，不会由于短路相的影响发生系统崩溃，同时可通过增加励磁电流保证正常时的输出功率。参考文献[56]以一台四相DSEM样机为研究对象，对电机在相绕组端部发生短路故障和二极管发生短路故障时的负载特性进行了研究。参考文献[57]对三相DSEM工作在外接并联单相桥方式下发生单相开路故障的运行特性进行了研究，故障时输出压降小于10%。DSEM发电运行时不可控，无法通过控制算法实现容错。增加相数是实现电机容错的重要方式，参考文献[58]对一种用于直驱式风力发电机的五相容错DSEM进行了研究，该电机带有容错极，通过有限元仿真对开路故障及理想短路故障进行了分析研究。