1.3 新结构线圈辅助励磁双凸极电机

1.3.1 线圈辅助励磁双凸极电机研究目的及意义

随着电机行业和永磁材料的应用和发展，体积小、寿命长并且效率高的永磁无刷直流电机（PM-BLDCM）在调速领域有非常明显的优势，且控制方式灵活。随着永磁材料和传感器技术的不断创新和发展，以及在本体和控制上的技术也在不断进步，PM-BLDCM随之也成为各方研究学者的热点研究对象，并且在家用电器、电动汽车、船舶、机车牵引和数控机床等场合获得了广泛的应用，这些场合都要求电机有高控制精度和高可靠性。21世纪以来，通过减少转子损耗和温升、抑制转矩脉动、无传感器转子位置检测等来提高电机控制精度并扩大应用范围成为研究PM-BLDCM的专家学者新的研究方向。但永磁体的加入不仅增加了电机的成本，而且高温或者大的反向磁动势都可能使永磁体退磁，电机的恒功率范围和调速范围还被其产生的不可控的永磁磁通所限制，另外，永磁体与转子轭之间的装配强度也会影响电机的高速性能，永磁体这些固有的缺陷限制了PM-BLDCM或者其他带有永磁体的电机在许多领域中的应用。

由于双凸极电机定子上采用集中绕组，转子上没有绕组和永磁体，以及双凸极结构和步进式旋转，导致电机的磁链和电枢绕组的电感呈强非线性，不仅加大了电机控制系统的难度，还导致了转矩波动大，运行不稳定。这又引起了电机的振动以及噪声等问题，阻碍了电机的发展，限制了电机的应用领域。目前，国内外学者针对双凸极电机抑制转矩脉动的方法主要分为两个方向：

1）优化电机本体设计参数，改变电机结构。双凸极电机由于它的特殊结构和强非线性导致较大的转矩脉动，因此电机结构优化有利于削弱转矩脉动。例如，优化设计定子结构，用两段式的非均匀气隙代替传统的均匀气隙，又或者是将转子齿改成T形带极靴结构，通过减小径向力波积分面积减小电机的转矩脉动。

2）在电机结构已经确定的情况下，采用合理的控制方法和智能算法抑制电机转矩脉动。当电机的基本参数确定后，可以通过合理的电机控制方法来有效抑制电机的转矩脉动，常用的抑制电机转矩脉动的控制方法有两种，分别是转矩分配函数控制和直接转矩控制。转矩分配函数控制适用于低速电机，该方法根据转矩分配函数将期望总转矩分成三相期望转矩，转矩分配函数的作用是优化各相电流和磁链，使合成后的三相总转矩保持稳定，达到抑制转矩脉动的效果。

在永磁电机和SRM的研究基础上提出了一种新型无刷直流电机，即线圈辅助励磁双凸极电机（Doubly Salient Coil-Assisted Excitation Motor, DSCEM），通过引用辅助线圈的方式替代永磁体，从而避免出现永磁体退磁的现象。相比于SRM，DSCEM引入的辅助线圈，能一定程度上扩展电机的调速范围和恒功率范围。避免了电刷对使用环境的限制，具有机械结构单一、成本低以及不易受外界影响的优点，可应用于众多行业。用励磁线圈产生的辅助磁场起到无刷直流电机中转子永磁体的作用。励磁线圈的加入，产生了可调的磁场，更加有利于对电机转速和转矩的精确控制，新型轴向DSEM不仅与传统SRM和无刷直流电机有类似的优点，而且作为一种新型的双凸极电机，与传统的无刷直流电机和SRM相比具有以下的技术优势：

1）转矩-重量比大。该电机结构紧凑，在相同体积和重量情况下可以产生更大的转矩。

2）运转平稳、噪声小、可靠性高。通过调节电流来调节磁场使转速更加平稳，并且可以抑制电机的转矩脉动，减小噪声，永磁体退磁的风险也不复存在，还提高了电机运行的可靠性。

3）控制精度高。由于双套绕组的存在，使得各个变量更可控，提高了控制精度，有利于减小控制系统误差。

4）不存在永磁体退磁现象，辅助线圈产生的磁场可进行调节，可以在高温等恶劣环境下工作。

该电机的起动转矩大，可实现重载软起动，适合应用在提升机械、运输机械、采煤机械等需要大转矩的设备中，还可与其他直流电机一样应用于电动车辆、家用电器、伺服控制、航空等通用工业，或将成为电机领域的一个具有广阔应用前景和极具研究价值的方向。