澳门大学等单位科研人员的研究表明，双永磁励磁电机的性能要优于永磁游标电机

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澳门大学机电工程系、深圳市电力直驱技术重点实验室（南方科技大学）的研究人员石玉君、程子活、蹇林旎，在2021年第1期《电工技术学报》上撰文，对比分析了两种典型的场调制型永磁电机，即常规永磁游标电机和双永磁励磁电机的性能和特点。研究结果表明，在相同的尺寸、定子槽数、定子齿数、绕组极对数、转子磁体极对数、线圈匝数、绕组联结方式、电负荷、铜损耗及转速的条件下，双永磁励磁电机在永磁体用量、反电动势、转矩密度、单位磁体体积的转矩、功率因数及效率方面优于常规永磁游标电机。

场调制型永磁电机（FMPM）凭借其转矩密度大、效率高、无需配套机械齿轮箱使用等优点，在风力发电、电力船舶推进等低速大转矩直驱场合受到了许多专家学者的广泛关注。众所周知，集成磁性齿轮永磁电机（IMGPM）和常规永磁游标电机（PMVM）是两种最常见的场调制型永磁电机。与集成磁性齿轮永磁电机的多层气隙结构相比，常规永磁游标电机结构简单、制造难度小、成本低，更适合用于低速大转矩直驱应用领域。

从结构上来看，常规永磁游标电机只有一套永磁体，且磁体与电枢绕组的极对数不相等；从运行原理来看，永磁游标电机基于“单向磁场调制效应（UFME）”工作。在该效应的作用下，永磁游标电机在气隙中调制出大量的磁场谐波。在这些极对数相等且转速相同的有效谐波的相互作用下，永磁游标电机实现了稳定的机电能量转换。

近些年来出现了一种新型场调制型永磁电机，有学者将其命名为“双永磁励磁电机（DPMEM）”。该电机的结构特点是只有一层气隙，结构简单；两套永磁体分别位于定子和转子上，且两套磁体的极对数和电枢绕组的极对数彼此互不相等。

从工作原理来看，双永磁励磁电机在双向磁场调制效应（BFME）的作用下，保证了两套磁体激发的磁场与电枢磁场有效耦合，从而实现了稳定的机电能量转换。有学者通过分析，证明了双永磁励磁电机比它自身拓扑结构中所含的场调制型永磁电机能提供更大的转矩，这使其在低速大转矩领域成为一个有力的竞争者。

回顾现有关于永磁游标电机和双永磁励磁电机的研究情况，其研究工作主要集中在工作原理的揭示、新型高性能电机拓扑结构的设计分析、电机的优化分析、电机的控制、参数对性能的影响以及各自不同拓扑结构之间的性能比较。然而，几乎没有有关永磁游标电机和双永磁励磁电机之间性能对比分析的研究。

基于此，澳门大学、南方科技大学的研究人员对比分析了两种典型的场调制型永磁电机，即常规永磁游标电机和双永磁励磁电机的性能和特点。为了公平比较，他们选择了一台常规表贴式游标电机和一台看成由这台常规游标电机演化而来的双永磁励磁电机作为研究对象。

首先，他们介绍了两种电机的结构，总结了其结构特点；其次，通过推导两种电机的一般表达式，即空载反电动势及输出转矩，揭示了两种电机的工作原理，比较总结了“单向磁场调制效应”与“双向磁场调制效应”；接着，利用有限元法（FEM）对比分析了两台电机的性能，验证了一般性表达式的正确性；最后得出如下结论：

图1 两台电机结构示意图

1）从结构上来看，常规表贴式PMVM只有一套磁体、一个齿极结构，而DPMEM有两套磁体、两个齿极结构；DPMEM磁体极对数的构成采用CP方式，所有磁体极性相同，定转子磁体极对数与相应的定转子齿数相同，确保了有效的磁场调制。

2）从工作原理来看，常规PMVM基于单向场调制效应，而DPMEM基于双向磁场调制效应。前者气隙有两个主要永磁谐波，而后者有四个主要永磁谐波。后者虽然有四个主要谐波，但是从反电动势和转矩表达式可以看出，实际参与机电能量转换的只有三个，即转子磁体基波和谐波、定子磁体谐波。

3）对比反电动势和转矩表达式可以得出，与UFME相比，BFME能够额外引入一个定子永磁谐波。这是DPMEM反电动势和转矩高于常规PMVM的原因。尽管BFME引入了一套定子永磁体，但是DPMEM磁体用量比常规PMVM的少，减少了11.17%。

4）仿真结果表明常规PMVM及DPMEM一般性表达式推导的正确性，仿真结果还表明DPMEM在磁体用量、反电动势、功率因数、效率、转矩密度及单位磁体体积的转矩方面优于常规PMVM。与常规PMVM相较而言，DPMEM的磁体用量减少了11.17%，反电动势增加了一倍，转矩密度、效率及单位磁体体积的转矩分别提高了65%、5%及85%。

5）DPMEM的铁损比常规PMVM的大，主要原因是双永磁励磁电机定、转子铁心上均有永磁体，其铁心较常规永磁游标电机的更易饱和。对于它们而言，铁损都集中在定子铁心上。

6）双永磁励磁电机定、转子虽然都有齿极结构，但是交直轴电感很接近，凸极效应很小，可以忽略不计。

7）在额定状态下，常规PMVM不存在退磁风险，而DPMEM存在局部退磁风险。但经评估发现，退磁最严重的定、转子磁体，退磁区域占整个磁体区域的比例很小，因此DPMEM在额定状态下的退磁风险可以忽略不计。

以上研究成果发表在2021年第1期《电工技术学报》，论文标题为“两种典型的场调制型永磁电机的对比分析”，作者为石玉君、程子活、蹇林旎。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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