新型凸极式转子无刷电励磁直流电机设计与分析

沈阳工业大学电气工程学院的研究人员刘爱民、张金华等，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，为了消除永磁无刷直流电机中永磁体存在的固有缺陷，本文提出一种新型凸极式转子无刷电励磁直流电机，即用通电激磁线圈代替永磁体，实现增磁、弱磁之间的无扰动衔接，控制输出转矩，拓宽了电机的转速范围。

本文对电机的拓扑结构及工作原理进行了详细介绍，提出了电机的设计方法，并运用三维有限元方法对电磁特性进行了分析，得到转速及转矩特性表明电机设计的合理性，符合电机设计要求，且电机性能良好。通过制作样机的实测数据较好的验证了有限元分析的结果，同时实验证明电机起动响应速度快，起动后电机稳定运行性能好。结果表明此电机能够应用于响应速度快、调速范围宽，输出转矩大等场合，具有理论意义与实际应用价值。

无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）由于结构简单、出力大、调速性能良好等特点，在工业领域中得到了日益广泛的应用[1]。随着电机技术、电力电子技术、数字控制技术、控制理论及传感器技术的发展与应用，无刷直流电机的控制技术已日趋成熟，同时，其电机优化设计、节能型驱动、转矩波动抑制、无位置传感器控制、弱磁调速等技术难题均得到了很好的研究和解决[2-9]。

目前，无刷直流电机已在国防、机器人、航空航天、轨道交通、精密机床、汽车电子、家用电器、办公自动化、以及工业过程控制等领域得到了广泛的应用[10-12]。然而，无刷直流电机中永磁体的使用有其不足之处：永磁转子激磁磁通无法控制、恒功率运行区间变小导致电机速度扩展能力有限以及存在永磁体的退磁风险等问题[13]。

为了改善传统无刷直流电机中永磁体的存在导致电机运行性能不佳的问题，本文在无刷直流电机的基础上，结合开关磁阻电机的结构和工作特性，提出一种新型无刷直流电机结构——凸极式转子无刷电励磁直流电机(Salient-pole Rotor Electrical ExcitationBrushless DC Motor，SREE-BLDCM)，用激磁线圈产生的辅助磁场代替无刷直流电机中转子永磁体。

激磁线圈中通入直流电流产生轴向磁通，转轴用以引导磁场，磁通经转轴传导，从一端转子穿过定子齿后经由机壳传到另一端定转子处最后形成闭合回路，则两端转子分别构成N极和S极，可通过控制激磁线圈中的直流电流来控制电机转子的磁场。

定转子均采用凸极式设计，利用“磁阻最小原理”产生切向拉力，实现电机起动、制动、停车及四象限运行。在激磁线圈中施加可调直流电流，就可产生可调的激磁磁通，该磁通作用在转子极上即可达到调磁的目的。

对于SREE-BLDCM不同的结构尺寸、激磁电流和转子位置，其复杂性和非线性使计算分析电机磁场分布难度较大，为了能预测和估计电机的特性，需要选取准确的磁场计算方法。数值分析方法中的有限元方法提供了清晰可靠的电机分析功能，例如基于电机结构、尺寸、材料属性所得到的电机磁通分布及密度、电磁转矩和电机转速等特性。

基于SREE-BLDCM的特殊结构，运用三维有限元分析来更准确的计算电机性能，不仅能够得到研究所需的仿真数据，而且还能验证电机设计方法的合理性及所设计电机结构的准确性。

本文首先分析了SREE-BLDCM的结构特征及其工作原理，给出了本电机的设计方法。运用三维有限元方法对电机的电磁特性进行了分析，得到电机的转速及转矩特性表明本电机的设计满足电机设计要求，且电机性能良好。对样机的空载试验结果较好的表明了有限元分析的结果，同时实验证明电机起动响应速度快，起动后电机稳定运行性能好。

结论

本文研究了新型凸极式转子无刷电励磁直流电机，对电机进行了详细分析及设计，并通过仿真及样机实验数据得出以下结论：

1）运用三维有限元方法对电机的电磁特性进行分析，分析结果表明本电机满足电机设计要求，且电机性能良好。

2）对样机的空载试验结果较好的验证了有限元分析的结果，电机调磁性能良好，实现增磁、弱磁之间的无扰动衔接。电机起动响应速度快，起动后电机稳定运行性能好。电机能够应用于响应速度快、调速范围宽，输出转矩大等场合，具有理论意义与实际应用价值。