开关磁通永磁同步电机的结构参数
索来春 燕申武 张 星 张志强
哈尔滨工业大学（150001）
Study on Structure Parameters of Flux-Switching Permanent Magnet Synchronous Machines
Suo Laichun Yan Shenwu Zhang Xing Zhang Zhiqiang
Harbin Institute of Technology
摘 要：以1台三相12/10极样机为例，介绍磁通切换
开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机[2]。1992年，Lipo教授提出了一种新型双凸极永磁（DSPM）电机[3-4]；1997年，另一种新型磁通切换型永磁（FSPM）电机也被推出。国内外先后有许多高校对这两种电机进行了研究。现有文献主要介绍了FSPM电机的基本结构特点、工作原理和静态电磁特性，但对FSPM的结构参数的报道相对较少。本文的主要目的就是以一台12/10极FSPM电机为例，分析气隙以、永磁体厚度等结构参数对电机性能的影响。
型双凸极永磁同步电机的结构特点和运行原理。并基于有限元法，研究了其结构参数、气隙和永磁体厚度对电机性能的影响。通过分析得出了对此类电机的气隙及永磁体厚度的选择原则，为该类电机的设计、性能分析以及运行控制建立了基础。
关键词：磁通切换 永磁电机 结构参数 气隙中图分类号：TM351 文献标识码：A
DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2011.03.001
ux-switching permanent magnet (FSPM) Abstract: A fl
synchronous machine with doubly-salient poles was intro-duced as well as the operating principle was analyzed by using a 3-phase 12/10-pole FSPM machine as an example. Based on fi nite element analysis, the factors of the structure parameters including the airgap and permanent magnet thickness that affected the motor’s properties were studied. The select principle of the airgap and permanent magnet thickness was obtained. A foundation had been set up for designing, performance analysis and operational control of this kind of motor.
Keywords: Flux-switching Permanent magnet motorStructural parameters Air gap
1 结构
图1是一台12/10极FSPM电机截面图，其结
构与开关磁阻永磁同步电机类似[7-8]。定、转子均为凸极齿槽结构，转子既无线圈绕组亦无永磁体，定子和转子铁心由硅钢片叠压而成。电机定子相邻的两个U型叠片间镶有永磁体，组成一个定子齿。定子上采用集中绕组形式，空间相对的
普通永磁电机的永磁体大都安装在转子上，
为了防止高速运行时磁钢受到离心力的影响而甩落，通常在转子上都装有不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置。但该装置会引起散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力和减小功率密度等[1]。
为解决上述问题，从1955年起就有学
者
2011 年第 3 期 1
四个定子齿上的绕组串联构成一相，形成三相绕组，采用星型连接。
电机电感公式
Ld=ΛdNph2Lq=ΛqNph2
（1）
FSPM电机结构尺寸确定后，其合成气隙磁
2 运行
开关磁通永磁同步电机工作原理与开关磁
导不随转子位置角的变化而改变，只与气隙长度有关，随气隙的改变作相应变化。图4为仿真得到不同气隙长度的A相自感。
阻电机非常相似，转矩具有磁阻性质，电机运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因磁场的扭曲而产生切向磁拉力，形成电磁转矩。
图2为截取的一个定、转子齿单元，该图可以清晰的解释电机运行过程中，定子电枢绕组中磁通切换的过程。转子极中心线分别与同一定子极下左、右铁心中心线重合，当转子从一个位置移动到另一个位置时，电枢绕组里匝链的磁通在数量上保持不变但方向反向，也就是实现了所谓的磁通切换。由此可知开关磁通永磁同步电机的每相永磁磁链为双极性，这是开关磁通永磁同步电机的一个特性
[5-6]
永磁电机的共同特点，由于气隙的不均匀使
电机存在着力矩波动，由前面的推导可以知道，电机转矩由永磁转矩和磁阻转矩组成。从另一角度考虑，基于对永磁磁链和电枢反应磁链的计算，可以知道电机的瞬时转矩可以表示为：
Te=Tr+Tm-Tcog
（2）
电机电磁瞬时转矩由变化的电感产生磁阻
。开关磁通永磁同步电机的结
构特点保证了其每相永磁磁链及相应的反电势波形在1个转子极距（36°）内接近正弦分布，可采用如图3的正弦波电流供电方式运行。
转矩Tr，由永磁磁链和电枢反应磁链的相互作用得到的永磁转矩Tm和电机定位力矩Tcog。
由于电机为12/10极的定转子结构，定位力矩以6°机械角为周期。因此分析电机的定位力矩，只考虑6°机械角范围内定位力矩波动情况。分别得到了如图5的电机定位力矩，平均电磁转矩和相对力矩波动。
由图5知电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩波动、定位力矩都随气隙长度的增加而减少；在其它条件相同的前提下，增大电机气隙，可
3 结构对性能的影响
3.1 气隙的影响
本文以定子内径为55mm，其他尺寸参数不变时，分别取气隙单边长度δ为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm和0.7mm对电机的自感、定位力矩、平均电磁转矩以及相对力矩波动和瞬时转矩进行分析，以考查电机的特性。
2 2011 年第 3 期
以提高电机的运动平稳性；
增大电机气隙，会减少电机的电感，因此不利于电机高速弱磁控制和电机高速运行；增大电机气隙还会降低电机系统机械特性和输出功率。3.2 永磁体厚度的影响
开关磁通永磁同步电机的永磁磁钢采用钕铁硼永磁材料制作，其退磁曲线可近似为一条直线。该种材料具有很高的剩余磁感应强度，很高
的磁能积及矫顽力，是目前性能最好的永磁材料。磁钢磁化方向平均长度hm对电机磁路磁势Fm有着直接影响，和电机特性有着密切的关系。
电机其它结构不变，气隙长度取0.5mm，永磁体磁化方向厚度hm分别取2.0mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3.2mm时，考察电机的静态特性和稳态运行特性。由仿真可以得到如图6所示的不同永磁体厚度时A相永磁磁链、电机的定位力矩、
平均电磁力矩以及相对力矩波动。
由以上分析知对于不同永磁体磁化方向厚
度hm的电机，在其它条件相同的情况下，hm大的电机其永磁磁链和电机的输出力矩都会有一定的增加，但电机的定位力矩大，使得电机力矩瞬时波动大，电机的平稳性较差。而且当hm增大时，电机永磁磁链将也将变大，电机的弱磁控制难度将加大，不利于电机高速运行。所以，永磁体厚度选择上要综合考虑电机输出力矩、力矩波动和弱磁控制的影响。
4 结论
（1）电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩
波动、定位力矩都随气隙长度的增加而减少；在其它条件相同的前提下，增大电机气隙，可以提高电机的运动平稳性。
（2）增大电机气隙，会减少电机的电感，因
2011 年第 3 期 3
此不利于电机高速弱磁控制和电机高速运行，此外增大电机气隙还会降低电机系统机械特性和输出功率。
（3）在其它条件相同的情况下，对于永磁体磁化方向厚度hm大的电机，其永磁磁链和电机的输出力矩都会有一定的增加，有利于提高功率。
（4）电机永磁体磁化方向厚度hm大时，电机的定位力矩大，使得电机力矩瞬时波动大，电机的平稳性较差。此外，永磁磁链也将变大，电机的弱磁控制难度加大，不利于电机高速运行。
参 考 文 献
1 Hua Wei，Cheng Ming．Inductance Characteristics of 3-Phase Flux-Switching Permanent Magnet Machine With Doubly-Salient Structure．Transactions of China Electro-technical Society[J]，2007，22（11）：21-28．
2 陆 炜，程 明，花 为等．新型两相磁通切换型永磁电动机调速系统建模与仿真研究[J]．微电机，2007，40（7）：1-6．3 花 为，程 明．新型三相磁通切换型双凸极永磁电机电感特性分析[J]．电工技术学报，2007：21-28．
4 Hua Wei，Cheng Ming，Zhu Z.Q，Howe D．Study on Static
Characteristics of a Novel Two-Phase Flux-Switching Doubly-Salient Permanent Magnet Machine[J]．Transactions of China Electro Technical Society．2006，21（6）：70-77．
5 Y.Pang，Z.Q.Zhu，D.Howe，S.Iwasaki，R.Deodhar and A.Pride. Eddy Current Loss in the Frame of a Flux-Switching Permanent Magnet Machine[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（10）：3413-3415．
6 花 为，程 明，Z.Q.Zhu等．通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究[J]．中国电机工程学报，2006，26（13）：129-134．7 米梦冬，周雅夫等．混合动力汽车用双凸极永磁电机的研究[D]．大连理工大学硕士学位论文，2006：29-34．
8 唐任远等．现代永磁电机理论与设计[M]．机械工业出版社，2006：1-3．
9 Z.Q.Zhu，Y.Pang，D.Howe，S.Iwasaki，R.Deodhar and A.Pride. Analysis of Electromagnetic Performance of Flux-Switching Permanent-Magnet Machines by Nonlinear Adaptive Lumped Parameter Magnetic Circuit Model[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（11）：4277-4287．10
胡勤丰，严仰光．永磁式双凸极电机稳态特性研究[D]．南京航空
（收稿日期：2010-12-13）
基金项目：黑龙江省科技攻关计划项目（2006G0345-00）
作者简介：索来春，男，1966年生，博士，副教授，主要研究光机电一体化。
航天大学博士学位论文，2005：12-31．
电机电刷表面氧化膜受损的处理措施
李剑峰
兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿从故障现
气中的杂质如油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘和碳粉等其它杂质对电刷表面氧化膜的形成带来不利的影响，电刷磨损时，本身会产生碳粉，可在刷架罩冷却通风循环通道上安装过滤装置来改善刷架罩内的空气质量。③空气湿度或含氧量太低。氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，还需要空气中有一定的水分含量，但也不能太高。另外，还会受电刷过度研磨、使用溶剂擦拭、集电环表面光洁度不良以及碳刷材质不合格等因素的影响。在生产运行中要加强对集电环和电刷的维护管理，一次性更换电刷的成功率要严格予以保证，用红外线测温技术进行集电环和电刷的日常巡检，当发生对故障部位有怀疑时，可作为辅助分析的工具。在进货过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行了解，作到心中有数。
象入手，通过能够对提风机电机电刷和集电环产生影响的各个方面逐一进行分析，发现电刷氧化膜严重受损是导致励磁电流不稳的根本原因，并针对构成破坏和威胁的各个因素制定措施，从根本上保证了提风机的安全运行。
电刷表面氧化膜的形成十分重要，应注意保证其创建形成和正常工作的条件。电刷表面氧化膜无法形成或形成不良件的原因有：①温度过高。电刷表面氧化膜一般在70℃左右较易形成，而过热故障时温度通常都在150℃以上，即使换上新的电刷也不易形成氧化膜，无法起到润滑作用，电刷磨损加剧，温度继续升高，成为恶性循环。此时，可采取外部强迫降温的方法，如涂抹凡士林和大功率风扇通风等，使集电环温度降到正常范围内并持续一段时间，让电刷表面氧化膜逐渐形成，使之进入良性循环状态。②冷却空气中有污染性杂质。空
4 2011 年第 3 期
开关磁通永磁同步电机的结构参数
索来春 燕申武 张 星 张志强
哈尔滨工业大学（150001）
Study on Structure Parameters of Flux-Switching Permanent Magnet Synchronous Machines
Suo Laichun Yan Shenwu Zhang Xing Zhang Zhiqiang
Harbin Institute of Technology
摘 要：以1台三相12/10极样机为例，介绍磁通切换
开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机[2]。1992年，Lipo教授提出了一种新型双凸极永磁（DSPM）电机[3-4]；1997年，另一种新型磁通切换型永磁（FSPM）电机也被推出。国内外先后有许多高校对这两种电机进行了研究。现有文献主要介绍了FSPM电机的基本结构特点、工作原理和静态电磁特性，但对FSPM的结构参数的报道相对较少。本文的主要目的就是以一台12/10极FSPM电机为例，分析气隙以、永磁体厚度等结构参数对电机性能的影响。
型双凸极永磁同步电机的结构特点和运行原理。并基于有限元法，研究了其结构参数、气隙和永磁体厚度对电机性能的影响。通过分析得出了对此类电机的气隙及永磁体厚度的选择原则，为该类电机的设计、性能分析以及运行控制建立了基础。
关键词：磁通切换 永磁电机 结构参数 气隙中图分类号：TM351 文献标识码：A
DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2011.03.001
ux-switching permanent magnet (FSPM) Abstract: A fl
synchronous machine with doubly-salient poles was intro-duced as well as the operating principle was analyzed by using a 3-phase 12/10-pole FSPM machine as an example. Based on fi nite element analysis, the factors of the structure parameters including the airgap and permanent magnet thickness that affected the motor’s properties were studied. The select principle of the airgap and permanent magnet thickness was obtained. A foundation had been set up for designing, performance analysis and operational control of this kind of motor.
Keywords: Flux-switching Permanent magnet motorStructural parameters Air gap
1 结构
图1是一台12/10极FSPM电机截面图，其结
构与开关磁阻永磁同步电机类似[7-8]。定、转子均为凸极齿槽结构，转子既无线圈绕组亦无永磁体，定子和转子铁心由硅钢片叠压而成。电机定子相邻的两个U型叠片间镶有永磁体，组成一个定子齿。定子上采用集中绕组形式，空间相对的
普通永磁电机的永磁体大都安装在转子上，
为了防止高速运行时磁钢受到离心力的影响而甩落，通常在转子上都装有不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置。但该装置会引起散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力和减小功率密度等[1]。
为解决上述问题，从1955年起就有学
者
2011 年第 3 期 1
四个定子齿上的绕组串联构成一相，形成三相绕组，采用星型连接。
电机电感公式
Ld=ΛdNph2Lq=ΛqNph2
（1）
FSPM电机结构尺寸确定后，其合成气隙磁
2 运行
开关磁通永磁同步电机工作原理与开关磁
导不随转子位置角的变化而改变，只与气隙长度有关，随气隙的改变作相应变化。图4为仿真得到不同气隙长度的A相自感。
阻电机非常相似，转矩具有磁阻性质，电机运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因磁场的扭曲而产生切向磁拉力，形成电磁转矩。
图2为截取的一个定、转子齿单元，该图可以清晰的解释电机运行过程中，定子电枢绕组中磁通切换的过程。转子极中心线分别与同一定子极下左、右铁心中心线重合，当转子从一个位置移动到另一个位置时，电枢绕组里匝链的磁通在数量上保持不变但方向反向，也就是实现了所谓的磁通切换。由此可知开关磁通永磁同步电机的每相永磁磁链为双极性，这是开关磁通永磁同步电机的一个特性
[5-6]
永磁电机的共同特点，由于气隙的不均匀使
电机存在着力矩波动，由前面的推导可以知道，电机转矩由永磁转矩和磁阻转矩组成。从另一角度考虑，基于对永磁磁链和电枢反应磁链的计算，可以知道电机的瞬时转矩可以表示为：
Te=Tr+Tm-Tcog
（2）
电机电磁瞬时转矩由变化的电感产生磁阻
。开关磁通永磁同步电机的结
构特点保证了其每相永磁磁链及相应的反电势波形在1个转子极距（36°）内接近正弦分布，可采用如图3的正弦波电流供电方式运行。
转矩Tr，由永磁磁链和电枢反应磁链的相互作用得到的永磁转矩Tm和电机定位力矩Tcog。
由于电机为12/10极的定转子结构，定位力矩以6°机械角为周期。因此分析电机的定位力矩，只考虑6°机械角范围内定位力矩波动情况。分别得到了如图5的电机定位力矩，平均电磁转矩和相对力矩波动。
由图5知电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩波动、定位力矩都随气隙长度的增加而减少；在其它条件相同的前提下，增大电机气隙，可
3 结构对性能的影响
3.1 气隙的影响
本文以定子内径为55mm，其他尺寸参数不变时，分别取气隙单边长度δ为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm和0.7mm对电机的自感、定位力矩、平均电磁转矩以及相对力矩波动和瞬时转矩进行分析，以考查电机的特性。
2 2011 年第 3 期
以提高电机的运动平稳性；
增大电机气隙，会减少电机的电感，因此不利于电机高速弱磁控制和电机高速运行；增大电机气隙还会降低电机系统机械特性和输出功率。3.2 永磁体厚度的影响
开关磁通永磁同步电机的永磁磁钢采用钕铁硼永磁材料制作，其退磁曲线可近似为一条直线。该种材料具有很高的剩余磁感应强度，很高
的磁能积及矫顽力，是目前性能最好的永磁材料。磁钢磁化方向平均长度hm对电机磁路磁势Fm有着直接影响，和电机特性有着密切的关系。
电机其它结构不变，气隙长度取0.5mm，永磁体磁化方向厚度hm分别取2.0mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3.2mm时，考察电机的静态特性和稳态运行特性。由仿真可以得到如图6所示的不同永磁体厚度时A相永磁磁链、电机的定位力矩、
平均电磁力矩以及相对力矩波动。
由以上分析知对于不同永磁体磁化方向厚
度hm的电机，在其它条件相同的情况下，hm大的电机其永磁磁链和电机的输出力矩都会有一定的增加，但电机的定位力矩大，使得电机力矩瞬时波动大，电机的平稳性较差。而且当hm增大时，电机永磁磁链将也将变大，电机的弱磁控制难度将加大，不利于电机高速运行。所以，永磁体厚度选择上要综合考虑电机输出力矩、力矩波动和弱磁控制的影响。
4 结论
（1）电机绕组的电感、平均电磁转矩和力矩
波动、定位力矩都随气隙长度的增加而减少；在其它条件相同的前提下，增大电机气隙，可以提高电机的运动平稳性。
（2）增大电机气隙，会减少电机的电感，因
2011 年第 3 期 3
此不利于电机高速弱磁控制和电机高速运行，此外增大电机气隙还会降低电机系统机械特性和输出功率。
（3）在其它条件相同的情况下，对于永磁体磁化方向厚度hm大的电机，其永磁磁链和电机的输出力矩都会有一定的增加，有利于提高功率。
（4）电机永磁体磁化方向厚度hm大时，电机的定位力矩大，使得电机力矩瞬时波动大，电机的平稳性较差。此外，永磁磁链也将变大，电机的弱磁控制难度加大，不利于电机高速运行。
参 考 文 献
1 Hua Wei，Cheng Ming．Inductance Characteristics of 3-Phase Flux-Switching Permanent Magnet Machine With Doubly-Salient Structure．Transactions of China Electro-technical Society[J]，2007，22（11）：21-28．
2 陆 炜，程 明，花 为等．新型两相磁通切换型永磁电动机调速系统建模与仿真研究[J]．微电机，2007，40（7）：1-6．3 花 为，程 明．新型三相磁通切换型双凸极永磁电机电感特性分析[J]．电工技术学报，2007：21-28．
4 Hua Wei，Cheng Ming，Zhu Z.Q，Howe D．Study on Static
Characteristics of a Novel Two-Phase Flux-Switching Doubly-Salient Permanent Magnet Machine[J]．Transactions of China Electro Technical Society．2006，21（6）：70-77．
5 Y.Pang，Z.Q.Zhu，D.Howe，S.Iwasaki，R.Deodhar and A.Pride. Eddy Current Loss in the Frame of a Flux-Switching Permanent Magnet Machine[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（10）：3413-3415．
6 花 为，程 明，Z.Q.Zhu等．通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究[J]．中国电机工程学报，2006，26（13）：129-134．7 米梦冬，周雅夫等．混合动力汽车用双凸极永磁电机的研究[D]．大连理工大学硕士学位论文，2006：29-34．
8 唐任远等．现代永磁电机理论与设计[M]．机械工业出版社，2006：1-3．
9 Z.Q.Zhu，Y.Pang，D.Howe，S.Iwasaki，R.Deodhar and A.Pride. Analysis of Electromagnetic Performance of Flux-Switching Permanent-Magnet Machines by Nonlinear Adaptive Lumped Parameter Magnetic Circuit Model[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（11）：4277-4287．10
胡勤丰，严仰光．永磁式双凸极电机稳态特性研究[D]．南京航空
（收稿日期：2010-12-13）
基金项目：黑龙江省科技攻关计划项目（2006G0345-00）
作者简介：索来春，男，1966年生，博士，副教授，主要研究光机电一体化。
航天大学博士学位论文，2005：12-31．
电机电刷表面氧化膜受损的处理措施
李剑峰
兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿从故障现
气中的杂质如油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘和碳粉等其它杂质对电刷表面氧化膜的形成带来不利的影响，电刷磨损时，本身会产生碳粉，可在刷架罩冷却通风循环通道上安装过滤装置来改善刷架罩内的空气质量。③空气湿度或含氧量太低。氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，还需要空气中有一定的水分含量，但也不能太高。另外，还会受电刷过度研磨、使用溶剂擦拭、集电环表面光洁度不良以及碳刷材质不合格等因素的影响。在生产运行中要加强对集电环和电刷的维护管理，一次性更换电刷的成功率要严格予以保证，用红外线测温技术进行集电环和电刷的日常巡检，当发生对故障部位有怀疑时，可作为辅助分析的工具。在进货过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行了解，作到心中有数。
象入手，通过能够对提风机电机电刷和集电环产生影响的各个方面逐一进行分析，发现电刷氧化膜严重受损是导致励磁电流不稳的根本原因，并针对构成破坏和威胁的各个因素制定措施，从根本上保证了提风机的安全运行。
电刷表面氧化膜的形成十分重要，应注意保证其创建形成和正常工作的条件。电刷表面氧化膜无法形成或形成不良件的原因有：①温度过高。电刷表面氧化膜一般在70℃左右较易形成，而过热故障时温度通常都在150℃以上，即使换上新的电刷也不易形成氧化膜，无法起到润滑作用，电刷磨损加剧，温度继续升高，成为恶性循环。此时，可采取外部强迫降温的方法，如涂抹凡士林和大功率风扇通风等，使集电环温度降到正常范围内并持续一段时间，让电刷表面氧化膜逐渐形成，使之进入良性循环状态。②冷却空气中有污染性杂质。空
4 2011 年第 3 期