研究背景
在傳統轉子永磁型無刷電機中，永磁體位於電機轉子側，該類型的電機相對於傳統的直流電機和異步電機具有更高的功率密度和效率。但是，轉子永磁型電機通常需要對轉子採取特別加固措施以克服高速運轉時的離心力，導致其結構複雜，而且降低了電機性能。同時，永磁體散熱困難，存在由溫升引起不可逆退磁的危險。為克服上述轉子永磁型電機的缺點，近年出現了將永磁體安置於定子側的定子永磁型無刷電機，並受到了日益廣泛的關注。
2 定子永磁型無刷電機結構與工作原理
從20世紀90年代開始，陸續出現了3種新型結構的定子永磁型無刷電機及其驅動系統，如圖1所示，分別為：1）雙凸極永磁（doubly-salient permanent magnet，DSPM）電機； 2）磁通反向永磁（flux reversal permanent magnet，FRPM）電機；3）磁通切換永磁（flux-switching permanent magnet，FSPM）電機。這3種電機的永磁體均置於定子，因此，將它們統稱為定子永磁型無刷電機。每一類型電機在結構上有很多變化，它們的共性主要體現在：1）轉矩產生機理相同，即依靠定子直流勵磁源與轉子凸極的調製作用，使定子繞組中的磁鏈發生交變，從而產生感應電勢與電磁轉矩，實現機電能量轉換；2）定、轉子鐵心均呈凸極結構；3）永磁體和電樞繞組均位於定子；4）轉子僅由導磁材料構成。
圖13 種典型的定子永磁型無刷電機
3 定子永磁型無刷電機分析與設計方法
等效磁路/磁網絡法和有限元法常用於電機的分析和設計，前者計算精度低、但速度快，適用於初始設計階段；後者精度高、但耗時長，適用於參數優化階段。此外，永磁體位於定子上將帶來一些特殊電磁現象：1）定子鐵心的外圍空間中有漏磁，可能在金屬機殼中產生渦流損耗，形成局部過熱；2）三維端部效應較為顯著；3）定子鐵心中存在直流偏置磁場，導致電機的損耗增大。
4 控制策略
定子永磁型無刷電機的電樞繞組空載感應電勢有梯形波和正弦波兩種情況。當電樞空載電勢為正弦波時，可以使用矢量控制、電流滯環PWM控制、電壓空間矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。一些先進控制策略，如無位置傳感器控制方法、定子磁鏈定向控制方法和最大效率跟蹤控制方法也被應用於定子永磁型無刷電機；另外，可以通過導通角控制法和諧波電流注入法等抑制轉矩脈動。
5 磁通控制
磁通控制的主要目的是實現對電機勵磁磁場強弱的調節，從而獲得更優的額定輸出轉矩和調速範圍。相應的方法主要有：1）在定子永磁體外側加一可移動短路片，通過控制該短路片與永磁體的距離來調節被短路的磁通；2）使用分裂繞組改變每相繞組匝數擴展電機的調速範圍；3）使用電勵磁或“電勵磁+永磁”的混合勵磁結構；4）使用剩磁大小可以調節的記憶永磁體勵磁。
6 初級永磁型直線電機結構
從原理上講，將旋轉型定子永磁電機沿半徑處剪開、展平，就可得到對應的直線電機。由定子永磁型旋轉電機演變而來的直線電機通稱為“初級永磁型直線電機”，圖2即為FSPM電機對應的直線電機結構。在初級永磁型直線電機中，永磁體用量大幅減少，帶來巨大的成本優勢。
圖2 直線型FSPM電機
7 定子永磁型無刷電機的應用
定子永磁型電機中，永磁體和電樞繞組位於定子上，因此易於直接冷卻，非常適合電動汽車領域；當定子永磁型電機應用於飛輪儲能系統時，令電機轉子與飛輪直接耦合，可顯著提高能量轉換效率及可靠性，使用記憶永磁電機將進一步降低系統損耗；初級永磁型直線電機的永磁體和繞組均位於電機初級，沿軌道鋪設的僅是導磁材料（如碳鋼），可以顯著降低製造成本和維護費用，在軌道交通領域展現出良好的應用前景。
8 結論
定子永磁型無刷電機作為一種新型永磁無刷電機，具備高效率、高功率密度和高可靠性等優點，在電動汽車、飛輪儲能及軌道交通等領域展現出良好的應用前景。但是，作為一種結構和原理均新穎獨特的無刷電機系統，仍有許多關鍵技術有待深入研究，例如損耗與溫升、振動與噪聲、容錯電機與故障診斷、轉矩脈動抑制，等。
研究背景在傳統轉子永磁型無刷電機中，永磁體位於電機轉子側，該類型的電機相對於傳統的直流電機和異步電機具有更高的功率密度和效率。但是，轉子永磁型電機通常需要對轉子採取特別加固措施以克服高速運轉時的離心力，導致其結構複雜，而且降低了電機性能。同時，永磁體散熱困難，存在由溫升引起不可逆退磁的危險。為克服上述轉子永磁型電機的缺點，近年出現了將永磁體安置於定子側的定子永磁型無刷電機，並受到了日益廣泛的關注。
2 定子永磁型無刷電機結構與工作原理
從20世紀90年代開始，陸續出現了3種新型結構的定子永磁型無刷電機及其驅動系統，如圖1所示，分別為：1）雙凸極永磁（doubly-salient permanent magnet，DSPM）電機； 2）磁通反向永磁（flux reversal permanent magnet，FRPM）電機；3）磁通切換永磁（flux-switching permanent magnet，FSPM）電機。這3種電機的永磁體均置於定子，因此，將它們統稱為定子永磁型無刷電機。每一類型電機在結構上有很多變化，它們的共性主要體現在：1）轉矩產生機理相同，即依靠定子直流勵磁源與轉子凸極的調製作用，使定子繞組中的磁鏈發生交變，從而產生感應電勢與電磁轉矩，實現機電能量轉換；2）定、轉子鐵心均呈凸極結構；3）永磁體和電樞繞組均位於定子；4）轉子僅由導磁材料構成。
圖13 種典型的定子永磁型無刷電機
3 定子永磁型無刷電機分析與設計方法
等效磁路/磁網絡法和有限元法常用於電機的分析和設計，前者計算精度低、但速度快，適用於初始設計階段；後者精度高、但耗時長，適用於參數優化階段。此外，永磁體位於定子上將帶來一些特殊電磁現象：1）定子鐵心的外圍空間中有漏磁，可能在金屬機殼中產生渦流損耗，形成局部過熱；2）三維端部效應較為顯著；3）定子鐵心中存在直流偏置磁場，導致電機的損耗增大。
4 控制策略
定子永磁型無刷電機的電樞繞組空載感應電勢有梯形波和正弦波兩種情況。當電樞空載電勢為正弦波時，可以使用矢量控制、電流滯環PWM控制、電壓空間矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。一些先進控制策略，如無位置傳感器控制方法、定子磁鏈定向控制方法和最大效率跟蹤控制方法也被應用於定子永磁型無刷電機；另外，可以通過導通角控制法和諧波電流注入法等抑制轉矩脈動。
5 磁通控制
磁通控制的主要目的是實現對電機勵磁磁場強弱的調節，從而獲得更優的額定輸出轉矩和調速範圍。相應的方法主要有：1）在定子永磁體外側加一可移動短路片，通過控制該短路片與永磁體的距離來調節被短路的磁通；2）使用分裂繞組改變每相繞組匝數擴展電機的調速範圍；3）使用電勵磁或“電勵磁+永磁”的混合勵磁結構；4）使用剩磁大小可以調節的記憶永磁體勵磁。
6 初級永磁型直線電機結構
從原理上講，將旋轉型定子永磁電機沿半徑處剪開、展平，就可得到對應的直線電機。由定子永磁型旋轉電機演變而來的直線電機通稱為“初級永磁型直線電機”，圖2即為FSPM電機對應的直線電機結構。在初級永磁型直線電機中，永磁體用量大幅減少，帶來巨大的成本優勢。
圖2 直線型FSPM電機
7 定子永磁型無刷電機的應用
定子永磁型電機中，永磁體和電樞繞組位於定子上，因此易於直接冷卻，非常適合電動汽車領域；當定子永磁型電機應用於飛輪儲能系統時，令電機轉子與飛輪直接耦合，可顯著提高能量轉換效率及可靠性，使用記憶永磁電機將進一步降低系統損耗；初級永磁型直線電機的永磁體和繞組均位於電機初級，沿軌道鋪設的僅是導磁材料（如碳鋼），可以顯著降低製造成本和維護費用，在軌道交通領域展現出良好的應用前景。
8 結論
定子永磁型無刷電機作為一種新型永磁無刷電機，具備高效率、高功率密度和高可靠性等優點，在電動汽車、飛輪儲能及軌道交通等領域展現出良好的應用前景。但是，作為一種結構和原理均新穎獨特的無刷電機系統，仍有許多關鍵技術有待深入研究，例如損耗與溫升、振動與噪聲、容錯電機與故障診斷、轉矩脈動抑制，等。
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