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FRPM电机磁通反向电机 ， 即FRPM电机 ， 是一种将永磁体直接安装在定子齿表面的定子永磁型无刷电机 。其结构特点是 ， 在每个定子齿与气隙接触的表面安装两块磁化方向相反的永磁体 ， 当转子旋转到不同的永磁体下面与定子齿对齐时 ， 根据磁阻最小原理 ， 极性相反的永磁磁通就会穿过定子侧的绕组 ， 从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置变化的永磁磁通并感应出电动势 。需要注意的是 ， 不同于DSPM电机 ， FRPM电机的电枢绕组磁链呈现双极性 ， 在FRPM电机中 ， 也可以通过转子斜槽来获得正弦的电枢感应电势 。在FRPM电机中 ， 由于永磁体处于定子齿表面 ， 使得电枢绕组具有较强的相间隔离作用 ， 提高了该电机的容错能力 ， 并且减小了电枢电感的变化範围 ， 进而使得磁阻转矩的幅值相对于永磁转矩可以忽略不计 。图7给出两台多极FRPM电机结构 ， 永磁体分别贴于定子齿表面和内嵌于定子齿端部 。此外 ， 可以将FRPM电机设计成具有互补绕组的三相FRPM结构 ， 通过特别的定子齿与转子极配合 ， 虽然单个线圈电势为非正弦 ， 但每相绕组电势由于互补作用而呈现较好的正弦度 。
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但是 ， 在FRPM电机中 ， 相邻永磁体之间的漏磁较为严重 ， 永磁体涡流损耗也较大 ， 并且功率因数较低 ， 这些因素在一定程度上限制了该电机的发展 。FSPM电机在3种定子永磁型电机中 ， 磁通切换永磁电机 ， 即FSPM电机的定子结构相对较为複杂 。图8给出一台三相定子12槽/转子10极的FSPM电机 ， 该电机定子由12个U型导磁铁心单元依次紧贴拼装而成 ， 每两块导磁铁心单元之间嵌有一块永磁体 ， 永磁体沿切向交替充磁 。每个U型导磁铁心围成的槽中并排放置两个集中电枢线圈的各一个圈边 ， 12个电枢线圈一共分成3组 ， 每4个串连组成一相电枢绕组 。正是这种独特的设计 ， 使得转子齿与同一相线圈下分属于两个U型单元的定子齿分别对齐时 ， 绕组里匝链的永磁磁链极性会改变 ， 实现了所谓“磁通切换” ， 如图9所示 。因此 ， 随转子位置变化 ， 在FSPM电机的电枢绕组中会匝链交变的永磁磁链 ， 进而产生感应电势 。
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定子永磁型无刷电机特点对比定子永磁型电机主要有DSPM电机、FRPM电机和FSPM电机三类 ， 每一类型电机在结构上又有很多变化 ， 它们既有共性 ， 又有个体差异性 。它们的共性主要体现在:1)转矩产生机理相同 。传统的直流电机、感应电机以及同步电机 ， 都属于双边磁场电机 ， 即励磁磁场在一边(定子或转子) ， 电枢磁场在另一边(转子或定子) ， 定转子之间的相对运动使电枢绕组中的磁链发生交变 ， 从而感应出电势 ， 当绕组中通入电流后 ， 电流与电势相互作用实现机电能量转换 。而定子永磁型电机的励磁源和电枢绕组都位于定子 ， 它依靠定子直流励磁源与转子凸极的调製作用 ， 使定子绕组中的磁链发生交变 ， 从而产生感应电势与电磁转矩 ， 实现机电能量转换;2)定、转子铁心结构类似 ， 均呈凸极结构;3)永磁体和电枢绕组均位于定子 ， 与转子永磁型电机相比 ， 可方便地对永磁体进行直接冷却 ， 从而控制其温升;4)凸极转子仅由导磁材料构成 ， 既无永磁体 ， 也没有绕组 ， 结构特别简单可靠 ， 并且易于和某些套用对象直接藕合 ， 集成一体;5)电枢绕组多为集中式绕组 ， 端部短 ， 用铜少 ， 电枢绕组的电阻小 ， 铜耗低 。另一方面 ， 由于不同类型电机中永磁体用量和布置方式不同 ， 导致其不同的性能和特点 。比如 ， DSPM电机的永磁体用量较少 ， 磁链为单极性 ， 其转矩密度也相对较低;而FSPM电机的永磁体用量较多 ， 并且磁链为双极性 ， 其转矩密度较高 。此外 ， 它们的感应电势波形也不同 ， DSPM电机和FRPM电机的电势波形基本呈梯形波 ， 更适合採用BLDC控制模式 ， 而FSPM电机的电势具有正弦波形 ， 更适合BLAC控制方式等 。定子永磁型无刷电机设计方法由于定子永磁型电机的结构和转矩产生机理与传统转子永磁型电机有明显区别 ， 已有的永磁电机的分析设计理论和方法难以直接套用到定子永磁型电机 。加上凸极齿尖等处的局部饱和明显 ， 以及直流偏置磁场、定子外漏磁等特有电磁现象 ， 进一步增大了定子永磁型电机分析计算的难度 。因此 ， 自现代定子永磁型无刷电机问世以来 ， 其分析设计方法就成为学者们的研究重点之一 。如何依据电机的性能要求和给定条件 ， 确定电机的主要尺寸以及绕组参数的初始值 ， 是电机设计及最佳化的基础 。DSPM电机的尺寸功率方程 ， 具体为定子永磁型无刷电机特殊电磁现象及处理方法 永磁体位于定子 ， 导致定子永磁型无刷电机中出现了一些转子永磁型电机中所没有的特殊电磁现象 ， 给该类电机分析与设计提出了新的挑战 。下文对这些特殊的电磁现象进行叙述:1)定子外漏磁 。在定子铁心的外围空间中有漏磁 。因此 ， 在进行电机电磁场分析时必须将求解域适当扩展 ， 才能计入此漏磁 。此外 ， 定子外漏磁会随着转子位置而有所变化 ， 可能在外围的金属机壳中产生额外的涡流损耗 ， 形成局部过热 ， 在电机设计中有必要加以考虑 。2)端部漏磁 。DSPM电机和FSPM电机的永磁体从定子内径处贯穿至外径处 ， 并直接与机壳相接 ， 因此三维端部效应较为显着 。沿着电机轴向靠近端部处磁密明显降低 ， 通过三维有限元分析可较準确地分析这一端部效应 ， 但三维有限元分析複杂而耗时 ， 为简化分析 ， 可在二维有限元分析基础上 ， 引入端部效应係数对二维分析结果进行修正 。3)直流偏置磁场及其对铁耗的影响 。由于永磁体位于电机定子 ， 导致定子铁心中存在直流偏置磁场 。磁密的径向分量和切向分量都是由一个交变分量叠加一个直流分量 。直流磁场虽然不会直接在铁心中产生涡流损耗 ， 但它增加了铁心饱和 ， 并使磁滞回线不对称(如图16所示) ， 从而导致定子铁心磁滞损耗增大 ， 在电机的损耗计算中需要特别加以考虑 。定子永磁型无刷电机的套用电动汽车领域电动汽车/混合动力汽车以其超低的排放甚至零排放、节能环保等特点 ， 受到了高度重视 ， 并获得日益广泛的套用 。电机驱动系统是电动汽车的心脏 。但电动汽车的特殊运行环境和条件 ， 要求电机系统体积小、重量轻、效率高、可靠性强、免维护、转矩出力大等 。特别是在混合动力汽车中 ， 电机系常与内燃机集成为一体 ， 环境温度高 ， 对电机系统的冷却散热提出了严峻挑战 。在定子永磁型电机中 ， 永磁体和电枢绕组均位于定子侧 ， 易于对永磁体和绕组进行直接冷却 ， 因此非常适合电动汽车领域 。图给出一台混合动力汽车用三相定子12槽/转子10极FSPM电机 ， 该电机採用模组化结构 ， 可以显着提高电枢绕组槽满率 ， 并减小绕组端部尺寸 ， 使得电机更为紧凑 ， 进一步提高汽车空间利用率 。飞轮储能领域在飞轮储能系统中 ， 电机驱动飞轮高速旋转 ， 将电能转换成飞轮的旋转机械能 ， 使得飞轮储能系统非常适合用作电网能量缓冲器和可再生能源发电系统的储能装置等 。但是 ， 採用传统转子永磁电机驱动的飞轮储能系统 ， 即使既不充电也不放电 ， 飞轮处于待机储能状态时 ， 高速旋转的永磁体 ， 将在电机铁心中产生大量损耗 ， 不仅增加了发热量 ， 给飞轮系统的散热提出了更高要求 ， 而且导致储能时间只能维持数分钟甚至更短 ， 极大地限制了套用範围 。定子永磁型电机的转子由整块硅钢片叠压而成 ， 结构简单坚固 ， 非常适合高速运行 ， 令电机转子与飞轮直接藕合 ， 可以显着提高飞轮储能系统的能量转换效率及运行可靠性 。尤其是使用磁通记忆永磁电机 ， 在飞轮储能系统进行能量转换前对永磁体充磁 ， 在能量转换完成后再对其去磁 ， 避免了转子随飞轮旋转所产生的铁心损耗 ， 飞轮在储能待机状态近似零损耗 。在飞轮放电时 ， 更可根据飞轮转速的高低合理控制永磁体磁化水平 ， 在保证正常放电的前提下 ， 使电机铁耗最小 ， 从而可以显着提高能量利用效率 ， 延长飞轮储能时间 。轨道交通领域城市轨道交通所使用的驱动电机主要有旋转电机和直线电机两种 。与旋转电机驱动方式相比 ， 直线电机驱动方式具有诸多优点 ， 如结构简单、寿命长、爬坡能力强、轮径较小、隧道断面小和线路设计自由度大等 。较为常见的是直线感应电机和直线式永磁同步电机 。目前 ， 直线感应电机驱动的轨道交通线路已获得广泛套用 ， 但直线感应电机的效率和功率因数低;直线式永磁同步电机具有效率高、功率密度高、体积小、性能好等优点 ， 但是传统直线永磁同步电机的电枢绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级 ， 需沿轨道铺设永磁体 ， 製造和维护成本高 ， 限制了其在城市轨道交通等长定子套用场合中的使用 。