電動車 - 軸向磁通切換永磁電機研究進展

軸向磁通切換永磁電機（ASFPM)結(jié)合了軸向磁通永磁電機與磁通切換電機的特征，憑借其軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊、功率度高、散熱方便等優(yōu)勢，在電動汽車、電動飛機、風力應(yīng)用分析等方面對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展進行綜述，并對借軸向長度短、體積小、功率及轉(zhuǎn)矩密度大、效率高等動汽車和風力發(fā)電等方面應(yīng)用廣泛。磁通切換電機最初轉(zhuǎn)過程中不斷切換磁通大小、方向，使其呈現(xiàn)周期性變化表貼式結(jié)構(gòu)永磁體因高溫導(dǎo)致的退磁和脫落風險，以及電機功率和轉(zhuǎn)矩密度，相關(guān)學者提出了定子型軸向磁通mAgnet，ASFPM)電機，該電機結(jié)合了AFPM電機與磁通切換電機的特點，電樞繞組和永磁體均位于定子，轉(zhuǎn)子僅由鐵構(gòu)簡單堅固，適合高速運行，且散熱方便，優(yōu)勢非常突出對齒槽轉(zhuǎn)矩抑制技術(shù)進行了分析，然后總結(jié)了電機損耗析與優(yōu)化的研究，并且對此類電機的控制技術(shù)進行了總單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雙定子/單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、多定子/極相反的永磁體對稱嵌在定子中，該電機結(jié)構(gòu)繞在定子齒上。該類電機結(jié)構(gòu)簡單，但存在單邊磁者林明耀提出了如圖2所示的雙（單）轉(zhuǎn)子/單（雙）定個內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，雙凸極結(jié)構(gòu)聚磁能力強，轉(zhuǎn)矩/功率密度軸向變磁通模塊化雙轉(zhuǎn)子磁阻電機，如圖3所示，入直流電流代替永磁體的作用，具有良好的靜向模塊化磁通切換永磁（AM-FSPM)電機，該電機由兩個模塊化部件和集成的環(huán)形繞組組成，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)磁繞組的增磁或弱磁來提高磁場控制的靈活性以及穩(wěn)定行時可增大輸出轉(zhuǎn)矩，弱磁運行時可拓寬恒功率運行范圍。文獻該電機通過勵磁繞組調(diào)節(jié)氣隙磁場，增強了容氣隙磁場，但也增加了電機損耗，減小了電機效率。場與永磁體磁化方向相同時為增磁過程，相反時來達到連續(xù)平滑的控制電機磁場。拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示率密度高、結(jié)構(gòu)簡單堅固，而且還可通過增加勵磁繞組磁場。但電樞繞組和永磁體均集中在定子上，不僅會限的大小，而且在電流密度一定的前提下，影響電機功率密度的提升；個轉(zhuǎn)子單元組成，永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子體中，因且簡單的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)電機可降低定子的磁飽2設(shè)計與分析方法有限元法。其中，解析計算法能夠在較短的時間內(nèi)的初步估算，但過度簡化的模型會影響結(jié)果的精度。單快捷，通過建立磁阻網(wǎng)絡(luò)模型，可以快速準確地估算電機的性能，相較于解析法，等效法提高了計算精度，但增加了時間元法利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，計算精度高，精確的解析計算需要基于電機的三維物理模型，為簡采用降階模型的方法，并且忽略鐵心超飽和等復(fù)雜電磁特性的影響，通過建立三維或者二維空間的麥克斯韋方程組，電磁場的解析解，計算精度欠佳，所以在應(yīng)用時的二維解析模型，通過為2d分析模型注入虛擬表面電子齒的影響，應(yīng)用邊界條件和求解拉普拉斯/泊松隙磁通密度的垂直和切向磁通分量，最后用三維有所提方法和所得結(jié)果的正確性。該方法能提高2d模徑向分環(huán)方法。該方法將3d模型沿圓環(huán)切割成多個2d直線模型，逐次計算2d直線電機模型的氣隙磁密，最后將計算結(jié)果進行基于平均半徑等效的直線電機模型，忽略了不同半徑位異，各自建立等效二維直線電機模型，運用等效磁位法損耗，如圖8所示，它可以更方便地預(yù)測每個切片的核心飽和特性，在功率密度和效率之間達到更好的平衡，并對該等效磁路法(mAgneticequivAlentcircuit，Mec）將復(fù)雜的場問題等效為簡單的路問題，減少了計算量，構(gòu)建類似電路的磁路模型，考慮磁路飽和、磁漏和電樞反應(yīng)等因素的影響。有時為度，需要劃分更細致的網(wǎng)格并構(gòu)建磁路，對磁路進行求更高的結(jié)果，但時間成本也會增加。等效磁路法的計算的等效磁路模型，考慮磁路飽和及氣隙漏磁的影響，局磁路圖如圖9所示?；诘刃Т怕纺Ｐ?，得到包括氣隙磁密電感在內(nèi)的一系列電機靜態(tài)特性，計算結(jié)果與三維有限雙凸極結(jié)構(gòu)和定子內(nèi)部永磁的存在，使得電機的二子內(nèi)部永磁體，確定永磁體剩磁，其次構(gòu)建電絡(luò)，被用于ASFPM記憶電機的性能預(yù)測。如圖11所示為三維磁網(wǎng)絡(luò)單元模型，運用此方法構(gòu)建了一個三維等效磁網(wǎng)絡(luò)模型于該模型對非線性方程組的求解，最后將Mec結(jié)果與有限元計算結(jié)三維有限元分析法（3dFeM)是目前ASFP廣泛、計算精度最高的方法，可以較好地處理復(fù)雜的感應(yīng)電勢和齒槽轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標，以電機的定子限元模型，并進行磁場分析，計算了氣隙磁密、磁綜上，以上3種電磁性能的設(shè)計分析方法均能估算，但得到的計算結(jié)果精度和時間成本卻各不相同。析計算法能夠快速計算出結(jié)果，但是簡化模型會導(dǎo)致精生較大的誤差。等效磁路法考慮到了模型邊緣的變化以況，計算精度得以提升，但相應(yīng)的計算時間也會大幅增三維磁網(wǎng)絡(luò)模型，在二維磁網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提高計算精度了也相應(yīng)增加。三維有限元法可以考慮到復(fù)雜的邊緣效應(yīng)需要更多的計算機資源和時間成本。為了提高計算精度成本，未來將可能采用以上3種方法互相結(jié)合的方式對電3齒槽轉(zhuǎn)矩抑制技術(shù)大的齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩是由電機中永磁體與定生的切向分量引起的，齒槽轉(zhuǎn)矩過大會產(chǎn)生較大的機械振動與噪音，影響電機的整體性能，但抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的同時會在電機本體方面，國內(nèi)外學者對定子厚度、定子度、定子極角、定子槽倒角等開展了大量研究，研究表述參數(shù)的合理優(yōu)化可以顯著抑制齒槽轉(zhuǎn)矩、減小電機振動。文獻維有限元方法，研究了定子齒寬、定子永磁體寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。結(jié)果表明，當定子齒寬為厚度對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。在定子齒中添加倒角后同定子結(jié)構(gòu)進行研究，為了使齒槽轉(zhuǎn)矩降低到最對氣隙磁通密度、磁鏈、反電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩等軛ASFPM（yASA-ASFPM)電機，無磁軛結(jié)構(gòu)增加了電樞繞組的空間，提高了電機的帶載能力。研究結(jié)果表明yASA-ASFPM電機的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為0.45Nm,遠小于傳統(tǒng)ASFPM電機的3.5Nm。轉(zhuǎn)子斜極是指轉(zhuǎn)子極形狀相同但偏移一定角度然后可以在這兩個轉(zhuǎn)子部分之間引入角度偏移，轉(zhuǎn)子偏移槽的槽口寬度、槽口深度和槽口形狀的最佳優(yōu)化維有限元分析法和田口分析法確定了轉(zhuǎn)子的最最佳開槽尺寸，將優(yōu)化后的電機結(jié)構(gòu)與之前的表明新結(jié)構(gòu)可以改善電機的齒槽轉(zhuǎn)矩、平均電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、4損耗與熱性能分析與優(yōu)化機類似。銅耗為電路中流過的電流產(chǎn)生，鐵耗損耗為轉(zhuǎn)子的運動過程中產(chǎn)生。損耗產(chǎn)生的熱會耗進行抑制，并對電機系統(tǒng)進行熱性能分析，度和定子齒寬等設(shè)計參數(shù)對損耗的影響，隨著電機參數(shù)算了銅損和鐵損，結(jié)果表明轉(zhuǎn)子極數(shù)對損耗的影響最大。該定子齒、定子槽和中間齒的寬度與永磁體的厚度相同的損耗大小和電機效率，三種拓撲結(jié)構(gòu)分別為：％，電機溫度升高會直接影響到電機的使用壽命和運行可示，考慮了材料的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)、接觸電阻等關(guān)鍵有限元分析驗證了熱網(wǎng)絡(luò)模型的實用性，保證了機器在射、鐵心材料的各向異性導(dǎo)熱率、槽中繞組的等導(dǎo)熱率氣隙長度、負載水平以及電流密度和速度同時％，轉(zhuǎn)子框架損耗，為30％，相當數(shù)量的轉(zhuǎn)子框架損耗會導(dǎo)致效率下降，為了增大散熱面積、提高散熱效率，在電機框架上插入了冷卻葉片，殼材料、環(huán)境溫度、外部傳熱系數(shù)、電流密度和轉(zhuǎn)速對電％；率大于隨轉(zhuǎn)速的增加速率，因為在高速下傳熱系數(shù)的快的散熱。研究了外對流系數(shù)變化對部件溫度的影18所示，與外對流系數(shù)為10W/(m2·k）相比，最大對流系數(shù)為20W/(m2·k）、40W/(m2·k）和80W/(m2·k）時，最高溫法各有優(yōu)勢，如何選擇最適合的方法，需要根據(jù)具體機的效率和穩(wěn)定性，拓寬恒功率工作范圍，提矢量控制是指將定子電流分解為與轉(zhuǎn)子磁鏈同方分量和與磁鏈方向正交的定子電流轉(zhuǎn)矩分量，實現(xiàn)勵磁該電機在整個運行范圍內(nèi)的運行性能。該文提出一種新磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的最小銅損(minimumcoPPerloSS，Mcl）控制方法，實驗結(jié)果表明Mcl控制提高了輸出轉(zhuǎn)矩，拓寬了調(diào)速范圍。很明顯，所提出的控制方法降低了電機系統(tǒng)的銅損環(huán)容錯控制進行了研究和比較，控制框圖如圖19所示。結(jié)果表明，錯控制方法，并通過相關(guān)實驗對該控制方法進行了驗證，證明了該參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MrAS）無速度傳感器控制方法進行了研究和比較。結(jié)果表明，在恒速、變速和變轉(zhuǎn)矩條件下，簡感器位置控制方法下，速度和位置誤差都隨著控制方法，該控制方法具有更好的穩(wěn)態(tài)性能，感器運行，提出并研究了一種基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MrAS）檢測位置和速度的改進控制方法，控制框圖如圖20所圖如圖21所示，通過保持d軸為零，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)實現(xiàn)了適應(yīng)控制，在恒功率區(qū)采用弱磁控制方法以拓寬速度范結(jié)果表明，該控制方法在提高效率的同時降低了量，恒功率工作范圍得到拓寬。此外，該控制系統(tǒng)具有良好電機的驅(qū)動系統(tǒng)，利用Simulink建立驅(qū)動系統(tǒng)的模型，對驅(qū)動系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能進行了研究和比較。結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩波形比矢量控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，速度波形具有模型預(yù)測控制由預(yù)測模型、反饋校正、滾動優(yōu)化、參考軌跡組成，模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制(MPtc）方法，控制框圖如圖22所示，通過優(yōu)化有源電壓矢量持續(xù)時間來降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，在理論分礎(chǔ)上建立電機的離散時間模型，基于增磁和弱磁方法，設(shè)計提出了一種多目標最優(yōu)預(yù)測控制方法，框圖如圖23所 基于鐵損的電機數(shù)學模型來計算鐵和銅消耗的最小最后，基于模型預(yù)測控制原理，利用損耗最聯(lián)合設(shè)計價值函數(shù)以實現(xiàn)最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)了永6電動汽車應(yīng)用分析構(gòu)（雙定子和一個內(nèi)部單齒轉(zhuǎn)子）的轉(zhuǎn)矩密度分高功率密度，與idyr和edyr拓撲結(jié)構(gòu)相比分別提高了48.5％和對電動汽車的電機調(diào)速控制采用勵磁繞組容錯7未來的研究方向的優(yōu)勢，近年來國內(nèi)外學者也在該領(lǐng)域進行了研究及可能的發(fā)展方向如下：一步提升的空