新型非对称磁通反向永磁电机电磁仿真分析文献综述

 2022-10-27 16:48:35

文献综述(或调研报告):

1. FRM的提出

磁通反向电机(Flux reversal machine,FRM)作为双凸极永磁电机(Doubly-salient permanent magnet machine,DSPMM)的一种,结合了开关磁阻电机(Switched reluctance machine,SRM)和永磁体(Permanent magnet,PM)的双重优势,具有较好的研究和应用前景。Rajesh P. Deodhar等人在文献[1]提出FRM,详细介绍了单相FRM高速发电机样机的设计、分析、制造和实验结果。文献[2]主要介绍了三相FRM的结构,有限元分析表明了三相FRM非常适于低速直驱和高速驱动的工业场合。

2. 参数分析

关于FRM的参数分析方面,文献[3]对具有各种永磁排布方式的FRM进行了电磁性能分析,得出了以下结论:1)FRM的转矩由几个主要谐波产生,并且其性能受PM排布方式的影响很大;2)在转矩密度方面,12定子槽FRM最优转子极数为14左右,每种PM排布方式与特定范围内的转子极数搭配具有性能优势;3)每个定子齿上有四个永磁体的FRM的转矩要高于两个永磁体的FRM的转矩;4)NSNS-NSNS排布的FRM在转速较低时可提供最高的转矩密度和效率。这四条结论对于设计和分析FRM来说具有指导性意义,可以帮助设计者提高FRM的性能。文献[15]介绍了三相FRM的平均转矩和脉动转矩(即齿槽转矩和脉动转矩)的计算分析技术,该技术可用于FRM的结构参数优化,以提升转矩性能。

3. 电磁结构设计

文献[13]提出了三相FRM的设计分析方法,包括功率尺寸方程,定子和转子的结构设计,可行的极槽组合以及最优绕组结构;同时,文献[12]介绍了一种新型三相FRM的综合设计方法,详细说明了设计过程,基于经典的设计方法给出了设计和参数计算中涉及的公式,计算了基本参数,可以作为典型三相FRM结构的设计参考。

4. 结构创新

尽管FRM已经具有很多优点,但FRM结构仍然可以进一步优化改进,电磁性能也仍然可以进一步提高。FRM的设计与优化目标主要集中在:1)高转矩密度;2)低齿槽转矩。文献[4]和文献[14]从定子绕组的方面对FRM进行优化。文献[14]在分析FRM磁通时提出了虚拟“电齿轮”的概念,又提出了新型整距绕组FRM概念。此外,还提供串联电容补偿以改善整距绕组FRM的电压调节,补偿后整距绕组FRM的输出功率大约是常规集中绕组FRM的两倍,并且补偿后整距绕组FRM的功率密度比传统永磁同步电机高13.75%;文献[4]提出了分数槽绕组(Fractional-slot windings,FSW)的FRM,提升了转矩密度并降低了转矩脉动。文献[5] [9] [10]从永磁体排布方式方面对FRM进行优化。文献[5]提出了一种永磁体均匀分布于FRM定子内表面的拓扑结构,其与传统FRM拓扑相比具有相同的定子槽、转子极数、绕组极对和永磁(PM)用量,但具有更大的转矩密度和更平稳的转矩波形;文献[9]设计的FRM中采用聚磁式永磁体,可以有效的减少永磁漏磁,增大转矩能力;文献[10]提出了在相邻永磁体之间设置空气槽的改进拓扑结构来改善FRM中相位反电动势波形的对称性,并采用二维有限元分析(FEA)评估空气槽对相位反电动势波形的影响,从而获得最优空气槽宽度以获得更为正弦的反电动势波形。文献[8]和文献[11]均采用了交替极技术,从而减小了永磁漏磁,提升了转矩密度。此外,文献[8]在定子磁极上安装有交替极混合永磁体,低矫顽力(LCF)永磁体(PM)交替放置在相邻的定子槽之间,而稀土NdFeB永磁体位于定子极的中心,提出了一种新型磁通反向混合磁记忆电机(Flux-reversal hybrid magnet memory machine,FR-HMMM),该电机还可以通过在线去磁减少铁损和铜耗,从而实现宽工作范围内的效率提升;文献[6]介绍了一种专为风扇应用设计的新型单相多极磁通反向电机,转子和定子芯由软磁复合材料(Soft magnetic composite materials,SMCM)制成,SMC FRM具有高效率和高功率密度,并且其制造只需要少量昂贵的稀土永磁体;文献[7]在FRM定子槽口中放置Halbach阵列磁体,新型FRM比传统FRM具有更高的输出转矩和更小的转矩脉动,并且提升了功率因数。

5.FRM的应用前景

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