混合励磁磁通切换型磁阻电机系统的研究

为克服电励磁磁通切换型磁阻电机励磁容量大和永磁式磁通切换型磁阻电机调速范围窄的不足，本项目提出并研究一种新型的混合励磁磁通切换型磁阻电机。采用特殊的方式在定子上放置励磁绕组和永磁体，二者共同建立气隙磁场，气隙磁场随励磁电流的变化趋势与电励磁磁通切换型电机相似，但励磁电流明显小于后者，降低了励磁损耗；又可通过 调节励磁电流拓宽调速范围，兼有永磁式和电励磁磁通切换型磁阻电机的优点。.本项目以混合励磁磁通切换型磁阻电机为研究对象，对其基本理论和控制策略进行研究，建立计及磁路非线性、多场源耦合和外电路非线性的电磁参数计算方法、动态特性分析方法和稳态性能计算方法，研究适合于混合励磁磁通切换型磁阻电机的控制算法和控制策略，探讨其设计、分析和控制方面的规律，为其设计、控制和实用化奠定坚实的理论基础和技术基础。

结合了电励磁磁通切换型磁阻电机(EFSM)的磁场调节灵活和永磁励磁磁通切换型磁阻电机(PMFSM)的励磁损耗小的优点，本项目提出并研究了一种单相混合励磁磁通切换型磁阻电机(HEFSM)，主要的研究内容和成果包括：提出了定子槽口放置永磁体的新型拓扑结构，励磁绕组和永磁体共同建立磁场，一方面能够通过调节励磁电流调节磁场，另一方面减小了励磁损耗；建立了基于subdomain方法EFSM的解析模型，该方法通过子域剖分，基于磁场的拉普拉斯方程和泊松方程以及各子域间的边界条件，可求解得到各子域的矢量磁位，进而计算气隙磁密、绕组磁链和电磁转矩，实现了EFSM电磁性能的快速分析计算；提出一种适用于HEFSM静态特性分析的磁路模型建模，包括适用于结构变化的气隙及铁心磁阻确定方法，同时避免了重新列解磁路方程，求解方程时对磁化曲线进行插值处理，能够考虑饱和的影响，实现了稳态性能的准确计算；提出一种构造三维非线性等效电感的方法，用于HEFSM的动态特性计算，该方法是在将永磁体与励磁绕组的作用效果等效为一个整体励磁激励，利用傅里叶级数拟合单一电感曲线并利用特定转子位置的磁路确定电感非线性比例系数，得到了不同运行状态下的电感曲线；针对单相HEFSM无法自起动的不足，提出一种新型的转子结构方案，该转子由两种形状的转子叠片构成，设计制作及装配简单，具有较高的实用价值；利用Ansoft Maxwell搭建了电机本体结构模型，利用Simplorer搭建了电机的外电路模型，两者进行了联合仿真，从而实现了整个电机系统的仿真分析，该联合仿真模型可方便的对不同电机外电路及不同的控制方法进行分析；为进行对比研究，设计制造了EFSM和HEFSM样机，配有普通转子和具有自起动能力转子，并进行了起动性能、空载性能和负载性能的研究实验，对理论研究成果进行了验证。. 此外，以单相FSM为基础，本项目还对三相FSM和磁通反向电机进行了研究，研究成果包括：建立了永磁体励磁和混合励磁拓扑结构的解析模型，对各种拓扑结构的三相FSM进行了对比分析；对于磁通反向电机，研究了永磁体排列方式对转矩脉动的影响以及绕组的结构形式对能量密度的影响。