基于磁场调制原理的新型直流偏置型游标永磁电机研究

Compared with the conventional machines, vernier permanent magnet machines (VPMMs) exhibit higher torque density, and are expected to have broad application prospect in low-speed and large-torque occasions such as wind power generation. The project takes VPMMs fed with novel DC-biased current as the research object. Focusing on the key problems of the VPMMs fed with DC-biased current, the relevant basic theory, simulation and experimental studies are carried out. Firstly, the basic theoretical system of DC-biased current VPMM is researched using harmonic theory. After that, this project studies the performance analysis and simulation model of a novel high torque density DC-biased machine with multi-excitation and multi-modulation, and researches the design and analysis of the overall topology, the stator/rotor PM type, the design of modulation poles, and also the selection guideline of materials. Furthermore, a DC-biased current VPMM topology which can balance the torque density and power factor, and improve the reliability, and other characteristic is obtained. On this basis, combined with the modern optimization algorithm, the design procedure of the machine is proposed to provide theoretical support for the follow-up research and industrialization development.

与常规电机相比，游标永磁电机具有更高的转矩密度和性能，在风力发电等低速大转矩场合应用前景广阔。本项目以采用直流偏置型电流的游标永磁电机为研究对象，重点围绕采用直流偏置型电流的游标永磁电机所存在的关键问题，开展相关基础理论、仿真计算和实验研究。以电机谐波理论为手段，完善直流偏置电流型游标永磁电机的基本理论体系。构建多重激励多调制作用的新型高转矩密度直流偏置型电机性能分析与仿真模型，研究总体拓扑、定子/转子永磁结构、调制极设计，以及材料的选择原则等，提出能兼顾转矩密度和功率因数的直流偏置电流型游标永磁电机拓扑，提升电机的可靠性、力矩性能等指标。在此基础上结合现代优化算法，提出该电机的设计方法，为直流偏置电流型游标永磁电机的后续研究和产业化发展提供理论支撑。

在风力发电、舰船推进等领域，采用低速直驱形式可显著提高系统效率、降低振动噪声、提高系统寿命。然而大功率低速直驱电机往往体积和重量较大，无法满足应用需求。因此开发超高转矩密度电机已成为重要的研究课题。游标永磁电机遵循磁场调制原理，具有天然的高转矩密度的特性，因此游标电机已经成为电机领域的研究热点。为进一步提高电机转矩密度指标，本项目另辟蹊径，创新性地提出采用直流偏置电流来实现游标电机转矩密度进一步提升的学术思想，围绕该新型电机所存在的关键科学问题，开展理论、仿真和实验研究，所取得的重要研究进展和重要结论如下：.提出了定转子交替极式和定子Halbach式双永磁游标电机拓扑。阐述了含直流偏置电流和双永磁多磁源激励时各电磁单元相互作用实现能量转换的机理以及所需满足的极对数关系，及通过改变绕组直流比例灵活调节电机电磁负荷分配，进而实现电机输出转矩、效率的动态最优；通过拓扑对比，论述了定子Halbach式双永磁游标电机拓扑受益于聚磁效应，通过定子和转子永磁共同激励，提高磁场强度，并结合直流偏置电流的电磁负荷调节能力，可在兼顾功率因数的同时，进一步提高现有电机的转矩密度；研究了关键参数对于电机性能的影响规律，基于启发式算法，建立了该电机的优化设计流程；搭建直流偏置电机的数学模型，并建立典型应用场景的负载模型，提出直流偏置电流的SVPWM策略，实现场路耦合下的双闭环矢量控制，并获得了良好的动态响应能力；发现了不同激磁源在绕组所感应电势同相位和转矩近似线性叠加的重要发现；验证了直流偏置电流对转矩提升效果的影响因素；研制了两台样机，并搭建了实验平台对所提出的电机模型、理论和分析进行了验证。.本项目的研究成果为直流偏置电流游标永磁电机的后续研究打下了坚实的基础，同时也拓展了磁场调制电机的研究范畴和研究方法。此外，新型定转子双永磁电机的加工和制造、测试，为此类电机的后续产业化推广应用，提供了重要的实践指导意义。