混合永磁型永磁同步电机的关键基础科学问题

Electric vehicles (EVs) have been listed as the key area for recent national development strategy against energy crisis and environmental pollution. However, the rare-earth permanent-magnet (PM) machines widely employed in current EVs have inherent problems such as limited capabilities of adjusting PM field, partial/complete PM demagnetization and volatile price, which has become the bottleneck for further development of EVs. The hybrid PM synchronous machine proposed in this project aims to make the most of complementary properties of different PM materials and individual diversities of the same PM materials with different grades, solving the above problems in the aspect of field excitation source. The hybrid PM synchronous machine will be investigated in aspects such as the mathematic modeling of optimum matching and the matching laws of PM materials, multi-objective design method considering electromagnetic, thermal and mechanical couplings, magnetizing and demagnetizing techniques, driving and control strategies, prototyping and experimental study. Complete scheme series and theoretical system will be formed, offering design principle, control method and operation law for the proposed hybrid PM synchronous machine, which will provide a more adapted rare-earth PM machine for EV field and an alternative scheme of electric machines with higher reliability and strategic safety for national defense and military applications. Furthermore, the application scope of rare-earth PM machines will be extended, promoting the development of relevant industries and fields.

电动汽车是我国为解决能源危机和环境污染问题而重点发展的领域，目前电动汽车中普遍采用的稀土永磁电机存在永磁磁场调节困难、局部退磁/失磁、价格波动大等问题，成为制约其进一步发展的瓶颈。本项目提出的混合永磁型永磁同步电机旨在充分利用不同种类永磁材料之间、以及同种类不同牌号永磁材料之间的特性互补性和差异性，从励磁源上解决稀土永磁电机中存在的上述问题。拟开展混合永磁型永磁同步电机中永磁材料匹配的数学模型和匹配规律研究、电机的电磁、热、机械多目标优化设计方法研究、充去磁技术研究、驱动控制策略研究、样机制造及实验研究等工作。形成完善的混合永磁型永磁同步电机方案系列和理论体系，给出该种电机的设计、控制方法、以及运行规律。为电动汽车领域提供性能更适合的稀土永磁电机产品，并为国防军事等领域提供更具可靠性和战略安全性的电机产品候选方案。同时进一步拓宽稀土永磁电机的应用边界，带动更多相关行业和领域的发展和进步。

针对混合永磁型永磁同步电机的关键基础科学问题，本项目提出了新型混合永磁型永磁同步电机拓扑方案，研究了混合永磁型永磁同步电机结构及其数学模型、电机的电磁-热-机械综合设计方法、电机充去磁技术和驱动控制策略。主要研究工作如下：.第一，提出了混合永磁型可调磁通永磁同步电机，阐明了电机的工作原理。建立了该电机的磁滞数学模型，对低矫顽力永磁材料的非线性磁滞曲线进行了预测。建立了永磁材料匹配规律模型，给出了混合永磁型永磁同步电机中不同永磁材料的匹配方法。.第二，研究了混合永磁型永磁同步电机考虑其电磁-热-机械的综合设计方法。研究了关键参数对电机电磁性能的影响规律；建立了变磁路可调磁通永磁同步电机温度场计算模型；研究了转子各部分机械应力分布、定子在不同磁化状态下的振动特性，给出了不同梯形波脉冲充磁电流对电机振动特性的影响规律。.第三，研究了混合永磁型永磁同步电机的充去磁特性及在线充去磁技术。推导了电机调磁磁动势的解析表达式，研究了电机非均匀磁化现象和充磁时转矩的波动抑制方法，提出了采用前馈电流控制器的在线充磁方法，提高了电机在线充去磁过程的电流控制精度和动态特性。.第四，提出了基于高斯过程回归的变磁化状态驱动控制策略。通过所建立的模型，实现了电机在所有磁化状态下最大转矩电流角的快速、准确预测。研究了电机在不同磁化状态下的效率特性，提出了基于典型磁化状态的转速控制方法。.最后，制造了混合永磁型永磁同步电机样机，搭建了调磁性能测试平台和运行性能测试平台。验证了理论研究和仿真分析的正确性。