- 頭條游標永磁電機及相關科研問題的研究進展2021-09-01 作者：梁子漪 曲榮海 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為了解決傳統SA-VPM電機存在“磁障效應”的問題，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員在《電工技術學報》上撰文，提出了一種新型帶連接橋交替極切向勵磁游標永磁電機。
為了解決傳統永磁電機轉矩密度的提升越來越緩慢，跟不上新能源汽車、新能源發電等新興行業需求的問題，研究人員從電機基礎理論和拓撲結構出發，提出了一種新型電機，即游標永磁電機，它翻譯自英文“Vernier motor”。
游標永磁電機的定子極對數ps與轉子極對數pr不相等，(pr/ps)個轉子極對應1個定子極，這種現象類似于游標卡尺上下刻度的對應關系，因此命名為游標電機。
游標永磁電機基于磁場調制原理產生穩態轉矩，其電磁轉矩除了與電、磁負荷有關外，還要乘以一個轉矩放大系數PR（即極比），因此從外特性看，游標永磁電機相當于一臺普通永磁電機加一臺變比為PR的電磁齒輪的組合。因此，從原理上游標永磁電機具有較傳統永磁電機更高的轉矩密度，并已經得到了相關分析、仿真和實驗的證明。
根據勵磁方式的不同，游標永磁電機主要包括徑向勵磁游標永磁電機、海爾貝克磁鋼游標永磁電機和切向勵磁游標永磁（Spoke-Array Vernier Permanent Magnet, SA-VPM）電機三種。切向勵磁方式具有聚磁效應，氣隙磁通密度更高。因此，在相同的電機體積和散熱條件下，SA-VPM電機的反電動勢更高、轉矩密度也更高。
圖1 切向勵磁游標永磁電機拓撲結構
然而，研究人員發現高極比SA-VPM電機存在嚴重的“磁障效應”，造成定子軛部磁通密度反而下降，嚴重限制了SA-VPM電機的轉矩性能。
為了解決傳統SA-VPM電機存在“磁障效應”的問題，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員在2020年第15期《電工技術學報》上撰文，提出了一種新型帶連接橋交替極切向勵磁游標永磁電機。
圖2 空載時磁通密度分布對比
圖3 負載時磁通密度分布對比
該新型電機磁鋼極性相同，用量僅為傳統拓撲的一半。與永磁體相鄰的連接橋和轉子軛部為主磁場提供通路，從而減小氣隙磁阻，增加少極工作磁通密度并提升反電動勢和轉矩密度。
有限元分析可知極比越高，新型SA-VPM電機優勢越明顯。極比為11的新型SA-VPM電機的空載反電動勢比傳統SA-VPM電機高87.3%，平均轉矩高23.6%且轉矩脈動更低。同時，新型SA-VPM電機的永磁體用量減少了56.28%，因此轉矩/永磁體用量的值約是傳統SA-VPM電機的2.83倍，電機成本大幅下降。
本文編自2020年第15期《電工技術學報》，原文標題為“一種交替極切向勵磁游標永磁電機的分析與設計”，作者為梁子漪、曲榮海 等。
