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  • 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:
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    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。

    知識貼:游標永磁電機及相關科研問題的研究進展

    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。

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    圖2 空載時磁通密度分布對比

    知識貼:游標永磁電機及相關科研問題的研究進展

    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。

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