新型机械变磁通轴向磁场永磁同步电机磁通调节机理与分析设计研究

Flux Varying PM Synchronous Machine (FVPMSM) is a kind of special machine with variable air-gap field. In recent years, a new challenge for the development of FVPMSM is proposed with the emergence of the problems such as continuous price rise of the rare earth permanent magnet (NdFeB, etc.) and the shortage of the rare earth sources, the research on the FVPMSM with less permanent magnet/higher output torque is significant to improving the power density, simplifying the structure and lowering the manufacture cost of the current FVPMSM. Incorporating the advantages of the FVPMSM, a novel Mechanical Flux Varying axial flux PM Synchronous Machine is proposed in this project, of which the operation principle is investigated deeply and the electromagnetic design theory is explored. A reliable mechanical synchronous adjusting mechanism is designed and the optimal structure parameters are given. The 3-D magnetic field distribution is analyzed and the electromagnetic parameters of the machine are calculated accurately. The mechanical-electrical coupling simulation model of the system is built, and the mechanical dynamics and electric-magnetic coupling simulation is developed. In addition, A prototype machine is manufactured and the corresponding experimental system plat is built, based on which the static parameter, dynamic performance and field control effect are tested. All these work lay theoretical and technical foundations for this type of machine applying in areas such as Electric Vehicle and Hybrid Electric Vehicle drive and so on.

变磁通永磁同步电机（Flux varing PM synchronous electrical machine）是具有可变气隙磁场的一类特种电机。近年来，钕铁硼等稀土永磁材料的价格持续上升及稀土资源日益紧缺对变磁通永磁电机的发展提出了新的挑战，因此研究少永磁用量/高转矩输出变磁通永磁电机对于提高现有变磁通永磁同步电机功率密度、简化电机结构及降低电机成本具有重要意义。本项目结合变磁通永磁同步电机的优点，提出一种新型机械变磁通轴向磁场永磁同步电机；深入研究新型电机的运行机理，探求该类电机的电磁设计理论；设计简单可靠的机械同步调整机构，给出最优结构参数；分析电机三维磁场分布规律，精确计算电机电磁参数；建立系统非线性机电耦合仿真模型，开展机械动力学和电磁联合仿真；制作原理样机，构建系统试验平台，测试电机静态参数、动态性能及调磁效果，为该类电机应用于电动汽车和混合动力汽车驱动等领域奠定理论和技术基础

机械变磁通永磁同步电机是将调磁装置和永磁同步电机有机融合而形成的一类新概念变磁通永磁电机，可满足起动转矩较大和调速范围较宽等要求，在恒压发电及恒功率宽范围调速驱动等场合具有广阔的应用前景。. 课题组围绕项目计划书的研究内容展开了较为全面深入的研究工作，取得了较好的研究成果。在综合分析气隙调整式、定子错开式和转子错开式等机械变磁通永磁电机拓扑结构和工作原理基础上，将转子错开式机械变磁通永磁电机选定为本项目研究对象。据此，深入研究了该电机的工作原理和磁场调节机理；通过建立三维有限元分析结构模型，精确计算了电磁参数，研究了主要结构参数变化对电机性能的影响规律，并计算了电机内部温度场。设计了凸轮式机械调磁装置，对电机进行了机械动力学仿真研究；搭建了电机系统机电联合仿真平台，进行了机电联合仿真分析，获得了电机转子错开角度与转速间的关系；形成了电机初始设计方案，试制了第一台样机，测试了电机的调磁特性等试验结果。在前期设计的凸轮式调磁装置的基础上，设计了一种直线运动式机械调磁装置，进行了机电联合仿真、图纸绘制等工作，试制了第二台样机，并进行了相绕组感应电动势和调磁特性等试验研究，展开了样机的综合评估。根据项目任务书，课题组精心安排研究成员，创造性地开展了工作，取得了较好的研究成果和人才培养工作。四年来，发表或录用直接相关科研文章共计13篇，SCI检索3篇，EI检索7篇。其中在IEEE Transactions on Magnetics，IET Electrical Power Applications，电工技术学报，电机与控制学报，Icems，Intermag等国内外重要核心期刊和国际会议上发表或录用论文10篇。申请或授权专利5项，加工样机2台。培养青年教师3名，硕士研究生5名，陈栋硕士论文《新型机械变磁通轴向磁场永磁同步电机多物理场联合仿真与试验研究》获江西理工大学优秀硕士毕业论文，硕士生陈栋、王敏获国家励志奖学金。按照项目计划书的研究计划要点，本项目的研究内容均已完成，基本达到预期目标，后续研究工作仍将进行。