新型非对称转子永磁聚磁式同步磁阻电机研究

Since the existing permanent magnet assisted synchronous reluctance machine exhibits the disadvantages of low torque density, low efficiency, and low power factor, as well as high torque ripple, this project proposes a novel permanent magnet concentrated-flux synchronous reluctance machine with asymmetrical rotor. The proposed machine not only can highly improve the airgap flux density and magnetic torque, and allow its magnetic torque and reluctance torque to obtain their maximum values at the same current phase angle, thus to greatly improve the torque density, efficiency, and power factor, but also can effectively reduce the torque ripple. This project will sufficiently analyze the novel machine topology, and deeply study its magnetic circuit, electromagnetic parameter computation, and mathematical modeling, thus to build the systemic electromagnetic analysis theory. Then, combined with the analysis of the operating characteristics and the effects of machine structural parameters on the performance, this project will propose the general integrated design method including the basic design, optimization, and multi-physics coupling design. Finally, this project will study the corresponding control strategy and performe the co-simulation including both machine and control parts, and then carry out the experiments for the manufactured machine prototype, to confirm the effectiveness of the proposed machine and the correctness of the research scheme. Through this research, the basic theoretical analysis system, general integrated design method, and the corresponding control strategy for the proposed novel machine will be developed and perfected, thus to provide the theoretical basis and technical support for the practical applications.

针对现有永磁辅助式同步磁阻电机转矩密度、效率和功率因数偏低及转矩脉动大等问题，本项目提出一种新型非对称转子永磁聚磁式同步磁阻电机，不仅可显著提升气隙磁密及永磁转矩成分，并使其永磁转矩和磁阻转矩的最大值在相同的电流相位角处叠加，从而显著地提高电机的转矩密度、效率和功率因数，而且有效降低转矩脉动。本项目将全面分析该新型电机的拓扑结构，对其磁路特征、电磁参数计算和数学模型建立进行深入研究，形成系统的电磁基础分析理论。然后，结合工作特性分析及电机结构参数对性能指标的影响规律，提出通用的设计、优化及多物理场耦合的综合设计方法。最后，研究适合该种电机的控制策略，进行电机本体和控制部分的一体化联合仿真，并研制样机进行实验测试，验证该种电机在性能提升方面的有效性和所提方案的正确性。通过上述研究，形成并完善该种新型电机的基础理论分析体系、综合设计方法和相应控制策略，为实际应用奠定理论基础和技术支撑。

针对传统永磁辅助式同步磁阻电机转矩密度、效率和功率因数偏低及转矩脉动大等问题，首次提出一种新型非对称转子永磁聚磁式同步磁阻电机。电机磁极采用聚磁式永磁体配置结构，利用较少的永磁体产生较高的气隙磁密；转子采用非对称结构设计，包括磁极和隔磁桥非对称设计，可有效降低电机转矩脉动；同时通过非对称结构设计改变电机永磁转矩和磁阻转矩的耦合及叠加关系，使永磁转矩和磁阻转矩的最大值能够在相同的电流相位角处叠加，充分利用电机两种转矩成分而显著提升电磁转矩，并提高电机的效率和功率因数等性能。该项目的科学意义在于提出了一种新型高性能永磁聚磁式同步磁阻电机，建立了全新的转矩最大化叠加设计理论，并完成了基于该新型电机特点的基础分析理论和综合设计方法，为实际应用提供了理论基础和技术支撑。.本项目的研究内容及成果包括：1、提出并全面分析了该新型电机的拓扑结构，明晰了其磁路特征和电磁参数计算方法，推导了永磁转矩和磁阻转矩充分利用下的电磁转矩表达式，并基于电路-磁路解析模型建立了精确的数学模型。2、全面分析了该新型电机的工作特性，完成了综合考虑永磁转矩、磁阻转矩、电磁转矩、转矩脉动与电机结构参数非线性耦合关系的全局多目标优化工作。3、通过应力场分析验证了电机的机械强度，并对结构参数进行了灵敏度分析，为多物理场耦合分析和样机制造提供理论和技术支撑。4、研究了适合该种电机的控制策略，制作了一套控制器；研制了一台原理样机，搭建了样机测试平台，测试电感电阻等电机本体参数，并完成电机空载实验，验证了电机设计和分析方案的正确性。.依托本项目的研究发表高水平学术论文18篇，其中SCI收录论文14篇，EI收录论文4篇；4项实用新型专利获得授权，4项发明专利进入实质审查阶段；参加学术会议交流15人次，邀请专家学者来校做学术报告2人次。