磁通切换型可变磁通记忆电机及其在线调磁驱动协调控制基础研究

Variable flux memory machine (VFMM), a prominent breakthrough for traditional permanent magnet (PM) machines, can achieve remarkable air-gap flux controllability by varying the magnetization level of PM, thus it is referred to as the genuine wide-speed range PM machine. This proposal proposes a series of novel topologies of flux-switching variable flux memory machine (FS-VFMM) and time-divisional magnetization strategy by incorporating the flux-mnemonic concept into the flux-switching principle successfully, thus the integrated system can obtain excellent online flux adjustable capability and wide speed operational performance. Additionally, the project will lucubrate the online flux-adjustable theory and control technology of this new type of FS-VFMM in terms of flux variable mechanism and magnetization state analysis. Consequently the optimal configuration and physical feature suitable for the highly efficient operation will be presented. The general law in achieving air-gap flux flexibility by varying the PM magnetization level will be revealed. Besides, the project will provide rapid computational technique concerning the electromagnetic parameters and performance characteristics, resulting in the acquisition of multi-objective electromagnetic optimization design method. The nonlinear mathematical model of FS-VFMM and wide speed range controllable system will also be constructed and implemented, and the optimal online flux regulation strategy will be explored. This project will lay a solid theoretical and technogical foundation for FS-VFMM's theory progress and engineering application in the fields of electric vehicle (EV), high-speed machine tool and flywheel energy storage, etc.

可变磁通永磁记忆电机（VFMM）是对传统永磁电机的突破，它通过改变永磁磁化水平来调控气隙磁通，因而被称为真正意义上的宽调速永磁电机。本项目成功地将磁通切换原理与记忆电机相结合，提出了多种磁通切换型记忆电机的新型拓扑结构和时步调磁控制策略，系统具有优良的在线调磁控制与宽调速性能。本项目将深入研究探索该类新型记忆电机的调磁机理和磁化状态分析等理论及其在线调磁控制技术，提出适合于此类电机高效运行的最佳拓扑结构和物理特征，揭示电机通过改变永磁磁化水平实现气隙磁场调控的一般规律；给出电机电磁参数和性能特性的快速计算技术，掌握多目标的电磁优化设计方法；建立电机及其宽调速控制系统的非线性数学模型，寻求在线调磁驱动协调控制的最佳策略，为该类新型记忆电机的发展以及在电动汽车、高速机床、飞轮储能等领域的工程应用奠定理论与技术基础。

一、项目背景.永磁电机可应用于工业、农业、军事和航空航天等诸多领域，但传统的永磁电机气隙磁场无法调节，调速范围有限，在电动汽车、高速机床和飞轮储能等领域的应用受到了极大限制。本项目提出全新拓扑结构的磁通切换型可变磁通记忆电机（SF-VFMM），以实现气隙磁场在线调节，为永磁电机调速范围的拓宽提供了新途径。..二、主要研究内容：.（1）提出了新型单永磁和混合永磁SF-VFMM，分析比较不同结构的电磁特性，探寻了性能最优的拓扑结构。.（2）基于近似分段线性模型和Frolich磁滞模型，并与有限元法结合对SF-VFMM的调磁机理进行了研究。.（3）揭示了SF-VFMM各电磁参数之间存在的制约关系，总结归纳一套适于该类电机的通用电磁设计方法。.（4）引入准3D分析方法，实现了轴向磁场磁通切换型记忆电机的快速计算和设计优化。.（5）提出调磁绕组的“功能切换”概念，据此提出“混合励磁”和“直流-交流切换”型SF-VFMM。.（6）建立了SF-VFMM的非线性数学模型。依据不同磁化状态下运行特性的变化，提出了一种分步调磁控制策略，并通过仿真和实验对所提出的控制策略进行验证。.（7）制作多台SF-VFMM样机，对其主要电磁特性、空载以及负载调磁驱动控制进行了实验研究。..三、研究成果：.（1）共发表论文合计37篇，其中21篇被SCI检索收录；.（2）共申请国家发明专利8项，其中已授权3项；.（3）获会议最佳论文奖2项；.（4）培养研究生6名，其中已毕业博士2名，已毕业硕士2名，在读博士和硕士生各1名。..四、科学意义和应用价值：.本项目的成功实施为新型记忆电机的发展和工程应用奠定了理论与技术基础。研究成果引起了国内某车企的关注，并表达了浓厚的兴趣和合作意向，有望在今年与我校开展科研合作，共同开发适用于电动汽车的记忆电机驱动系统。