新型混联磁路记忆电机的设计与分析文献综述

 2023-08-10 09:08

文献综述（或调研报告）：

PMSM因为其高功率/转矩密度和高效率的优点，被广泛应用于电动汽车等新兴产业领域[1]-[3]，然而传统永磁电机由于气隙磁场不可调节，为其在高速区的弱磁调速带来了挑战。人们通常通过矢量控制原理，利用负d轴电流实现弱磁，来扩大电机的调速范围[4]。传统弱磁控制方法的弊端就是会导致额外的励磁铜损，从而降低了电机效率，特别是高速区的效率，这不利于PMSM电动汽车牵引电机的应用。

VFMM的概念最早由V. Ostovic教授提出[5]，通过施加短时电流脉冲改变LCF永磁体的磁化转态，并且相应的磁化状态可以通过特定的磁化电流脉冲电平来确定，从而实现了较宽的调速范围和高效磁化状态调节。然而单一LCF永磁型VFMM容易被电枢反应意外退磁。VFMM的概念被应用于磁通增强型的内置式永磁电机[6][7]，由于其d轴电感大于q轴电感的反凸极特性，可以通过正d轴电流获得最大转矩，同时有助于永磁体工作点的稳定。但在高速弱磁区时，虽然弱磁d轴电流脉冲可以实现一定程度的弱磁，但仍然需要电枢弱磁电流进一步拓展调速范围，这一电流分量可能导致永磁体的意外退磁。此外，为了实现反凸极特性，转子使用了较多的磁障，导致结构复杂，并且磁能积相对较弱的低矫顽力永磁体的使用会导致电机的转矩密度较低。

为了解决上述问题，许多学者提出了混合永磁记忆电机[8]-[14]，该电机除了采用LCF永磁体外，还增加采用了高矫顽力的永磁体，既具备传统永磁电机高功率密度的特点，也可以实现高效率宽范围的磁化状态调节。根据磁路关系，混合永磁VFMM可分为并联磁路型[8]-[10]和串联磁路型[11]-[13]。在并联磁路型方面，文献[8]-[10]提出了一系列并联混合结构VFMM，其优点在于磁通调节范围较大。但文献[9]研究发现，由于两种永磁体的交叉耦合效应，即使在空载条件下，也可能使LCF永磁体发生退磁。为此，[10]提出了一种改进型的并联结构，通过设计q轴磁障来降低负载退磁效应。在串联磁路型方面，文献[11]-[13]提出了一系列串联混合结构VFMM，其中[11]中提出了一种表贴式串联混合VFMM，利用HCF永磁稳定了LCF永磁的工作点，提高了高速恒功率运行能力，然而表贴式转子的问题在于其转矩密度将小于具备磁阻转矩的内置式永磁电机。[12]提出了一种基于PRIUS 2010电机尺寸的串联混合VFMM，其中HCF永磁和LCF永磁交替放置在相邻的转子极上。结果表明，由于HCF永磁体对LCF永磁工作点的稳定作用，即使使用负d轴电流来获得最大转矩，LCF永磁体的工作点也是稳定的，因此可以有效地利用磁阻转矩来提高电机的转矩密度。[13]研究了凸极率，永磁磁化方向，不同牌号的永磁体等因素对于串联混合VFMM的影响。[14]对串联混合结构与并联混合结构VFMM进行了性能对比，结果表明，并联混合结构VFMM调磁范围较大，但两种永磁体之间存在交叉耦合作用， LCF永磁体存在意外退磁风险；对于串联混合结构VFMM，得益于HCF永磁体的稳磁作用，可以有效利用磁阻转矩，进一步提升了转矩密度，但串联混合结构VFMM的退磁也更加困难，调磁范围较窄。

为了结合串联混合结构与并联混合结构的优点，[15]提出了两种新型混联磁路记忆电机，结合了串联混合结构与并联混合结构的优势，并对两者进行了性能比较；[16]对混联磁路记忆电机的不同永磁排布方式进行了设计分析，并利用q轴磁障减弱电枢磁场和LCF永磁体之间的交叉耦合效应，获得了较大的磁通调节范围与良好的负载退磁承受能力。但是为了实现并联与串联结构拓扑的结合，永磁体的用量不可避免地增加，一方面增加了磁路的磁阻，导致相应的充去磁电流增加，另一方面也增大了转子硅钢片的饱和程度。

参考文献

  1. Z. Q. Zhu and D. Howe, “Electrical machines and drives for electric, hybrid, and fuel cell vehicles,” Proc. IEEE, vol. 95, no. 4, pp. 746–765, Apr. 2007.
  2. K. T. Chau, C. C. Chan, and C. Liu, “Overview of permanent-magnet brushless drives for electric and hybrid electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 6, pp. 2246–2257, Jun. 2008.
  3. Z. Q. Zhu, 'Permanent magnet machines for traction applications,' in Encyclopaedia of Automotive Engineering., John Wiley amp; Sons, Ltd.,2014.
  4. T. M. Jahns, G. Kliman, and T. Neumann, “Interior permanent-magnet synchronous motors for adjustable-speed drives,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-22, no. 4, pp. 738–747, Jul./Aug. 1986.
  5. V. Ostovic, “Memory motors,” IEEE Magn. Ind. Appl., vol. 9, no. 1, pp.52-61, Jan./Feb. 2003.
  6. N. Limsuwan, T. Kato, K. Akatsu, and R.D. Lorenz, “Design and evaluation of a variable-flux flux-intensifying interior permanent magnet machine,” in Proc. Energy Convers. Cong. Expo. (ECCE), Sep. 2012, pp. 3670-3677.
  7. M. Ibrahim, L. Masisi, and P. Pillay, “Design of variable flux permanent magnet machine for reduced inverter rating,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 51, no. 5, pp. 3666–3674, Sep./Oct. 2015.
  8. K. Sakai, K. Yuki, Y. Hashiba, N. Takahashi, and K. Yasui, “Principle of the variable-magnetic-force memory motor,” in Proc. Int. Conf. Electr. Mach. Syst., Tokyo, Japan, 2009, pp. 1-6.
  9. D. Wu, Z. Q. Zhu, X. Liu, A. Pride, R. Deodhar and T. Sasaki, “Cross coupling effect in hybrid magnet memory motor,” in Proc. 7th IET Int. Conf. Power Electron. Mach. Drives (PEMD), Manchester, U.K., 2014, pp. 1-6.
  10. Y. Zhou, Y. Chen, and J. X. Shen, “Analysis and improvement of a hybrid permanent magnet memory motor,” IEEE Trans. Energy Concers., vol. 31, no. 3, pp. 915–923, Sep. 2016.
  11. A. Athavale, K. Sasaki, B. S. Gagas, T. Kato, and R. D. Lorenz, 'Variable flux permanent magnet synchronous machine (VF-PMSM) design methodologies to meet electric vehicle traction requirements with reduced losses', IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 53, no. 5, pp. 4318-4326, Sep./Oct. 2017.
  12. H. Hua, Z. Q. Zhu, A. Pride, R. P. Deodhar, and T. Sasaki, 'A novel variable flux memory machine with series hybrid magnets,' IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 53, no. 5, pp. 4396-4405, Sep./Oct. 2017.
  13. M. Ibrahim and P. Pillay, 'Design of Hybrid Variable Flux Motors for Enhanced Wide-Speed Performance,' IEEE Energy Convers. Cong. Expo. (ECCE)., Baltimore, MD, USA, 2019, pp. 6046-6053.
  14. H. Hua, Z. Q. Zhu, A. Pride, R. P. Deodhar, and T. Sasaki, 'Comparative study of variable flux memory machines with parallel and series hybrid magnets,' IEEE Trans. Ind. Appl., in press, 2018.
  15. H. Yang et al., 'Analysis of Novel Hybrid-Magnet-Circuit Variable Flux Memory Machines with Different Magnet Arrangements,' IEEE Energy Convers. Cong. Expo. (ECCE), Baltimore, MD, USA, 2019, pp. 251-258.
  16. H. Yang, S. Lyu, H. Lin, Z. Q. Zhu, H. Zheng and T. Wang, 'A Novel Hybrid-Magnetic-Circuit Variable Flux Memory Machine,' IEEE Trans. Ind. Electron., 2019.

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