【《高功率密度永磁同步电机研究现状的文献综述》3700字】

-7-高功率密度永磁同步电机研究现状的文献综述1.1国外研究现状随着永磁材料性能的不断提高和电力电子技术的快速发展，永磁同步电机凭借其功率密度高、效率高等优点[2]，逐步成为军工、机器人及航空航天等领域的主流驱动电机。国外对高功率密度永磁同步电机的研究起步较早，主要集中在航空电机、车用电机和工业用电机等方面。德国慕尼黑大学Hans-ChristianLahne等人设计了一台额定功率700kw的航空用高速永磁同步电机，参数如下表所示，采用有限元法分析了电机的电磁场、应力场和温度场，优化电机拓扑结构，电机的电磁设计采用了定子六相绕组和永磁体分段放置的方法，最大限度地降低了电机损耗和重量，提高了电机的功率密度，但该电机在永磁体的设计上仍有优化的空间，可以采用更少的高性能稀土永磁材料、改变永磁体的充磁方向和排列方式等优化方法[3]。表1-SEQ表1-\*ARABIC1电机设计指标Table1-SEQTable1-\*ARABIC1Motordesignindex参数名称参数值额定功率/kw700额定转速/rpm50000功率密度/(kw/kg)＞5效率/%＞94诺丁汉大学AhmedAl-Timimy等人设计了一台具有高转矩、低转矩脉动等优良性能的工业泵用高功率密度永磁同步电机，设计指标如下表所示。综合考虑了几种不同槽极配合和绕组形式电机的转矩密度，选择8槽9极分数槽集中绕组的形式，通过有限元法分析了电机的电磁性能，研究了主要几何参数对电机机械性能的影响，采用遗传优化算法，确定了永磁同步电机的最优参数，提高了电机的功率密度[4]。表1-SEQ表1-\*ARABIC2电机设计指标Table1-SEQTable1-\*ARABIC2Motordesignindex参数名称参数值直流母线电压/V210最大电流/A90重量/kg≤2.75铁心长度/mm≤85最高工作温度/℃200马来西亚学者E.Sulaiman等人对混动汽车用高转矩高功率密度混合励磁同步电机进行研究，重新设计了气隙宽度和定转子开槽的几何尺寸，首先在保证其他参数不变的情况下，改变转子的结构参数，使电机的转矩输出性能达到最优，然后保持改进后的转子参数不变，改变励磁线圈槽参数，使励磁线圈的电磁性能达到最优，最终设计电机的最大扭矩密度和最大功率密度分别为11.41Nm/kg和5.55kw/kg[5]。西门子公司在2011年对用于飞机螺旋桨推进的高功率密度永磁同步电机进行研究，研制的第一代电机额定功率65kw、额定转速5000rpm、峰值功率80kw，总质量仅13kg，额定功率密度5kw/kg，在峰值功率下可连续运行180s，电机的转子磁路结构为表面式，如图1-1所示。2015年该公司研制出第二代飞机推进用高功率密度永磁同步电机，额定功率为261kw，电机采用Halbach阵列表面式永磁体，额定转速2500rpm，电机有效质量为50kg，额定功率高达5.22kw/kg，如图1-2所示。图1-SEQ图1-\*ARABIC165kw永磁同步电机Figure1-165kwpermanentmagnetsynchronousmotor图1-SEQ图1-\*ARABIC2126kw永磁同步电机Figure1-SEQFigure1-\*ARABIC1261kwpermanentmagnetsynchronousmotor1.2国内研究现状功率密度作为衡量电机性能的关键性指标之一，对于如何提高永磁同步电机的功率密度，国内的科研院所和高校进行了大量的研究，提出了许多切实可行的技术方案，主要包括优化电机结构、选用高性能永磁材料、优化电机的设计方法和减轻电机质量等方法。中煤科工集团刘齐林等人从电机控制的角度出发，以矢量控制理论为基础，对永磁同步电机的电磁设计方法和电抗参数计算方法进行研究，给出永磁同步电机的设计流程，设计了“V”型永磁体转子结构和“V一”混合型永磁体转子结构的电机，功率密度1.5kw/kg，并从电机反电动势、槽极配合、转矩和电抗等方面对两种电机进行性能分析，验证了设计方法和计算方法的正确性，样机相关参数如下表所示[6]。表1-SEQ表1-\*ARABIC3样机参数Table1-SEQTable1-\*ARABIC3Parametersoftheprototype参数名称参数值参数名称参数值额定功率/kw20峰值功率/kw40额定转速/(r/min)4500最高转速/(r/min)9000极数8槽数48每槽导体数4并联支路数1空载反电动势/V(“V一”型)135空载反电动势/V(“V”型)123额定电压/V189交轴电感/mH0.67额定电流/A(“V一”型)83额定电流/A(“V”型)87.5直轴电感/mH(“V一”型)0.4直轴电感/mH(“V”型)0.378效率/%(“V一”型)93效率/%(“V”型)92中国科学院电工研究所崔刚等人研究了磁阻转矩对永磁同步电机输出转矩的影响，从原理上分析了不同的转子磁路结构电机的磁阻转矩占比和功率密度的大小，分析“C”型和“U”型磁障结构对电机功率密度的影响，通过对比发现“C”型磁障结构更适合高功率密度电机设计，且磁障深度在某个区间内使电机的输出转矩达到最大；对比分析“C”型和“一”型混合型三层磁障转子结构、“C”型和“V”型混合型三层磁障转子结构、“C”型和“V”型混合型两层磁障转子结构对电机性能和功率密度的影响，发现采用“C”型和“V”型混合型两层磁障转子结构，第一层使用钕铁硼永磁材料，第二层使用铁氧体材料可提高电机功率密度，解决了使用单一钕铁硼永磁材料在高温下电机性能下降的问题[7]。“C”型和“V”型两层磁障转子结构如图1-3所示。图1-SEQ图1-\*ARABIC3“C”型和“V”型两层磁障转子结构Figure1-3"C"and"V"typetwo-layermagneticbarrierrotorstructure北京精密机电控制设备研究所丁闪等人采用有限元分析法进行电机的磁路优化设计和温度场分析，研制了一台500W高速、高功率密度永磁同步电机，定子铁心外径40mm，长度60mm，采用8极9槽分数槽电磁结构设计，定子集中绕组，最高转速达12000r/min，且能在高温下稳定工作[8]。海军工程大学蒋超等人采用“场-路-运动”耦合时步有限元分析方法，设计了一台三相11kw舰艇高功率密度永磁同步电机，电机主要设计参数如表1-2所示。该电机采用内置式转子磁路结构，“V”型永磁体排列方式，增加了每一极的磁通量，提高了功率密度。通过对永磁体槽间距进行参数化扫描，分析不同永磁体槽间距所对应的稳态转矩脉动率和空载气隙磁密波形及各次谐波含量，结果表明转子结构参数对永磁同步电机稳态性能影响很大[9]。表1-SEQ表1-\*ARABIC411kw高功率密度永磁同步电机设计参数Table1-SEQTable1-\*ARABIC4Designparametersof11kWhighpowerdensitypermanentmagnetsynchronousmotor参数名称参数值参数名称参数值额定功率/kw11相数3线电压/V380极数4转速/(r/min)1500定/转子槽数36/28定子外径/mm210定子外径/mm136转子外径/mm134转子外径/mm60额定电压/V189交轴电感/mH0.67铁心长度155永磁体厚度/mm5永磁体宽度/mm31永磁体槽间距/mm8哈尔滨理工大学谢颖等人对电动汽车用高功率密度感应电机进行研究，设计了一台峰值转矩15000rpm、峰值功率130kw的电机。首先通过磁路计算法得出了目标电机的结构和电磁参数，采用有限元分析法研究了不同的铁心长度和气隙宽度对相电流、功率因数、效率和电机损耗等性能参数的影响，并对电机的散热方式进行设计，仿真计算了电机在进行转子斜槽设计后气隙磁密分布情况。然后建立了三维温度场计算模型，对电机的瞬态温升进行仿真。最后对电机转子进行静力学分析，计算了15000rpm时的应力分布，得出了转子应力随转速的变化曲线，保证了电机高速运行时的可靠性。最终电机的功率密度可达3.3kw/kg[10]。华南理工大学叶志伟设计了一台高功率密度对转双转子电机，通过有限元分析的方法，优化内转子铁心的边界尺寸，确定了最佳的电磁参数；对电机机械结构进行轻量化设计，基于拓扑优化的方法，优化了电机的几何尺寸参数，电机重量明显下降，提高了电机的功率密度；采用小信号法对电机在不同工作区的的稳定性进行分析，通过闭环控制算法提高了电机工作的稳定性，最后进行仿真分析，验证控制算法的可靠性。对转双转子电机示意图如图1-5所示[11]。图1-4电机示意图Figure1-4Schematicdiagramofmotor哈尔滨工业大学单曦在电磁场和应力场下对目标永磁同步电机进行多物理域优化设计。在Maxwell中进行电磁场有限元仿真，分析电机定转子和永磁体参数对电机功率密度的影响，优化结构参数，并研究电机在不同工况下的铁心磁密饱和情况，结果表明优化后的电机符合设计要求。在ABAQUS中对电机进行应力场仿真，优化电机尺寸，对电机的关重件进行强度校核，保证了电机运行的可靠性，极大地降低了电机的重量，轻量化效果明显，提高了电机功率密度[12]。参考文献张瑜,张鹏军,廖彩红,余朝发.转管武器双管发射方式研究[J].兵器装备工程学报,2020,41(06):96-100.柳霖,井立兵,罗正豪,高起兴.一种削弱永磁同步电动机齿槽转矩的方法[J].微特电机,2016,44(10):34-37.LahneHC,GerlingD,StatonD,etal.Designofa50000rpmhigh-speedhigh-powersix-phasePMSMforuseinaircraftapplications[C].EleventhInternationalConferenceonEcologicalVehicles&RenewableEnergies.IEEE,2016.Al-TimimyA,DeganoM,GiangrandeP,etal.Designandoptimizationofahighpowerdensitymachineforfloodedindustrialpump[C].2016XXIIInternationalConferenceonElectricalMachines(ICEM).IEEE,2016.SulaimanE,KosakaT,MatsuiN,etal.DesignstudiesonhightorqueandhighpowerdensityhybridexcitationfluxswitchingsynchronousmotorforHEVapplications[C]//PowerEngineeringandOptimizationConference(PEDCO)Melaka,Malaysia,2012IeeeInternational.IEEE,2012.刘奇林,沈启平.车用高功率密度永磁同步电机设计及试验研究[J].电机与控制应用,2016,43(01):88-94.崔刚,宋志环,熊斌.混合式永磁同步电机转子磁路结构研究[J].微特电机,2020,48(08):7-11+17.丁闪,王毅,周连辉,程晓月,刘旺.高速高功率密度永磁同步伺服电机设计[J].防爆电机,2014,49(05):8-10+24.蒋超,乔鸣忠,彭威,张志斌.舰用泵高功率密度永磁同步电机设计与分析[J].微电机,2019,52(11):1-6.谢颖,黎志伟,郭金鹏.电动汽车用高功率密度感应电机的设计与研究[J].电机与控制学报,2020,24(02):46-54.叶志伟.电动汽车用对转双转子电机的设计与开发[D].华南理工大学,2014.单曦.全电飞机驱动电机轻量化设计与仿真研究[D].哈尔滨工业大学,2015.李龙.基于DDVC技术的转叶舵机研究[D].哈尔滨工程大学,2013.李忠贤.某转管机枪动力学建模与分析[D].南京理工大学,2012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