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转子永磁型磁通切换(rotor permanent magnet-flux switching,简称RPM-FS)电机是一种由传统定子永磁型磁通切换电机(stator permanent magnet-flux switching,简称SPM-FS)发展而来的新型结构磁通切换电机,具有高功率(转矩)密度、高效率、低转矩脉动等优点,在电动汽车驱动系统中展现出良好的应用前景。本文以该新型RPM-FS电机为研究对象,基于磁场调制原理揭示了该类电机的转矩产生机理,进而提出了RPM-FS电机的分析方法,建立了该电机数学模型与设计理论,并通过与SPM-FS电机的电磁特性比较,总结了其优点与不足。最后,试制RPM-FS样机,实验结果验证了理论分析的正确性,为该电机的进一步深入研究与发展应用奠定了基础。论文的主要创新点与研究内容包括如下几个方面:1.提出RPM-FS电机结构,揭示了其“磁通切换”原理,建立有限元模型完成了静态特性的准确计算。首先针对SPM-FS电机的缺点,提出了RPM-FS电机的拓扑结构,揭示了该电机亦遵循磁通切换原理,且继承了SPM-FS电机的绕组“一致性”与“互补性”。基于RPM-FS电机有限元模型,分析计算了电磁性能,包括永磁磁场磁密分布、每相永磁磁链、空载感应电势、绕组电感、定位力矩以及电磁转矩等静态特性。2.基于“磁场调制”原理,从另一个角度揭示了RPM-FS电机电磁转矩产生机理,阐述了RPM-FS电机与SPM-FS电机工作原理上的统一性与相异性。RPM-FS电机由SPM-FS电机发展而来,定、转子铁心均为凸极结构,永磁磁场与电枢反应磁场均受凸极铁心的调制效应影响。基于“磁场调制”原理,RPM-FS电机的电磁转矩主要由转子永磁磁场和电枢反应磁场中具有相同谐波次数和频率的谐波相互作用产生。另一方面,从永磁磁场、电枢反应磁场以及转矩产生机理三个方面,比较了RPM-FS电机与SPM-FS电机的气隙磁场谐波分布,揭示了两类磁通切换电机工作原理的相似性,并为该类电机定转子槽极配合选择提供了思路。3.探索了RPM-FS电机槽极配合对电磁转矩特性的影响规律,并提出了该类电机的槽极配合选择原则。基于磁势磁导模型,通过永磁磁势分析与绕组因数选择,探索了有利于提高转矩输出能力的RPM-FS电机定转子槽极配合规律。同时,可通过定子槽数与转子极对数的最大公约数确定具有较小定位力矩的槽极配合结构,减小转矩脉动。此外,基于RPM-FS电机转矩产生机理发现:对于不同的槽极配合结构,只要基波磁负荷与绕组因数相同,则具有相等的基波转矩,但调制谐波转矩分量不同。最后,通过有限元分析和实验验证了四种具有较优转矩特性的槽极配合结构。4.推导了定子坐标系与转子坐标系下RPM-FS电机数学模型,为电机控制策略的制定与系统仿真模型的搭建提供了理论基础。理论分析与有限元计算结果表明,RPM-FS电机的永磁磁链与绕组电感等参数均可近似为正弦函数,进而建立了RPM-FS电机的单相永磁磁链、单相空载感应电势、三相自感与互感等的数学模型。在此基础上,推导了三相和两相坐标系下RPM-FS电机完整的数学模型,即定子坐标系和转子旋转坐标系下的磁链方程、电压方程和转矩方程。5.建立了RPM-FS电机功率尺寸方程,提出了RPM-FS电机通用设计方法,并与SPM-FS电机进行电磁特性比较分析。为了确定RPM-FS电机电磁转矩与关键尺寸参数的对应关系,首先推导了功率尺寸方程。在此基础上,设计了一台额定功率2.5kW的定子24槽/转子10极(24s/10p)RPM-FS电机,给出了电机的关键尺寸参数,并且与一台具有相同的关键尺寸、材料属性和电流密度的SPM-FS电机进行电磁特性比较。从磁负荷和电负荷两个角度阐述了两台电机转矩特性的优势与不足。由分析结果可知,RPM-FS电机具有更好的转矩输出能力、更低的转矩脉动,以及更宽的弱磁调速范围。6.针对高功率密度、大电流密度等约束条件,在考虑磁场饱和效应的影响下,提出了RPM-FS电机设计方法。对于电动汽车用驱动电机,往往要求电机具有高转矩(功率)密度,这必然要求电机设计时采取较大的电流密度。然而,大电流密度设计带来一些新的问题,如过高的绕组温升、较大的电机损耗等。基于功率尺寸方程,设计了一台50kW电动汽车用RPM-FS电机。为了评估RPM-FS电机在电动汽车驱动系统应用中的优势与不足,将设计的RPM-FS电机与一台具有相同关键尺寸的SPMFS电机进行电磁特性对比分析。结果发现RPM-FS电机具有更高的转矩输出能力、过载能力、运行效率和调速范围,适合应用于电动汽车驱动系统中。7.分析了定子永磁型与转子永磁型磁通切换电机永磁体涡流损耗产生机理,比较了两类磁通切换电机永磁体涡流损耗特性,并提出了损耗抑制方法。基于磁场调制原理,推导了RPM-FS电机与SPM-FS电机永磁磁场与电枢反应磁场谐波分布,进而揭示了两类电机的永磁体涡流损耗产生机理。因此,两类磁通切换电机的统一性与相异性不仅体现在转矩产生机理方面,也体现在永磁体涡流损耗产生机理方面。另一方面,通过对两台电机电枢反应磁场的分析,RPM-FS电机的永磁体涡流损耗更易受到电枢反应磁场的影响。此外,在低电流密度设计条件下,SPM-FS电机的永磁体涡流损耗较大,对效率影响更严重。然而,在电动汽车驱动系统这一高电流密度应用场合,永磁体涡流损耗对两类电机的效率均存在较大的影响,可通过永磁体分块的方法进行抑制。8.试制了一台2.5kW RPM-FS样机,搭建了实验测试平台,验证了电机的定位力矩、额定转矩、过载能力与调速范围等电磁特性。