关键词：
磁矩双调混合励磁电机
分数槽集中绕组
等效磁网络
双端交错结构
数学模型
最大转矩铜耗比
摘要：
永磁电机（Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM）凭借高功率密度、高效率的优点,在多个行业备受关注,但难以调节的永磁体磁通限制了其转速范围,导致电机的转速和转矩这两个关键参数难以兼顾。通过添加直流励磁绕组的混合励磁电机实现了宽转速范围调节,但在弱磁条件仍不可避免的降低转矩。针对上述问题,创新提出的磁矩双调混合励磁电机（Flux Torque Regulation Hybrid Excitation Machine,FTRHEM）不仅拓宽了电机的磁通与转速调节范围,还通过轴向漏磁磁场与电励磁磁场的耦合产生附加转矩,有效解决了PMSM恒功率运行区间转矩降低的问题。本文以FTRHEM为研究对象,依次对其电磁性能分析、拓扑结构优化、双端磁-矩叠加机理、数学模型构建及控制策略展开研究。
首先,为了验证FTRHEM原理可行性及电磁性能优势,基于PMSM、磁通调节混合励磁电机（Flux Regulated Hybrid Excitation Machine,FRHEM）和FTRHEM的拓扑结构,对比分析了三台电机在磁通调节原理上的差异、阐述了FTRHEM的附加转矩机理。通过时-步有限元法,建立三台电机三维瞬态场分析模型,对其反电动势（Electromotive Force,EMF）、气隙磁密等空载性能进行详细分析,揭示轴径向磁场间耦合关系。同时,阐述了不同结构的齿槽转矩产生机理,推导轴径向齿槽转矩表达式,给出轴径向齿槽转矩叠加原理。在此基础上,分别研究了三台电机的轴向弱磁能力、径向弱磁能力、轴向附加转矩以及轴向主转矩特性,系统分析了不同电机类型在轴径向调磁特性和转矩特性上的差异。最终,综合对比三台电机的轴径向转速转矩范围,确定FTRHEM宽调速、高转矩优势。
其次,为深入优化FTRHEM的性能并探究不同绕组结构对磁矩性能的影响,基于谐波绕组系数、谐波磁动势（Magnetomotive Force,MMF）,设计六台不同分数槽集中绕组（Fractional-Slot Centralized Winding,FSCW）和整数槽分布绕组（Integer-Slot Distributed Winding,ISDW）FTRHEM。建立六台电机的三维有限元模型,对其空载反电势、d-q轴磁路、磁链、电感、齿槽转矩等关键参数进行了详细分析与计算,揭示了分数槽集中绕组与整数槽分布绕组在空载性能上的差异。研究了不同励磁磁场条件下电机的反电动势、附加转矩、主转矩、轴径向调磁能力以及损耗等性能,系统分析了交流励磁绕组的引入对ISDW和FSCW FTRHEM调磁调矩性能的影响规律,为电机设计与优化提供了理论依据。
再次,为了明确FTRHEM双端附加转矩与磁通调节效果的叠加机理及双端励磁电流的最优分配原则,通过建立等效磁网络模型,对比分析了单端励磁与双端励磁结构的磁路特性差异,重点研究了轴向磁路对磁场分布的影响规律。基于有限元法,揭示了双端励磁模式下附加转矩与磁通调节效果的非线性叠加机制,确定两端励磁结构的不对称励磁电流最佳分配,确保磁-矩性能达到最优。基于双端对称磁矩双调结构,分析双端交错FTRHEM优化齿槽转矩的可行性。
然后,为实现双端交错FTRHEM在静止坐标系中数学模型的降阶与解耦,基于FTRHEM工作原理,建立了d-q轴磁网络模型,求解电机各结构磁阻。结合磁阻与电感关系,推导不同转子位置下轴径向电感（定子互感、定子自感、轴向自感、轴向互感、轴径向互感）的变化规律。搭建双d-q坐标系,基于三相ABC坐标系与轴向f1f2坐标系到轴径向双d-q坐标系变换关系,建立轴径向d-q轴数学模型。
最后,提出了一种适用于双端交错FTRHEM的最大转矩铜耗比控制策略,保证电机高效高转矩运行。首先基于FTRHEM的转矩特性划分轻载、重载、过载三个工作区域,理论分析轴径向联合最大转矩铜耗比控制（Maximum Torque Per Copper Loss Control,MTPCL）的可行性,基于拉格朗日乘数法,求解不同工作区域轴径向最佳电流。基于实物样机的实验测试,验证仿真分析、电机工作原理,控制策略的正确性。
