Спасибо, что посетили Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для получения наилучших результатов мы рекомендуем вам использовать более современный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).А пока, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы показываем сайт без стилей и JavaScript.

В этой статье представлено исследование двунаправленной машины с возбуждением от постоянных магнитов (BPMEM), основанное на исследовании зубчатой ​​передачи с постоянными магнитами с модуляцией поля (FPGM).Структура BPMEM включает в себя установку последовательных полюсных постоянных магнитов (ПМ) как со стороны статора, так и со стороны ротора FPGM, так что статор и ротор могут возбуждаться в двух направлениях для увеличения амплитуды плотности потока рабочего воздушного зазора, уменьшения утечки потока между полюсами. , и увеличить плотность крутящего момента.Поэтому в статье сначала анализируется влияние различных структур воздушного зазора и компоновки PM на плотность потока в воздушном зазоре, а также исследуется комбинация пазов и полюсов обмотки и результирующие гармоники плотности рабочего потока для анализа механизма генерации электромагнитного момента.Используя анализ конечных элементов (FEA), количественный анализ и сравнение FPGM, FPGM без щелевых клиньев (SWL-FPGM), FPGM с последовательным полюсом (CP-FPGM) и BPMEM подтверждают превосходство BPMEM в улучшении электромагнитных характеристик. крутящий момент.Кроме того, в документе также рассматриваются ключевые характеристики перегрузочной способности BPMEM, коэффициента мощности и способности ослабления потока.Наконец, на прототипе FPGM проводятся эксперименты без нагрузки и с независимой нагрузкой, чтобы проверить правильность модели FEA и метода анализа машины в этой статье. Машина для ламинирования фольги

Поэтому, основываясь на FPGM, в этой статье проводится количественный анализ влияния изменения структуры FPGM на производительность машины, основное внимание уделяется анализу взаимосвязи между плотностью потока каждого воздушного зазора и электромагнитным крутящим моментом, перегрузкой и ослаблением магнитного потока производительностью BPMEM.Сравнивает и проверяет их электромагнитные характеристики с помощью анализа методом конечных элементов.Отсюда делается вывод, что плотность крутящего момента BPMEM лучше, чем FPGM.В эксперименте в этой статье основное внимание уделяется анализу обратной ЭДС FPGM без нагрузки и эксперименту по выработке электроэнергии с независимой нагрузкой.

На рис. 1 показана базовая электромеханическая структура четырех типов машин с ПМ с модуляцией магнитного поля при различных конструкциях воздушного зазора.На рис. 1а показана структура FPGM, основанная на «эффекте магнитной передачи», на основе обычной машины с постоянными магнитами для увеличения FMP для согласования пар полюсов обмотки якоря и ротора с постоянными магнитами.На рис. 1b показано, что структура FPGM без щелевого клина (SWL-FPGM) модели проницаемости воздушного зазора улучшается за счет удаления клиновидной структуры.На рис. 1c показана структура FPGM с последовательными полюсами (CP-FPGM), которая сохраняет только PM с N-полюсами на стороне ротора.На рис. 1d показана структура BPMEM, предложенная в этой статье.Статор оснащен последовательными полюсами ПМ между статором FMP CP-FPGM, а ротор имеет ту же конструкцию, что и CP-FPGM.

Структура четырех видов машин с ПМ с модуляцией магнитного поля.(a) FPGM, (b) SWL-FPGM, (c) CP-FPGM и (d) BPMEM.

Для CP-FPGM и BPMEM каждая пара полюсов со стороны ротора состоит из униполярных PM и смежных FMP.Поскольку коэффициент полюсной дуги постоянного магнита ротора равен 0,5, согласно [28], магнитодвижущая сила, создаваемая постоянным магнитом, равна силе, создаваемой соседним FMP.МДС статора с ПМ может быть проанализирована таким же образом, но наличие пазов в статоре делает фактическое магнитное сопротивление выше, чем у ПМ.Эта статья посвящена качественному анализу модуляции FMP статора в ФМ ротора и модуляции FMP ротора в ФМ статора.Следовательно, когда последовательные полюса статора и ротора эквивалентны чередующимся полюсам ПМ, сторона ПМ эквивалентна гладкой поверхности.

На рис. 2 показаны эквивалентный источник МДС ПМ и эквивалентная модель воздушного зазора под действием ПМ, включающая 16-полюсные ПМ и 9 ПМ.На рис. 2а показана форма волны МДС чередующихся биполярных ФЭУ, а ее амплитуда связана с формой и материалом ФЭУ.Рисунок 2b представляет собой упрощенную эквивалентную зубчатую структуру, из которой получена форма волны проницаемости отношения воздушного зазора, а ее характеристика изменения переменного тока отражает эффект модуляции FMP на MMF.На рис. 2c показана плотность потока в воздушном зазоре после того, как МДС воздушного зазора модулируется удельной магнитной проницаемостью воздушного зазора.16-полюсный MMF может производить 2 полюса после модуляции удельной проводимости воздушного зазора.

Форма волны MMF, удельная магнитная проницаемость и плотность потока в воздушном зазоре.(a) MMF, (b) удельная проводимость воздушного зазора и (c) плотность потока воздушного зазора.

где Fi — амплитуда каждой гармоники Fr (θ, t), pr — число пар полюсов ФЭУ ротора, ωr — механическая угловая скорость ротора, Fi рассчитывается как:

Плотность потока в воздушном зазоре, вызванная последовательными полюсами ротора и ФМЧ статора, равна Bgrˊ (θ, t) = Bgr (θ, t) + Bp, где Bp — смещение магнитного поля воздушного зазора, вызванное роторным ФМ, модулированным роторным ФМ.Поскольку модуляция не вводит новых гармоник, а только изменяет исходную амплитуду магнитной плотности30, ее можно выразить коэффициентом смещения.

Таблица 1 показывает, что из-за pr = Nr, когда i = 1 или n = 1, гармоники плотности потока воздушного зазора имеют одинаковую частоту.В это время порядки гармоник плотности потока эффективного воздушного зазора, генерируемые ФЭУ статора и ротора, включают |pr ± jNs|и |Nr ± mps|.

Для упрощения анализа только pr, |pr − Ns| и |Nr − ps|рассматриваются гармоники в магнитном поле воздушного промежутка, причем порядок и скорость последних двух одинаковы.

Электродвижущая сила и магнитодвижущая сила каждой фазы в трехфазной обмотке должны быть симметричными, поэтому обмотка статора БПМЭМ выполнена 36-пазовой 8-полюсной.В соответствии с числом пар полюсов обмотки якоря pa, удовлетворяющим pa = Nr − pr, можно получить максимальный выходной крутящий момент31, число полюсов ротора рассчитано как 64-полюсное, а их шаг и коэффициент намотки равны 4 и 0,945 соответственно.

На рис. 4 показан трехфазный составной МДС в определенный момент времени, когда к каждой модельной обмотке приложен постоянный ток Ib = Ic = − Ia/2, как показано на рис. 1. Установлено, что при соединенная с трехфазным переменным током, генерируемая обмоткой четвертая трехфазная синтетическая зубцовая гармоника магнитодвижущей силы равна числу полюсов основной магнитодвижущей силы роторных ЭДС и вращается синхронно.Гармоника (Ns − pr)-я, генерируемая модуляцией ЭДС статора и ротора, равна числу полюсов основной магнитодвижущей силы обмотки и вращается синхронно.Таким образом, и pr-я, и (Ns − pr)-я гармоники в воздушном зазоре являются рабочими гармониками, что указывает на наличие множественных гармоник в машинах с ПМ с модуляцией магнитного поля, показанных на рис. 1, и электромагнитный момент создается этими множественными гармониками. .Согласно принципу традиционного синхронного двигателя с постоянными магнитами, два магнитных поля с одинаковым количеством полюсов создают стабильный крутящий момент, когда скорости двух магнитных полей синхронизированы.

где rg — радиус воздушного зазора, Lstk ​​— длина стека, Bg = Bgr + Bgs, и существует только BPMEM Bgs.

где ψd — значение потокосцепления в направлении по оси d после преобразования dq, N — последовательные витки на фазу, Bgpr — амплитуда плотности потока в pr-м воздушном зазоре за счет производства PM MMF и удельной магнитной проводимости, а Bgpa — амплитуда плотности потока в воздушном зазоре на пути производства ПМ МДС и удельная магнитная проницаемость.

Уравнение (9) показывает, что при постоянной удельной электрической нагрузке средний электромагнитный момент машины можно увеличить за счет увеличения амплитуды плотности потока в воздушном зазоре без нагрузки.Вклад плотности потока в воздушном зазоре пути в крутящий момент больше, чем вклад плотности потока в воздушном зазоре prth.SWL-FPGM получается путем изменения структуры статорного FMP на основе FPGM путем изменения влияния P0 и P1 на плотность потока воздушного зазора, соответствующим уменьшением коэффициента заполнения статорного FMP для уменьшения амплитуды P0, увеличения амплитуду P1, а затем увеличение амплитуды Bgpa.Для CP-FPGM толщина эквивалентного PM уменьшена, что может уменьшить эквивалентное сопротивление воздушного зазора.Однако в реальных ситуациях наличие FMP ротора приводит к изменению распределения проницаемости воздушного зазора при вращении ротора, что приводит к большим пульсациям крутящего момента29.В конструкции BPMEM со стороны статора установлены ФЭУ, которые модулируются ФМЧ ротора для получения плотности потока в воздушном зазоре пути, тем самым увеличивая электромагнитный момент.

Электромагнитные характеристики.(a) Форма волны плотности потока в воздушном зазоре без нагрузки, (b) гармонический спектр плотности потока в воздушном зазоре без нагрузки, (c) потокосцепление без нагрузки обмотки фазы A и (d) электромагнитный момент (5 А/мм2) .

На рис. 5a,b показано, что различные конструкции машин по-разному влияют на плотность потока в воздушном зазоре без нагрузки.Поэтому, когда только ФЭУ генерируют магнитные поля, FPGM имеет наибольшую 32-ю амплитуду плотности потока в воздушном зазоре, где 32 совпадает с числом пар полюсов роторных ФЭУ.SWL-FPGM и CP-FPGM имеют более высокую амплитуду плотности потока в 4-м воздушном зазоре, где 4 совпадает с количеством пар полюсов в обмотке якоря, что указывает на то, что последние два имеют лучший эффект модуляции, в то время как BPMEM выигрывает от двунаправленного PM. модуляция, так что амплитуда плотности потока 4-го рабочего воздушного зазора значительно увеличивается.Кроме того, 36-я гармоника ВДМЭМ создается в основном статорными ФЭУ, стационарными относительно статора и не участвующими в преобразовании энергии машины.

Из рис. 5б также видно, что 32-я гармоника может быть улучшена за счет статорных ПМ.Причины могут быть объяснены формулой (7) и таблицей 1, когда m и n оба равны 4, магнитное поле, создаваемое PM статора, может быть модулировано до 32-й гармоники, поэтому оно может улучшить 32-ю гармонику.Это также доказывает, что BPMEM имеет тот же эффект модуляции двойного потока, что и ссылка33.

На рис. 5с показано, что амплитуда потокосцепления без нагрузки обмотки фазы А BPMEM является наибольшей, за ней следует CP-FPGM, опять же без SWL-FPGM, а у FPGM — наименьшая.Уравнение (8) показывает, что это связано с тем, что потокосцепление без нагрузки сильно зависит от 4-й рабочей гармоники, которая соответствует числу пар полюсов обмотки якоря.

На рис. 5d показано, что при постоянной плотности входного тока средний электромагнитный момент увеличивается с увеличением потокосцепления без нагрузки.Наибольшим средним электромагнитным моментом обладает БПМЭМ, который составляет 54 Нм (34,4 кНм/м3), вторым является КП-ВППМ, который составляет 35,4 Нм (22,5 кНм/м3), третьим является ВППМ без щелевого клина, который 33,3 Нм (21,2 кНм/м3), а FPGM является наименьшим, со значением 32 Нм (20,4 кНм/м3).Средний электромагнитный крутящий момент BPMEM улучшен примерно на 68% по сравнению с FPGM, а соотношение между средним электромагнитным крутящим моментом и потокосцеплением без нагрузки соответствует описанию уравнения.(9).

Рисунок 6 представляет собой векторную диаграмму машины с постоянными магнитами при управлении Id = 0, когда принято соглашение о двигателе.Здесь E — противо-ЭДС, создаваемая изменением потокосцепления, E0 — противо-ЭДС холостого хода, Xq — реактивное сопротивление по оси q, ω — электрическая угловая скорость, ψ — составная потокосцепление воздушного зазора, Lq — индуктивность по оси q, а с математической точки зрения E = ωψ и Xq = ωLq.

Уравнение (10) показывает, что при Id = 0 на коэффициент мощности в основном влияют Lq и потокосцепление по оси d ψd.Влияние индуктивности Ld по оси d также следует учитывать, когда машина работает в условиях ослабления и усиления потока.При учете магнитного насыщения машины Ldq и ψd изменяются при изменении нагрузки и условий эксплуатации.

На рис. 7 показана зависимость между амплитудой тока и Ldq в разных фазах.Из-за симметричной структуры машины Ldq симметричен относительно Iq = 0. Здесь анализируется только BPMEM в электрическом состоянии.

Влияние Id и Iq на Ld и Lq.(а) Влияние Id и Iq на Ld, (б) влияние Id и Iq на Lq.

Как показано на рис. 7б, изменение Lq происходит в основном за счет влияния Iq.Из-за связи между магнитной цепью оси q и магнитной цепью оси d в железном сердечнике PM и Id также оказывают значительное влияние на Lq.

где \(p_{Fe}\) - потери на гистерезис, - потери на вихревые токи, f - частота переменного магнитного поля, \(B_{m}\) - амплитуда плотности потока, а \(k_{ h}\) и \(k_{e}\) — гистерезисные потери и коэффициенты потерь на вихревые токи, соответственно, которые связаны с материалом сердцевины, объемом и толщиной ламината.В FEA принято ламинирование кремнием D23_50, а kh и ke установлены на 325,26 и 0,865 соответственно.Кроме того, не учитываются избыточные потери, вызванные обработкой и производством.

Для дальнейшего тестирования производительности FPGM и предоставления лучшего руководства для пробного производства прототипа BPMEM в этом документе проводится дальнейшее тестирование производительности FPGM на основе Ref.19.Экспериментальный прототип FPGM показан на рис. 12.

На рис. 12а показан стальной ламинированный лист FPGM, на рис. 12b показан ротор FPGM, а на рис. 12c показан статор FPGM, которые были взяты Junyue Yang.

На рис. 13 показан прототип экспериментальной платформы FPGM, сделанный Junyue Yang.На рис. 13 приводной двигатель тащит прототип FPGM, чтобы он вращался, создавая соответствующую противо-ЭДС.Эксперименты без нагрузки и с независимой нагрузкой проводятся на прототипе FPGM, и результаты сравниваются с результатами МКЭ соответствующей модели.

Функция обмотки 36-пазовой 8-полюсной обмотки статора разложена с помощью преобразования Фурье.Установлено, что полученный номер гармоники согласуется с номером гармоники, рассчитанным по разомкнутой цепи обмотки статора.Погрешность FPGM FEA и экспериментального измерения прототипа невелика, что может обеспечить правильность FEA.

Zhu, X., Lee, CHT, Chan, CC, Xu, L. & Zhao, W. Обзор машин с модуляцией потока, основанных на принципе модуляции потока: топология, теория и перспективы развития.IEEE транс.Трансп.Электриф.6, 612–624 (2020).

Qu, H. & Zhu, ZQ Анализ машин с реверсированием потока на постоянных магнитах с массивом спиц.IEEE транс.Преобразование энергии.35, 1688–1696 (2020).

Sun, X. & Zhu, ZQ Исследование индуцированного напряжения обмотки постоянного тока в машине с постоянными магнитами и переключаемым магнитным потоком с гибридным возбуждением.IEEE транс.инд. заявл.56, 3594–3603 (2020).

Fu, WN, Chen, Y. & Guo, X. Новые двухслойные и трехслойные синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.IEEE транс.Магн.51, 1–4 (2015).

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставить ссылку на лицензию Creative Commons и указать, были ли внесены изменения.Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала.Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя.Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Ge, Y., Liu, Z., Zhou, K. et al.Исследование электромагнитных характеристик и рабочих характеристик машины с двунаправленным возбуждением от ПМ.Научный доклад 12, 8408 (2022).https://doi.org/10.1038/s41598-022-12567-w

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12567-w