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轴向磁场Vernier型磁通调制电机在低速直驱应用中的研究

作者及机构
本研究由Vandana Rallabandi∗、Peng Han、Murat Gurhan Kesgin、Narges Taran和Dan M. Ionel共同完成，他们均来自美国肯塔基大学电气与计算机工程系的Spark实验室。研究发表于2019年的IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)会议。

学术背景
随着电动汽车和工业自动化的发展，低速直驱应用对高扭矩密度和高效率电机的需求日益增加。传统的齿轮箱系统存在复杂性高、易故障等问题，因此，直接驱动电机成为研究热点。高极数永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）因其高效率和高扭矩密度而被广泛应用，但其高极数要求大量定子槽和线圈，导致制造难度增加。为了解决这一问题，Vernier型电机因其能够在较少定子槽和线圈的情况下实现高极数而受到关注。
本研究旨在提出一种新型轴向磁场Vernier型磁通调制（Vernier-Type Flux Modulation, VTFM）永磁电机，适用于低速直驱应用。该电机采用单转子结构，转子为辐条型永磁体，定子齿包含辅助槽以增强与转子相互作用的高极性磁动势（Magnetomotive Force, MMF），从而产生净扭矩。本研究还探索了两相结构，因其相间无耦合特性，具有较高的故障容忍度。

研究流程
1. 电机设计与原理分析
- 研究首先提出了两相轴向磁场VTFM电机的拓扑结构，包括两个定子和一个高极数中央辐条转子。定子齿包含槽和凹槽，并采用集中线圈。其中一个定子可以设计为无线圈的被动结构，以减少轴向空间占用。
- 通过分析电机的运行原理，推导了可行的极槽组合。研究指出，Vernier型电机的扭矩放大效应与辅助槽的数量密切相关，辅助槽越多，所需的转子极数也越多，从而提高磁通链和扭矩密度。

1. 有限元分析（FEA）与性能评估

   • 研究采用三维有限元分析（3D FEA）对一款16槽56极的VTFM电机进行建模和仿真。仿真内容包括开路反电动势（back-EMF）、扭矩波形、功率因数和效率等性能指标。
     
   • 结果表明，该电机在额定转速600 rpm下表现出低谐波失真（THD）和低扭矩波动（<10%）。此外，研究还分析了电机在不同负载条件下的电流角与扭矩的关系，发现电机在饱和状态下表现出较弱的磁凸极性。

2. 与传统电机的性能对比

   • 研究将VTFM电机与一款传统的36槽12极轴向磁场永磁同步电机进行了性能对比。对比指标包括铜损、铁损、功率因数和效率等。
     
   • 结果表明，VTFM电机的铜损较低，但铁损较高，这与其多谐波特性和较高的工作频率有关。因此，VTFM电机更适合低速直驱应用。

3. 故障模式下的稳态运行分析

   • 研究验证了两相结构电机的相间无耦合特性。通过仿真短路故障，发现故障相的电压几乎降为零，而健康相的电压保持不变，表明两相之间具有磁独立性，从而提高了电机的故障容忍度。

主要结果
- 研究提出的VTFM电机在16槽56极的配置下表现出优异的性能，包括低谐波失真、低扭矩波动和高扭矩密度。
- 与传统电机相比，VTFM电机的铜损较低，但铁损较高，适合低速直驱应用。
- 两相结构电机的相间无耦合特性使其具有较高的故障容忍度，适合对可靠性要求较高的应用场景。

结论与价值
本研究提出了一种新型的两相轴向磁场VTFM电机，其在低速直驱应用中表现出优异的性能和高故障容忍度。与传统的永磁同步电机相比，该电机能够在较少的定子槽和线圈下实现高极数，简化了制造工艺。此外，两相结构的相间无耦合特性进一步提高了电机的可靠性。未来研究将侧重于电机的优化设计、原型制作和测试。

研究亮点
- 提出了新型的两相轴向磁场VTFM电机，适用于低速直驱应用。
- 通过三维有限元分析验证了电机的性能，包括低谐波失真、低扭矩波动和高扭矩密度。
- 两相结构的相间无耦合特性使电机具有较高的故障容忍度。
- 与传统电机相比，VTFM电机在铜损和制造工艺方面具有显著优势。

其他有价值的内容
研究还探讨了不同绕组类型（如全节距绕组和集中绕组）对电机性能的影响，并提供了多种极槽组合的示例，为后续研究提供了参考。

以上报告详细介绍了研究背景、流程、结果及意义，旨在为相关领域的研究人员提供全面的参考。