磁通反向电机的数学模型及性能分析

磁通反向电机(FRM)是一种新型的双凸极永磁(DSPM)电机,它把高磁能的永磁体放在定子极的表面,永磁体易于安装.随着转子旋转,FRM定子绕组所交链的永磁磁通改变极性,这意味着比磁通脉振产生更大的磁通变化.由于FRM的绕组利用率高、结构简单、转动惯量小及适于高速运转等优点,可广泛应用于汽车制造业、航空航天等工业领域.本文将从模型建立、分析方法、性能分析等方面对该电机进行深入研究.首先,为了解FRM基本理论和掌握其基本规律,写出FRM的基本方程式;由于电机的双凸极结构以及饱和和非线性的影响,整个系统为一强非线性系统.对该电机作适当简化,建立其线性数学模型,这样有利于对FRM的定性分析,弄清其内部的基本电磁关系和基本特性.讨论了绕组电感、绕组磁链、感应电动势及绕组电流、电磁转矩等静态特性,推导出FRM的功率密度计算公式.其次,为准确计算FRM性能,要考虑磁路饱和、铁磁材料的非线性以及永磁磁场与电枢反应磁场之间的相互影响等因素,要建立FRM的非线性模型,提出用变网络等效磁路法进行分析.具体方法是建立FRM的非线性变网络等效磁路模型,推导等效磁路中各部分磁导的计算公式,用节点磁位法建立相应的方程,通过求解该非线性等效磁路方程,得到磁路各部分的磁通分布,进一步求得静态特性,计算出电磁参数.然后用FRM样机的实验结果验证理论分析的正确性.样机的理论分析结果同实验结果进行比较表明,本文所介绍的FRM变网络等效磁路模型具有较好的精度及通用性,基于等效磁网络模型的FRM电磁计算是可行的,计算结果是正确的.最后对磁通反向汽车发电机的功率密度进行分析.导出了磁通反向汽车发电机功率密度的计算公式,分析了影响电机功率密度的因素,并与电励磁汽车发电机进行了比较.