超高速同步磁阻电动驱动的增材制造多材料转子与开绕组双逆变器协同设计与实验验证

《IEEE Open Journal of Industry Applications》：TUrBO: the Next 100,000+ RPM Synchronous Reluctance Drives

　　

摘要：

运行转速超过 10 万转/分钟的超高速电动驱动在紧凑型透平机械和电动辅助系统领域正引起越来越多的关注。虽然同步磁阻电机是一种颇具吸引力的无永磁解决方案，但将其扩展至该运行范围同时受到转子机械完整性、转换器电压能力以及电磁设计、制造精度与驱动运行之间强相互作用的制约。本文提出了一种集成的系统级方法，用于开发和实验验证 10 万转/分钟级别的同步磁阻驱动，该方法基于两种互补使能技术的协调使用：一种由激光定向能量沉积制造的多材料轴向叠片各向异性转子，以及一种开绕组双逆变器架构。本文展示了完整的开发过程，包括增材制造技术选择、材料表征、转子制造、电磁与机械设计、转换器实现以及多学科优化。开发并实验研究了两个原型驱动系统。电机验证包括磁链映射、表观电感评估、最大转矩电流比评估、负载测试和声学测量，而实验与有限元分析的对比突出了制造相关现象的影响，包括相邻沉积材料之间产生的扩散区域。驱动验证进一步评估了所提出的转换器架构在极高速运行条件下的性能。所示结果证明，同步磁阻电机、增材制造过程和电力转换器的协调设计是下一代超高速无永磁电动驱动的关键使能因素。