容错磁齿轮复合电机损耗特性研究及优化设计

摘要

目前，随着生活品质的不断提高和环境问题的持续升温，为了获得更高的传动性能，满足风力发电、电动汽车、潮汐发电等新能源领域对低速大转矩的要求，直接驱动技术逐渐进入了电力驱动行业的视线。近年来，有学者提出了一种新型磁齿轮复合电机，能够实现高转矩密度的“伪”直接驱动。该类型复合电机通过将磁场调制式永磁齿轮的内转子与永磁电机外转子合并，在实现转矩输出的同时省却了传动系统的齿轮变速装置，因此具有良好的应用前景。磁场调制式永磁齿轮和磁齿轮复合电机的作用原理是基于调制作用，但是调制后的磁场中除了有产生恒定转矩的谐波成分外还有大量的造成损耗的谐波成分，如此导致了磁齿轮复合电机不同于一般永磁电机的损耗特性。磁齿轮复合电机具有三层磁极和铁心结构，使得永磁体的涡流损耗和铁心损耗在电磁设计中需要重点考虑。复杂的结构也为电机冷却系统设计增加了困难，进一步提高了永磁体因过热出现不可逆退磁的可能，降低复合电机的可靠性和使用寿命。因此，对磁齿轮复合电机损耗特性进行研究，并以减小损耗为目的进行优化设计具有非常重要的理论意义和实际价值。
　　本文通过对调制作用原理的阐述，分析了复合电机额定工况下的损耗特性，研究了产生转子损耗的空间谐波成分构成，并基于损耗特性的分析提出了一种新型的外转子改进型结构，为磁场调制式磁性齿轮和磁齿轮复合电机的性能优化提供了新的设计思路。
　　本文基于以上主要问题开展了如下的一些基本工作，获得了一些有价值的结论：
　　1.通过解析法详细分析了内外转子永磁体磁场经过调制作用以后的空间分布，对磁场调制式永磁齿轮的运行原理进行了阐述，并总结了气隙磁场产生恒定转矩的谐波成分。利用有限元仿真软件证明了解析法关于调制作用分析的正确性。
　　2.从永磁齿轮结构的原理分析，总结了内外层气隙产生转子损耗的谐波成分，得到永磁体的非正弦分布是造成另一侧转子损耗主要原因的结论，为下文关于复合电机减小损耗提高效率的优化方案提供了理论依据。根据铁心损耗和永磁体涡流损耗的产生机理，给出了复合电机损耗的计算模型，并对各部分的损耗进行了计算和对比。从磁齿轮复合电机的整机损耗出发，分析了内转子和内嵌电机磁场耦合对损耗的影响。
　　3.基于永磁齿轮结构损耗特性的分析，提出了几种减小损耗的方案。通过永磁体分段和单极性结构的方法降低了转子损耗，并对比分析了调制环形状对损耗特性的影响。
　　4.基于抑制内转子无用谐波以减小外转子涡流损耗的分析，创新性的提出了一种永磁齿轮新型外转子结构，利用空间磁导的1D模型论证了磁障的引入对削弱无用谐波的作用，最后通过对损耗仿真结果的对比验证了新型外转子结构的优势。