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原文传递高转矩密度磁齿轮电机的优化设计与比较研究

论文题名：	高转矩密度磁齿轮电机的优化设计与比较研究
关键词：	磁齿轮永磁电机;磁场调制;转矩密度;电枢磁动势;电动汽车;优化设计
摘要：	大力发展新能源汽车，是有效应对能源危机、环境污染等问题，以及实现国家生态文明建设的重要战略举措。为满足新一代电动汽车日趋严苛的运行需求，研究具有高转矩密度、高集成度、一体化特点的驱动电机系统成为了促进行业快速发展的关键焦点。近年来，一类基于“磁场调制”运行原理的，且具有高转矩密度、高效率等潜在性能优势的磁齿轮永磁电机引起了电机领域内研究人员的关注与兴趣。值得一提的是，在该类电机中，永磁磁势特性与电枢磁势特性通常是决定电机气隙磁场调制效应的关键所在。如何在电机设计中充分考虑到永磁磁势与电枢磁势，是深入挖掘该类电机的潜在性能优势与获得高性能设计的有效途径，也是该类电机领域的研究热点与热门方向。　　基于此，本文提出一种V型高转矩密度磁齿轮永磁电机，并且针对该电机进行了拓扑探索、结构设计与优化。通过立足于磁场调制原理，本文围绕着相同永磁磁势基波、相同电枢磁势基波，以及相同永磁磁势基波和相同电枢磁势基波的情形下，对提出的V型磁齿轮电机(V-shapedmagneticgearmotor,V-MGM)和I型磁齿轮电机(I-shapedmagneticgearmotor,I-MGM)两种结构进行了深入的分析与比较研究。其中，主要研究内容阐述如下：　　1.本文提出了一种新型高转矩密度V型磁齿轮电机(V-MGM)。该电机将内置式永磁电机与磁齿轮结合，并采用了内嵌V型永磁体外置虚拟槽的转子结构和选取了合适极对数配比。　　2.基于磁场调制理论，以电机气隙磁密为桥梁，建立了磁齿轮电机的理论分析模型，揭示了电机的工作原理。此外，有限元仿真结果验证了理论分析的合理性，为电机优化设计奠定了基础。　　3.为提升磁齿轮电机转矩密度，通过充分考虑磁场调制电机的特性，基于不同永磁磁动势与电枢磁动势的设计情况，对两台磁齿轮电机展开优化设计研究。在考虑磁场调制理论分析结果的基础上，对提高磁动势基波利用率的关键参数进行了设计，综合确定了不同设计情况下磁齿轮电机的最优参数。　　4.对V型与I型磁齿轮电机的电磁性能进行了系统性的比较研究。在相同永磁磁动势基波下，研究了不同电枢磁动势基波对磁齿轮电机转矩输出性能的影响。在相同电枢磁动势基波下，研究了不同永磁磁动势基波对永磁体利用率和涡流损耗的影响。在相同永磁磁动势基波和相同电枢磁动势基波下，对V-MGM和I-MGM的电磁性能进行了全面的比较分析，主要包括磁力线分布、由磁动势引起的气隙磁密分布特性、反电动势特性、转矩特性、损耗与效率以及功率因数等。对比结果表明V-MGM具有的转矩密度更高和综合电磁性能更优越。　　5.根据V-MGM的优化设计参数，加工制造了相应的原理验证样机，并根据磁齿轮电机的运行特性搭建了实验测试平台，进行了空载反电动势和稳态转矩电流特性的测试。相同条件下的实验测试与电磁仿真结果验证了电机设计与研究的合理性，从而为高转矩密度磁齿轮电机的潜在应用奠定基础。
作者：	刘玫
专业：	电气工程
导师：	朱孝勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021