[发明专利]一种谐波函数型磁场调制电机

说明书

本发明提供了一种谐波函数型磁场调制电机，施加于定转子间的调制环由若干个以谐波函数削极的调制块组成，区别于传统矩形调制块，谐波函数调制极可呈梯形函数型、正弦函数型、弧边梯形函数型等特殊几何形状。其中，谐波函数根据调制磁场谐波分布特征建立，增强工作谐波并削弱无用谐波。谐波函数调制极将气隙磁场调控策略集成于电机本体结构，实现气隙磁场内谐波分布畸变的有效抑制，提升转矩特性并扩大电机运行特性。谐波函数型磁场调制电机具有工作谐波幅值高，谐波分布畸变小，机电能量转换效率高，可实现电机全运行范围内高输出转矩、低转矩脉动高效平稳运行、电机结构简单、电机控制系统简单、易制造装配、工业应用广泛等优点。

技术领域

本发明涉及永磁磁场调制电机领域，具体的是一种谐波函数型磁场调制电机。

背景技术

伴随着中国经济实力与人民生活水平的提升，我国已经从经济高速增长时代进入了节能减排、能源可持续发展的绿色经济时代。电机作为最主要的机电能量转换装置，能够生产清洁可再生能源或提供驱动力，广泛应用于生产生活中，因此，强化高效电机设计技术与结构创新对推动绿色发展具有重大意义。

随着永磁材料性能的提升与其工业应用前景的扩展，永磁电机以高效、高功率密度及运行可靠等优点已取代传统电励磁电机广泛应用于航天、航海及交通运输等领域。在工程上，大部分永磁电机驱动系统采用“高速电机+机械齿轮”的组合，以提高电机的转矩密度。然而，这样的组合会带来摩擦损耗大、转动惯量大、动态性能差以及运行可靠性低等一系列问题。为了解决这些问题，电机研究人员将磁齿轮与永磁电机相结合，提出了磁场调制电机，其基于“磁齿轮效应”，电机内转速较高的电枢磁场可以被调制成转速较低的谐波磁场，与极对数少的旋转磁场耦合产生大输出转矩，因此磁场调制电机具有低速大转矩的特点，并有效提高了电机驱动系统转矩密度，受到了国内外学者的广泛关注。

磁场调制电机气隙磁场中基波可被调制为若干个工作谐波，以产生输出转矩，实现机电能量转换，但是，无用谐波数量及幅值也会随之升高，导致气隙磁场谐波分布畸变变大，不可避免地造成电机内磁场利用率低及输出转矩质量低等问题，限制了磁场调制电机的工业应用前景。

综合已发表的文献来看，目前国内外电机研究人员从励磁结构、绕组、辅助齿结构和电机结构组合等方面改进磁场调制电机拓扑结构以提升输出转矩，常见以下问题：1)电机拓扑结构复杂，导致电机装配困难、机械强度低；2) 引起更为严重的谐波分布畸变，导致电机的齿槽转矩及转矩脉动增大，降低电机运行的平稳性；3)采用定子永磁励磁的电机输出转矩能力差，且易造成因温升高导致的永磁体不可逆退磁，降低电机的可靠性。

为了解决谐波分布畸变大的问题，增强工作谐波并削弱无用谐波，提升输出转矩质量，突破制约磁场调制电机发展的瓶颈，本项目提出新型的谐波函数型磁场调制电机，抑制调制磁场内谐波分布畸变。对谐波函数型磁场调制电机进行初步分析，电机电磁性能优越，具有重要的理论探索价值和广阔的工程应用前景，并为磁场调制电机的优化提供理论基础。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种谐波函数型磁场调制电机，本发明通过提供一种结构简单，输出转矩高且转矩脉动低，在全运行范围内高效平稳运行的谐波函数型磁场调制电机，实现气隙磁场内谐波分布畸变的抑制，提升转矩特性并扩大电机运行特性，可克服传统磁场调制电机齿槽转矩与转矩脉动大的缺点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种谐波函数型磁场调制电机，包括转子、调制环和定子，所述转子包括轴、转子铁心、永磁极和铁心极，所述调制环包括谐波函数调制极和端环，所述定子包括定子齿、定子轭、绕组和绕组端部；

所述谐波函数调制极呈梯形函数型、正弦函数型、弧边梯形函数型任一特殊几何形状，用于调制电机内气隙磁场并调控谐波分布。

进一步地，所述谐波函数调制极以谐波函数对传统矩形调制极进行削极，谐波函数根据调制磁场谐波分布特征建立，用于增强气隙磁场内工作谐波并削弱无用谐波。