中文摘要：

磁力变速永磁无刷电机是集同心式磁性齿轮与永磁无刷电机为一体的新型电机，是直驱电机研究领域的重大突破。高功率等级的单一型直驱电机遇到体积大、转矩密度不高的发展瓶颈。磁力变速永磁无刷电机利用磁力变速，形成结构紧凑型高转矩密度电机。但是，目前存在气隙谐波磁场导致损耗增加、效率下降的问题。本项目以磁力变速永磁无刷电机为研究对象，对消除磁性齿轮气隙谐波磁场的负面影响、获得高效优质运行性能开展基础科学研究。阐明磁力变速永磁无刷电机主磁通解耦的内在机理，创建双层正弦充磁永磁转子新结构；采用有限元与解析结合的方法计算磁力变速永磁无刷电机磁场，为优化设计提供依据；采用时步有限元解析结合法及迭代校正法进行电机-磁性齿轮、磁性齿轮-负载两级传动联合动态仿真。本项目研究将为磁力变速永磁无刷电机在低速直驱领域的实用化奠定良好的基础，对我国在此领域实现自主创新和赶超世界先进水平具有重要意义。

结论摘要：

本项目研究磁力变速永磁无刷电机主磁通解耦的原理与实现方法，以达到高性能低速大转矩直接电驱动的目的。本项目将磁力齿轮永磁无刷电机的内部磁场研究作为重点，采用了多种磁场分析方法。首先研究同心式磁力齿轮的磁场分析与优化设计方法。同心式磁力齿轮内部磁场分布复杂，而双气隙双转子结构对转子运转过程的磁场计算提出了高要求。本项目研究了磁力齿轮气隙磁场全局解析方法，准确计算常规充磁和正弦充磁同心式磁力齿轮的气隙磁场。在此基础上，利用解析模型参数化分析特点，将解析模型与全局优化遗传算法相结合，进行正弦充磁磁力齿轮的优化设计，参数变化区域设置完成后优化过程无需人工干预，实现了电磁场逆问题全程求解的自动化。气隙区域无网格的数值解析结合法实现了磁场计算的转子自由转动，应用于双转子不同转向不同步长的磁力变速永磁无刷电机的磁场计算非常有利。双层背靠背正弦充磁永磁转子的优化设计，获得了解耦效果好、转子体积小的两全方案。磁通解耦的实现可以使永磁无刷电机进行独立设计。本项目采用时步有限元法分析正弦充磁永磁无刷电机的动态过程，最后完成了磁通解耦磁力变速永磁无刷电机的电磁设计和结构设计。委托厂家加工了正弦充磁磁力齿轮、磁通解耦磁力变速永磁无刷电机样机。样机实验表明，正弦充磁磁力齿轮效率可达97%，转矩密度达57kNm/m3。磁通解耦磁力变速永磁无刷电机效率可达92%，取得了比较理想的结果。本项目提出磁通解耦的概念和方法，创造性地采用双层背靠背正弦充磁永磁转子结构，实现磁力齿轮与永磁无刷电机的磁通解耦。两者结构整合一体，内部磁场互不干扰，可按各自特点进行优化设计，从而达到总体最优。磁通解耦型磁力变速永磁无刷电机是低速大转矩直驱电机的重要发展方向。