磁力变速永磁无刷电机(又称复合电机)是集磁场调制式磁力齿轮与永磁无刷电机为一体的新型电机,是低速大转矩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存在体积大、转矩密度不够高的发展瓶颈。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。为消除磁力齿轮气隙谐波磁场的负面影响、获得高效优质的运行性能,本文以磁力变速永磁无刷电机为研究对象,开展基础科学研究。具体工作如下:第一,本文提出的磁通解耦型磁力变速永磁无刷电机,利用Halbach永磁体阵列的聚磁和自屏蔽效应,巧妙实现了磁力齿轮和电机主磁通相互解耦,解决了磁力齿轮谐波磁场负面干扰问题。磁力齿轮和永磁无刷电机可分别独立进行优化设计。电机极对数的选取不受磁力齿轮高速转子极对数的牵制,电机极槽数可按优化原则自由选择。为了充分发挥解析法和有限元法各自的优势,本文提出了解析法优化预设计、有限元法精确优化设计的方法。第二,采用全局解析法进行Halbach阵列磁场调制式磁力齿轮的磁场分析和磁力齿轮预设计,随后借助有限元法进行磁力齿轮转子轭部、调磁环优化和永磁体退磁校核。需特别指出的是,本文在调磁铁块之间加入连接桥,并在调磁铁块两侧开半圆槽,调磁环加工采用环氧树脂整体浇筑工艺,极大增强了磁力齿轮的机械强度。第三,复合电机为双定子、双转子结构,转子同心度对电机性能有直接影响。为分析转子偏心状态下的不平衡磁拉力,本文建立了定子开槽表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场全局解析模型。充分发挥解析法计算迅速、参数调整方便的优势,确定了转子偏心不平衡磁拉力较小的偶数槽方案。解析结果和有限元结果一致性较好,验证了解析模型的准确性。第四,采用全局解析法进行Halbach阵列永磁电机的预设计,由解析法确定电机极槽数、Halbach每极分块数、气隙直径等参数;然后借助有限元法进行转子轭部、磁极厚度、定子齿宽、定子轭部厚度、齿靴厚度和槽口宽度等优化。电机输出电磁转矩与磁力齿轮高速转子转矩容量相匹配,确定空载感应电动势谐波分量小、齿槽转矩小、输出转矩大的设计方案。第五,复合电机感应电动势为正弦波,采用正弦波驱动方式能获得更高品质的转矩输出。本文将磁力齿轮磁场解析模型与MATLAB电机仿真模块相结合,建立了Simulink-解析法场路耦合双闭环控制系统联合仿真模型,实现了复合电机SVPWM控制下的动态仿真。仿真结果表明,复合电机输出转速和转矩能够准确跟随给定值,其特有的过载自保护能力,极大地提高了电机运行的安全性。第六,本文采用了解析法进行复合电机预设计,使用了有限元法处理非线性和复杂边界问题,完成了复合电机的电磁优化设计和机械结构设计,研制了一台150 Nm/50 rpm的磁通解耦型磁力变速永磁无刷电机样机,搭建了复合电机双闭环控制系统试验平台,并进行了空载和负载试验测试。试验结果表明,复合电机运行效率和功率因数可达88.7%和0.9,实测转矩密度达到43 k Nm/m3,满足低速大转矩电机的基本要求。随着电机驱动与控制在军用与民用领域的推广,全电化驱动概念必将在大型运输装置应用中逐渐变成现实。本文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。