全谐波转矩永磁同步电机的研究

With the continuous development of electic vehicle and intelligent robot technology, better torque performance of permanent magnet motor are required, study in high torque density motor has become an important topic. Currently, external means such as：optimization of electromagnetic parameters, adopting new motor structure，new materials and new craft are the major ways to improve the motor torque density. However, analysis and research at physical essence of electromagnetic torque generating is less. In view of this, a harmonic torque of permanent magnet motor is proposed. On the basis of the existing materials and structure of permanent magnet motor, through the improvement of stator winding and optimization of control strategy，stator rotating magnetic field abundant of harmonic is produced, which constantly maintain a orthogonal phase relationship with the permanent magnet rotor magnetic field. In basic requirement of electromagnetic torque maximization, the harmonic magnetic field of permanent magnet synchronous motor has been fully used in producing steady electromagnetic torque, and the purpose of improving torque density has been achieved. In this project, characteristics of the harmonic torque permanent magnet motor，mathematical model，design method，structure of the stator winding, current control method，rotor loss and its restrain and torque fluctuation and its suppression are studied. Finally，prototype engine has been developed，and the validity of the structure design and control algorithm have been verified by experiments.

随着电动汽车及智能机器人技术的不断发展，对其驱动用永磁电机的转矩性能提出了更高的要求，研究高转矩密度电机成了电机学科的重要课题。目前主要是通过优化电磁设计参数、采用新型电机结构和新材料、新工艺等外部手段来提高电机转矩密度，而从电磁转矩产生的物理本质层面进行分析和研究较少。鉴于此，本项目提出了全谐波转矩永磁电机。在现有永磁电机材料和结构的基础上，通过对电机定子绕组改进和优化控制，使其产生富含谐波的定子旋转磁场，并与永磁转子磁场实时保持正交的相位关系，在满足电磁转矩最大化基本条件下，充分利用永磁同步电机的谐波磁场产生稳定的电磁转矩，从而达到提高转矩密度的目的。项目主要研究全谐波转矩永磁电机特性、数学模型和设计方法、定子绕组结构和电流控制方法、转子损耗及其抑制、转矩波动及其抑制，最后制作样机进行实验研究，验证设计和控制算法的有效性。

电力驱动与伺服技术是国民经济和国防建设的重要支撑技术，它在数控机床、工业机器人、机械手等工业产品和磁悬浮列车、电动汽车、舰船电力驱动以及武器装备等领域的作用日显重要 。伺服驱动电机是电力驱动与伺服技术的关键核心部件，而其转矩特性又直接决定了产品的性能。随着产品升级和技术的发展，在工业机器人和电动汽车驱动等工业领域迫切需要转矩密度高、过载能力强的伺服驱动电机，因此提高电机转矩密度是电机学科的重要研究课题。鉴于此，本项目提出了全谐波转矩永磁电机。在现有永磁电机材料和结构的基础上，通过对电机定子绕组改进和优化控制，使其产生富含谐波的定子旋转磁场，并与永磁转子磁场实时保持正交的相位关系，在满足电磁转矩最大化基本条件下，充分利用永磁同步电机的谐波磁场产生稳定的电磁转矩，从而达到提高转矩密度的目的。项目主要研究（1）全谐波转矩永磁电机特性、数学模型，从基本电磁定律出发推导、建立电机的数学模型；探求电机特性，特别是电磁转矩与结构、电气参数和控制方法之间的内在关系，得到了全谐波磁场条件下，电机电磁转矩的计算方法（2）设计方法、定子绕组结构，从基本电磁规律出发，探求绕组拓扑与定子磁场波形之间的关系、绕组参数对磁场波形的影响；研究新型定子绕组的设计和计算方法；研究产生旋转全谐波磁场的新型驱动器拓扑结构；研究新型绕组结构下电流换向的控制方法，使定子磁场与转子磁场保持正交同步（3）最后制作样机进行实验研究，验证设计和控制算法的有效性。本项目从电磁转矩产生的本质上寻求提高转矩密度的理论和方法，通过充分利用永磁电机固有谐波磁场提高电磁转矩。与其它高转矩密度电机相比，全谐波转矩电机电磁转矩提升机理最直接，代价最低；项目成果并紧密结合交流永磁电机领域的实际需求，突破传统电机设计理念，可望提高交流永磁电机的转矩密度，促进交流永磁电机的推广应用，可带来明显的社会效益和经济效益。