CN113890294A - 一种电流调制型同心磁齿轮结构及其电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电流调制型同心磁齿轮结构及其电流控制方法。包括：内外转子轭铁、内外转子永磁体和电流调制块；电流调制块为圆柱形，由硅钢片叠装而成，固定不产生自转，圆周表面等间距地开设面积相等的槽；在槽中布置轴线正交的两套绕组，即直轴绕组和交轴绕组，在磁齿轮运转过程中，两套绕组中通入随内、外转子和调制环相对位置变化的交变电流，产生顺应内、外转子永磁体形成的磁场分布的基波磁动势。电流调制型同心磁齿轮在硅钢片调制块上增加励磁功能，模拟旋转磁化圆筒调制型磁齿轮增强调制的作用，在提升转矩传递能力的同时，避免大量旋转磁化圆筒自转产生的风摩耗，并消除其永磁体上产生的涡流损耗，从而保持磁齿轮较高的效率和可靠性。

Description

一种电流调制型同心磁齿轮结构及其电流控制方法
技术领域
本发明涉及同心磁齿轮技术领域，尤其涉及一种电流调制型同心磁齿轮结构及其电流控制方法。
背景技术
同心式磁齿轮内转子永磁体和外转子永磁体产生不同极对数的基波磁动势，两转子之间的调制环由交替布置的硅钢片调制块和非导磁材料构成，在空间上形成交变的磁导分布。同心式磁齿轮的调制环结构满足：
ns＝pi+po
其中，ns是电流调制块的个数，pi和po分别是内转子永磁体和外转子永磁体的极对数。内转子永磁体和外转子永磁体的基波磁动势经过上述调制环交变磁导的调制作用，分别产生与对侧转子磁极对数相等的谐波磁场。当内转子和外转子反向旋转，并且转速之比等于外转子和内转子的极对数之比时，两个转子之间就能形成稳定的转矩传递。这一比值就是同心式磁齿轮的传动比G，即：
Figure BDA0003324323480000011
其中，ni和no分别是内、外转子的转速。
由于调制环的作用，在任意时刻所有的永磁体均参与转矩传递，这使同心式磁齿轮具有较高的永磁体利用率和转矩密度。因此，调制环是保证同心式磁齿轮正常工作，并形成上述突出优势的关键部件之一。在同心式磁齿轮技术领域，常通过优化永磁体的充磁方式和布置方式、优化调制环的形状或构造等进一步提升转矩密度。
现有技术中的一种调制环的改进方法包括：采用可自转的磁化圆筒代替固定的硅钢片调制块。每个圆筒式调制块的表面套着一个一对极的平行充磁永磁体环，并且中心装有导磁的转轴。在磁齿轮运转过程中，对应内、外转子和调制环的每一个相对位置，各磁化圆筒会在磁力的作用下自转到一个平衡位置。这样，磁化圆筒不仅利用其导磁特性对内转子永磁体和外转子永磁体的基波磁动势产生调制作用，而且还依靠其装有的永磁体加强这种调制作用，使转矩密度得到很大的提升。
上述现有技术中的一种调制环的改进方法的缺点为：相比于采用传统调制环构造的磁齿轮，采用自转磁化圆筒的磁齿轮虽然提高了转矩密度，但永磁体的用量和旋转机构的数量大大增加，使装置的成本显著增加；另外，磁化圆筒比硅钢片调制块产生更多的电磁损耗，并且大量的磁化圆筒在自转中还产生相当大的风摩耗，这些损耗使旋转磁化圆筒调制型磁齿轮的效率远不如传统的硅钢片调制型磁齿轮。
发明内容
本发明的实施例提供了一种电流调制型同心磁齿轮结构及其电流控制方法，以实现同心磁齿轮的效率和可靠性的有效提升。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种电流调制型同心磁齿轮结构，包括：外转子轭铁、外转子永磁体、内转子永磁体、内转子轭铁和电流调制块；在电流调制块的圆柱形圆周表面等间距地开设面积相等的槽，所述电流调制块由开槽的圆形硅钢片叠装而成，并且固定不产生自转；在槽中布置轴线正交的两套绕组，即直轴绕组和交轴绕组，在磁齿轮运转过程中，两套绕组中通入随内、外转子和调制环相对位置变化的交变电流，产生顺应内转子永磁体、外转子永磁体形成的磁场分布的基波磁动势。
优选地，设直轴绕组为d轴绕组，交轴绕组为q轴绕组，每个电流调制块上的槽数Z为4的倍数；当采用单层绕组时，d轴和q轴绕组分别由
Figure BDA0003324323480000031
个分布放置的线圈串联而成，每个线圈的节距为
Figure BDA0003324323480000032
当采用双层绕组时，d轴和q轴绕组分别由两个线圈组串联或者并联而成，每个线圈组由
Figure BDA0003324323480000033
个分布放置的线圈串联而成，每个线圈的节距为
Figure BDA0003324323480000034
其中γ为满足
Figure BDA0003324323480000035
的整数。
优选地，每个电流调制块的d轴正方向为磁齿轮的轴心指向该电流调制块中心的方向，q轴正方向为d轴正方向逆时针旋转90°。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电流调制型同心磁齿轮结构的电流控制方法，适用于所述的电流调制型同心磁齿轮结构，所述方法包括：
在同心式磁齿轮第j个电流调制块的d轴和q轴绕组中分别通入随时间变化的电流idj(t)和iqj(t)，j＝1,2,…,ns，ns是电流调制块的个数，如果电流调制块采用单层绕组，则：
Figure BDA0003324323480000036
如果电流调制块采用双层绕组，则：
Figure BDA0003324323480000037
式中，F是每个电流调制块的d轴和q轴绕组提供的合成基波磁动势的幅值，αoj(t)是第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角，ns是电流调制块的个数，N1是绕组的串联总匝数，kd1是绕组的基波分布系数，kp1是绕组的基波短距系数。
优选地，所述的方法还包括：
建立一个与所述电流调制型同心磁齿轮结构相似的旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮，所述旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮与电流调制型同心磁齿轮具有相同的内外转子极对数和材料、调制块个数和直径、内转子直径、外转子内径和外径、内外转子永磁体厚度、内外气隙厚度、轴向长度，所述旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮采用能够自转的磁化圆筒作为调制块；
根据同心磁齿轮内、外转子随时间转到的不同位置，使电流调制块产生的基波磁动势方向与所述旋转磁化圆筒调制型磁齿轮模型的自转调制块磁动势方向一致，所述自转调制块磁动势的角度αoj(t)应使磁齿轮存储的磁场能量最小，通过求解一个无约束最优问题得到所述自转调制块磁动势的自转调制块磁动势的角度αoj(t)；
对所述旋转磁化圆筒调制型磁齿轮，设向量
Figure BDA0003324323480000041
其中，αj(t)为第j个自转调制块的任意基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角， j＝1,2,…,ns，该磁齿轮存储的磁场能量为：
Figure BDA0003324323480000042
其中，B和H分别为旋转磁化圆筒调制型磁齿轮内的磁感应强度和磁场强度；
采用优化算法求解使所述Wm达到最小值min{Wm(M(t))}时的所述自转调制块磁动势的角度αoj(t)，并作为第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角。
优选地，所述的方法还包括：
根据第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角αoj(t)，利用 idj(t)和iqj(t)的计算式计算得到各电流调制块的d轴和q轴绕组所需的电流值，在磁齿轮运转过程中，根据内、外转子和调制环的实时相对位置，控制各电流调制块的d轴和q轴电流值，使d轴和q轴电流值分别跟踪预先设定好的 idj(t)和iqj(t)值，从而提升磁齿轮转矩传递能力。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的电流调制型同心磁齿轮在硅钢片调制块上增加励磁功能，改被动调制为主动调制，可以增强调制效果，提升磁齿轮产生的最大转矩；电流调制型同心磁齿轮以固定的电流调制块代替带有永磁体的自转调制块，既能避免大量可旋转的磁化圆筒自转产生的风摩耗，也可以消除磁化圆筒上永磁体产生的涡流损耗，有利于磁齿轮效率和可靠性的提升。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮结构的截面示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮结构的单层绕组电流调制块结构截面示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮结构的双层绕组电流调制块结构截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮各电流调制块d轴和q轴方向的规定；
图4为本发明实施例提供的一种旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮截面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮运转中某时刻的内、外转子位置；
图6为本发明实施例提供的一种BFGS搜索磁齿轮运转中某时刻电流调制块基波磁动势方向的过程；
图7为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮1号电流调制块基波磁动势的方向随时间变化的曲线；
图8为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮1号电流调制块绕组电流随时间变化的曲线；
图9为本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮内、外转子电磁转矩随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
针对旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮的问题，本发明实施例公开了一种可提供磁动势的调制环的新构造，在提高同心式磁齿轮转矩密度的同时，避免旋转磁化圆筒产生的风摩耗和相应的效率损失。本发明实施例提供的一种电流调制型同心磁齿轮的截面示意图如图所示，包括外转子轭铁、外转子永磁体、内转子永磁体、内转子轭铁和电流调制块。内转子包括内转子轭铁和内转子永磁体，外转子包括外转子轭铁和外转子永磁体。在电流调制块上放置绕组并通入电流，以加强调制作用。在同心磁齿轮静止的圆柱形调制块圆周表面等间距地开设面积相等的槽,电流调制块由开槽的圆形硅钢片叠装而成，并且固定不产生自转；槽中嵌入导线，并连接成轴线正交的两套绕组，即直轴(d轴)绕组和交轴(q轴)绕组；在磁齿轮运转过程中，两套绕组中通入随内、外转子和调制环相对位置变化的交变电流，产生顺应内转子永磁体、外转子永磁体形成的磁场分布的基波磁动势。
每个电流调制块的开槽数Z为4的倍数，产生一对极的基波磁动势。如果电流调制块采用单层绕组，d轴和q轴绕组分别由
Figure BDA0003324323480000081
个分布放置的线圈串联而成，每个线圈以槽数表达的节距为
Figure BDA0003324323480000082
如果电流调制块采用双层绕组，d 轴和q轴绕组由两个线圈组串联或者并联而成，每个线圈组由
Figure BDA0003324323480000083
个分布放置的线圈串联而成，每个线圈以槽数表达的节距为
Figure BDA0003324323480000084
其中γ为满足
Figure BDA0003324323480000085
的整数。以电流调制块开24个槽为例，若d轴和q轴绕组采用单层结构，其布置如图2(a)所示；若d轴和q轴绕组采用双层结构，以γ＝1为例，其布置如图2(b)所示。
采用单层或具有不同γ值的双层绕组可以对电流调制块产生的谐波磁动势产生不同程度的抑制作用。在电流调制块的开槽和绕组布置设计中，将各电流调制块的d轴方向规定为磁齿轮轴心指向各电流调制块中心的方向，q轴方向为d轴方向逆时针旋转90°，如图3所示。
在磁齿轮的运转过程中，根据内、外转子和调制环的相对位置，在上述电流调制块绕组中的d轴和q轴绕组中输入一定波形的电流，以产生顺应内转子永磁体、外转子永磁体的磁场方向的基波磁动势，加强调制块的调制作用，实现更大的转矩传递能力。按照图1所示的电流调制块编号，第j个 (j＝1,2,…,ns，ns是电流调制块的个数)电流调制块的d轴和q轴绕组在某个时刻t分别需要通入电流idj(t)和iqj(t)。假设需要各电流调制块产生的顺应内转子永磁体、外转子永磁体产生的磁场的基波磁动势幅值为F，在时刻t需要第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角为αoj(t)，则idj(t)和 iqj(t)的大小可以根据F和αoj(t)设定。如果电流调制块采用单层绕组，按照图2(a)所示的电流参考方向设置，则：
Figure BDA0003324323480000091
如果电流调制块采用双层绕组，按照图2(b)所示的电流参考方向设置，则
Figure BDA0003324323480000092
其中，N1是绕组的串联总匝数，kd1是绕组的基波分布系数，kp1是绕组的基波短距系数。为尽可能地加强电流调制块对内转子永磁体、外转子永磁体磁场的调制作用，可以根据电流调制块绕组的冷却方式，在避免电流调制块绕组过热的前提下，尽可能设定较大的F值。αoj(t)的大小按照使各电流调制块产生的基波磁动势顺应内转子永磁体、外转子永磁体磁场方向的原则设定。
按上述原则，为获得不同时刻各电流调制块需要形成的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角αoj(t)，建立一个与本发明的电流调制型同心磁齿轮基本结构相似的旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮模型，如图4所示。这一同心式磁齿轮的内外转子极对数和材料、调制块个数和直径、内转子直径、外转子内径和外径、内外转子永磁体厚度、内外气隙厚度、轴向长度与需要确定αoj(t)的电流调制型同心磁齿轮完全一样，只是各个调制块采用可围绕各自轴线自由旋转的磁化圆筒代替开槽的硅钢片铁心，即旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮采用能够自转的磁化圆筒作为自转调制块。旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮在运转过程中，磁化圆筒随着内、外转子和调制环的相对位置变化而自转，对应每一个相对位置，各磁化圆筒会自转到一个平衡位置。根据相关的电磁理论，在这一平衡位置上，各磁化圆筒的基波磁动势方向顺应内、外转子永磁体产生的磁场分布，各磁化圆筒受到的磁力转矩作用为零，并且整个磁齿轮结构中存储的磁场能量最小。
对上述结构与本发明相似的旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮建立磁场分布有限元模型，为确定每一时刻t各磁化圆筒达到的平衡位置，采用优化算法尝试将各磁化圆筒摆放在不同的自转角度位置上，并采用有限元计算这些磁化圆筒位置条件下磁齿轮存储的磁场能量，直至优化算法收敛到最小磁场能量所对应的磁化圆筒自转位置。在优化算法搜索到的各磁化圆筒平衡位置条件下，各磁化圆筒基波磁动势与x轴的夹角就是对应的电流调制型同心磁齿轮电流调制块所要确定的αoj(t)，确定αoj(t)的过程可以由如下的数学形式表达。对旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮，设向量：
Figure BDA0003324323480000101
其中，αj(t)为图4中第j个调制块的任意自转角度(以基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角表达)。对应这些调制块自转角度，磁齿轮存储的磁场能量为：
Figure BDA0003324323480000102
其中，B和H分别为磁齿轮内的磁感应强度和磁场强度。采用优化算法和有限元方法，求解对应最小存储磁场能量min{Wm[M(t)]}的旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮调制块的自转角度向量
Figure BDA0003324323480000103
这些调制块自转角度就是对应的电流调制型同心磁齿轮中各电流调制块基波磁动势与x轴的夹角。
采用上述方法，在电流调制型同心磁齿轮的设计阶段计算出内、外转子和调制环各相对位置条件下各电流调制块基波磁动势与x轴的夹角αoj(t)，并根据idj(t)和iqj(t)的计算式得到各电流调制块d轴和q轴绕组所需的电流值。在磁齿轮运转过程中，根据内、外转子和调制环的实时相对位置，控制各电流调制块的d轴和q轴电流，使其分别跟踪预先设定好的idj(t)和iqj(t)值，从而加强调制作用，实现磁齿轮转矩传递能力的提升。
实施例二
下面结合一个设计实例，具体说明本发明的电流调制型同心磁齿轮的实施方案。此电流调制型同心磁齿轮设计的基本结构如图1所示，基本结构数据由表1给出。在每个电流调制块的24个槽中布置两套单层整距分布绕组，即d轴和q轴绕组，每套绕组占12个槽，如图2(a)所示。
表1
Figure BDA0003324323480000111
为加强调制块的调制作用，对应磁齿轮的内、外转子和调制环的不同相对位置，根据每个电流调制块绕组电流的计算式确定idj(t)和iqj(t)的实时值。首先根据电流调制块的冷却方式，设定槽内导体的最大安匝数，然后根据线圈的匝数和绕组的连接方式计算出d轴、q轴绕组的最大电流幅值和电流调制块产生的最大磁动势幅值。在本例中，设定每个槽内可以通入的电流最大安匝数为100，每个槽内的导体数(即每个线圈的匝数)为Nk＝10，则每个电流调制块d轴绕组电流idj(t)和q轴绕组电流iqj(t)的最大值都是10A，也就是：
Figure BDA0003324323480000121
对于本例中的绕组：
Figure BDA0003324323480000122
Figure BDA0003324323480000123
由此可得，每个电流调制块产生的最大磁动势幅值F＝689.76A。
为确定电流调制块绕组的实时电流值，还需要进一步确定idj(t)和iqj(t)计算式中的αoj(t)，也就是与该设计实例对应的旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮中，各旋转磁化调制块顺应内转子永磁体、外转子永磁体的磁场所达到的平衡自转角度。对磁齿轮运转过程中出现的内、外转子和调制环的每一个相对位置情况，采用优化算法尝试不同的磁化圆筒自转角度组合，并采用有限元方法计算这些自转角度组合条件下磁齿轮存储的磁场能量，直至存储的磁场能量收敛到最小值。此时得到的磁化圆筒自转角度就是电流调制型磁齿轮idj(t)和iqj(t)计算式中的αoj(t)。在本设计实例中，为搜索αoj(t)采用的优化算法是基于梯度的Broydon–Fletcher–Goldfarb–Shanno(BFGS)算法，此算法适合无约束的优化问题。考虑到电流调制型磁齿轮设计中这一优化问题的优化变量αoj(t)以360°为周期，可以认为αoj(t)∈(-∞,∞)，故此优化问题正是一个无约束的优化问题。
在idj(t)和iqj(t)的最大幅值为10A的条件下，按照上述方法计算图1和表1 给出的电流调制型同心磁齿轮运转中不同时刻的内、外转子和调制环相对位置下各电流调制块基波磁动势的方向角αoj(t)。以图5所示的磁齿轮运转中某时刻内、外转子和调制环的相对位置为例，采用BFGS算法和有限元方法，以对应的旋转磁化圆筒调制型磁齿轮存储的磁场能量最小为优化目标，计算得到这一相对位置条件下各电流调制块产生的基波磁动势与x轴的夹角如表2所示。BFGS优化过程中磁齿轮存储的磁场能量随迭代次数变化的曲线如图6所示，可以看到BFGS算法使M(t)逐渐收敛到对应磁场能量最小的Mo(t)。将BFGS 搜索到的αoj(t)代入idj(t)和iqj(t)的计算式，得到这一相对位置下各电流调制块的d轴和q轴绕组电流如表3所示。为评估电流调制型同心磁齿轮的运行性能，将内、外转子的转速分别设定为390r/min和60r/min，将外转子的初始位置按图1所示设定，而内转子设定为不同的初始位置，电流调制块d轴和q轴绕组的最大电流幅值设置为10A，采用BFGS算法和有限元方法按照上述设置计算出磁齿轮在不同负载条件下内、外转子相对于调制环转到不同位置时电流调制块电流的瞬时值和产生的电磁转矩。不同的内转子初始位置对应磁齿轮不同的负载大小。对应最大负载情况，图7和图8分别给出了1号电流调制块基波磁动势的方向角度和d轴、q轴绕组电流随时间变化的曲线，即αo1(t)、 id1(t)和iq1(t)；图9给出了忽略损耗条件下内、外转子的电磁转矩随时间变化的曲线，即Ti(t)和To(t)。
表2
Figure BDA0003324323480000131
Figure BDA0003324323480000141
表3
Figure BDA0003324323480000142
为说明电流调制型同心磁齿轮提升转矩传递能力的效果，建立一个与图1 和表1所示的电流调制型同心磁齿轮结构相似的单纯硅钢片调制型同心磁齿轮模型，该模型与电流调制型同心磁齿轮具有相同的内外转子极对数和材料、调制块个数和直径、内转子直径、外转子内径和外径、内外转子永磁体厚度、内外气隙厚度、轴向长度，唯一的区别是调制块采用不开槽、无绕组的硅钢片。将电流调制型同心磁齿轮的电流调制块绕组最大电流幅值设置为10 A，并忽略损耗，计算得到电流调制型和单纯硅钢片调制型同心磁齿轮在最大负载条件下的电磁转矩平均值如表4所示。可以发现，采用电流调制型结构及相应的电流调制块电流控制方法，磁齿轮的最大转矩显著提升。
表4
Figure BDA0003324323480000151
综上所述，本发明公开的电流调制型同心磁齿轮的有益效果包括：
(1)和传统的不开槽、无绕组硅钢片调制型同心磁齿轮相比，电流调制型同心磁齿轮在硅钢片调制块上增加励磁功能，改被动调制为主动调制，可以增强调制效果，提升磁齿轮产生的最大转矩；
(2)和旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮相比，电流调制型同心磁齿轮以固定的硅钢片电流调制块代替带有永磁体的自转调制块，既能避免大量可旋转的磁化圆筒自转产生的风摩耗，也可以消除磁化圆筒上永磁体产生的涡流损耗，有利于磁齿轮效率和可靠性的提升；
(3)和旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮相比，电流调制型同心磁齿轮避免在大量的调制块上使用永磁体，可以显著降低磁齿轮本体的制造成本。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电流调制型同心磁齿轮结构，其特征在于，包括：外转子轭铁、外转子永磁体、内转子永磁体、内转子轭铁和电流调制块；在电流调制块的圆柱形圆周表面等间距地开设面积相等的槽，所述电流调制块由开槽的圆形硅钢片叠装而成，并且固定不产生自转；在槽中布置轴线正交的两套绕组，即直轴绕组和交轴绕组，在磁齿轮运转过程中，两套绕组中通入随内、外转子和调制环相对位置变化的交变电流，产生顺应内转子永磁体、外转子永磁体形成的磁场分布的基波磁动势。
2.根据权利要求1所述电流调制型同心磁齿轮结构，其特征在于，设直轴绕组为d轴绕组，交轴绕组为q轴绕组，每个电流调制块上的槽数Z为4的倍数；当采用单层绕组时，d轴和q轴绕组分别由
Figure FDA0003324323470000011
个分布放置的线圈串联而成，每个线圈的节距为
Figure FDA0003324323470000012
当采用双层绕组时，d轴和q轴绕组分别由两个线圈组串联或者并联而成，每个线圈组由
Figure FDA0003324323470000013
个分布放置的线圈串联而成，每个线圈的节距为
Figure FDA0003324323470000014
其中γ为满足
Figure FDA0003324323470000015
的整数。
3.根据权利要求1所述电流调制型同心磁齿轮结构，其特征在于，每个电流调制块的d轴正方向为磁齿轮的轴心指向该电流调制块中心的方向，q轴正方向为d轴正方向逆时针旋转90°。
4.一种电流调制型同心磁齿轮结构的电流控制方法，其特征在于，适用于权利要求1至3任一项所述的电流调制型同心磁齿轮结构，所述方法包括：
在同心式磁齿轮第j个电流调制块的d轴和q轴绕组中分别通入随时间变化的电流idj(t)和iqj(t)，j＝1,2,…,ns，ns是电流调制块的个数，如果电流调制块采用单层绕组，则：
Figure FDA0003324323470000021
如果电流调制块采用双层绕组，则：
Figure FDA0003324323470000022
式中，F是每个电流调制块的d轴和q轴绕组提供的合成基波磁动势的幅值，αoj(t)是第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角，ns是电流调制块的个数，N1是绕组的串联总匝数，kd1是绕组的基波分布系数，kp1是绕组的基波短距系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：
建立一个与所述电流调制型同心磁齿轮结构相似的旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮，所述旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮与电流调制型同心磁齿轮具有相同的内外转子极对数和材料、调制块个数和直径、内转子直径、外转子内径和外径、内外转子永磁体厚度、内外气隙厚度、轴向长度，所述旋转磁化圆筒调制型同心磁齿轮采用能够自转的磁化圆筒作为调制块；
根据同心磁齿轮内、外转子随时间转到的不同位置，使电流调制块产生的基波磁动势方向与所述旋转磁化圆筒调制型磁齿轮模型的自转调制块磁动势方向一致，所述自转调制块磁动势的角度αoj(t)应使磁齿轮存储的磁场能量最小，通过求解一个无约束最优问题得到所述自转调制块磁动势的自转调制块磁动势的角度αoj(t)；
对所述旋转磁化圆筒调制型磁齿轮，设向量
Figure FDA0003324323470000031
其中，αj(t)为第j个自转调制块的任意基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角，j＝1,2,…,ns，该磁齿轮存储的磁场能量为：
Figure FDA0003324323470000032
其中，B和H分别为旋转磁化圆筒调制型磁齿轮内的磁感应强度和磁场强度；
采用优化算法求解使所述Wm达到最小值min{Wm(M(t))}时的所述自转调制块磁动势的角度αoj(t)，并作为第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：
根据第j个电流调制块的基波磁动势与磁齿轮x轴的夹角αoj(t)，利用idj(t)和iqj(t)的计算式计算得到各电流调制块的d轴和q轴绕组所需的电流值，在磁齿轮运转过程中，根据内、外转子和调制环的实时相对位置，控制各电流调制块的d轴和q轴电流值，使d轴和q轴电流值分别跟踪预先设定好的idj(t)和iqj(t)值，从而提升磁齿轮转矩传递能力。
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