專利名稱：一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Halbach盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，屬于特種電機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的磁齒輪包括內(nèi)外兩層氣隙、內(nèi)外同心的轉(zhuǎn)子和中間用來調(diào)節(jié)磁場的調(diào)磁環(huán)。盤式外轉(zhuǎn)子永磁游標(biāo)電機是最近提出的一種電機，通過定子上磁通調(diào)制極的引入，省去了傳統(tǒng)磁齒輪復(fù)合電機中的內(nèi)轉(zhuǎn)子以及獨立的調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，使得裝置結(jié)構(gòu)更為簡單，解決了機械齒輪傳動系統(tǒng)噪聲高、效率低、傳輸精度低、響應(yīng)慢、機械磨損等問題。盤式電機具有其獨特的優(yōu)點，同時磁齒輪的概念逐步得到推廣，其應(yīng)用范圍也將不斷擴大，此處將盤式電機與磁齒輪相結(jié)合，并進(jìn)行改進(jìn)，形成一種盤式永磁游標(biāo)電機，其具有如下優(yōu)點
(1)盤式電機具有運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、效率高和無級調(diào)速等特點，尤其體積小和重量輕，特別適用于對體積和重量有苛刻要求的場合以及低速電機中。(2)鏡像對稱的電機結(jié)構(gòu)，較大程度抵消了定子與兩側(cè)轉(zhuǎn)子間的單邊磁拉力，同時還可提高電機的容量。(3)將磁齒輪引入到盤式電機中組成復(fù)合電機，這種結(jié)構(gòu)通過磁齒輪實現(xiàn)一定的速度變比，無需配備減速機構(gòu)。同時，由于磁齒輪噪聲低、免維修、可靠性高、轉(zhuǎn)矩傳輸能力大、過載自動保護等優(yōu)點。電機的高密度設(shè)計使得電機單位體積的損耗和發(fā)熱量增大，導(dǎo)致電機各部份溫度升高、轉(zhuǎn)子永磁體的內(nèi)稟矯頑力下降和加速永磁磁鋼累積退磁效應(yīng)的進(jìn)程。圓柱形電機的結(jié)構(gòu)特點限制了其散熱的能力，但是盤式電機中盤形的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提供了一個較大的散熱面，有利于電機散熱，從而為電機功率密度的增加提供了空間，同時將磁齒輪融合到盤式電機中，可有效地提高可靠性，降低噪聲，并支持過載自動保護。另外，本裝置外轉(zhuǎn)子永磁體采用特殊的Halbach陣列，通過調(diào)整永磁體寬度以及 Halbach永磁陣列的充磁方向，可以獲得提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。因此，有必要提出一種Halbach盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機裝置。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明通過提出一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，解決了一般盤式電機漏磁及軛部磁密大等問題，該裝置在外轉(zhuǎn)子永磁體上采用特殊的Halbach永磁陣列， 從而可以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，減少轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。同時，盤式電機結(jié)構(gòu)的應(yīng)用解決了圓柱形徑向電機冷卻困難和鐵心禾Ij用率低等問題， 并具有較高的功率密度。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，該電機包括支承軸、軸承、外轉(zhuǎn)子、夾設(shè)在外轉(zhuǎn)子中的定子、設(shè)置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒、磁通調(diào)制極、開設(shè)在定子上的定子槽、機殼；
外轉(zhuǎn)子與機殼合為一體，外轉(zhuǎn)子通過軸承與支撐軸轉(zhuǎn)動連接；外轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子軛鐵心和永磁體，轉(zhuǎn)子軛鐵心固定在機殼上，永磁體沿圓周方向等距離嵌放在轉(zhuǎn)子軛鐵心上；
定子采用盤式開槽嵌入式結(jié)構(gòu)，定子齒上設(shè)有磁通調(diào)制極，磁通調(diào)制極之間是非導(dǎo)磁的空氣隙，繞組嵌放在定子槽中；定子及外轉(zhuǎn)子在軸向上呈鏡像對稱結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，外轉(zhuǎn)子與定子之間有氣隙。優(yōu)選的，外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)r^與電樞繞組極對數(shù)np之和為磁通調(diào)制極的個數(shù)ns。優(yōu)選的，永磁體材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。優(yōu)選的，轉(zhuǎn)子軛鐵心和定子材料均為硅鋼，支承軸和軸承材料為不導(dǎo)磁材料。有益效果
(1)省去了機械變速齒輪箱，但卻可以獲得較大的機械轉(zhuǎn)矩，不存在齒輪箱的機械磨損、維護和噪音問題，提高了裝置可靠性，同時減小電機的體積，降低了重量和驅(qū)動系統(tǒng)制造成本；
(2)該盤式電機加工工藝簡單，穩(wěn)定性及可靠性得到提高；
(3)電機中有更多的磁力線通過氣隙，因此氣隙磁通密度的有效諧波成份值比普通磁場調(diào)制式永磁電機高，輸出轉(zhuǎn)矩增大；
(4)電機轉(zhuǎn)子磁軛磁通密度可以大量減少，這將減少轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯損耗，縮小轉(zhuǎn)子軛部大小，節(jié)省材料；
(5)外轉(zhuǎn)子永磁體之間通過鐵心隔離，阻斷了各永磁體中渦流電流的相互流動，降低了轉(zhuǎn)子永磁體中的渦流損耗；
(6)轉(zhuǎn)子采用高磁能積釹鐵硼勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，無需外加電源勵磁，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕、功率密度高、效率高以及可靠性好等優(yōu)點。盤式結(jié)構(gòu)提供較大的散熱面，較徑向電機具有較好的冷卻效果，具有較高的鐵心利用率，也具有較大的功率密度。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中有支承軸1、軸承2、磁通調(diào)制極3、外轉(zhuǎn)子4、定子5、永磁體6、轉(zhuǎn)子軛鐵心7、 定子槽8、機殼9、定子齒10。圖2為本發(fā)明中定子部分示意圖。其中有磁通調(diào)制極3、定子槽8、定子齒10。圖3為本發(fā)明中轉(zhuǎn)子永磁體的充磁方向示意圖。其中有永磁體6、轉(zhuǎn)子軛鐵心7.永磁體6每個極被分成三份，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大的功率輸出。圖4為本發(fā)明中外轉(zhuǎn)子及定子沿徑向剖開然后拉直后的詳細(xì)展開示意圖。其中有磁通調(diào)制極3、外轉(zhuǎn)子4、定子5、永磁體6、轉(zhuǎn)子軛鐵心7、定子槽8、定子齒 10。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明涉及一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，它通過電機定子上磁通調(diào)制極的磁場調(diào)制作用，能在保證磁齒輪復(fù)合電機優(yōu)點的同時省去傳統(tǒng)磁齒輪結(jié)構(gòu)中獨立的調(diào)磁環(huán)以及磁齒輪的一個內(nèi)轉(zhuǎn)子，解決了傳統(tǒng)電機低速運行體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，同時外轉(zhuǎn)子永磁體采用特殊的Halbach永磁陣列，減少轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度，降低鐵心損耗，可減小電機體積，提高功率密度。參見圖1 一 4，本發(fā)明提供的盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，該電機包括支承軸1、 軸承2、外轉(zhuǎn)子4、夾設(shè)在外轉(zhuǎn)子4中的定子5、設(shè)置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒 10、磁通調(diào)制極3、開設(shè)在定子上的定子槽8、機殼9 ；
外轉(zhuǎn)子4與機殼9合為一體，外轉(zhuǎn)子4通過軸承2與支撐軸1轉(zhuǎn)動連接；外轉(zhuǎn)子4包括轉(zhuǎn)子軛鐵心7和永磁體6，轉(zhuǎn)子軛鐵心7固定在機殼9上，永磁體6沿圓周方向等距離嵌放在轉(zhuǎn)子軛鐵心7上；
定子5采用盤式開槽嵌入式結(jié)構(gòu)，定子齒10上設(shè)有磁通調(diào)制極3，磁通調(diào)制極3之間是非導(dǎo)磁的空氣隙，繞組嵌放在定子槽8中；定子5及外轉(zhuǎn)子4在軸向上呈鏡像對稱結(jié)構(gòu)。外轉(zhuǎn)子4與定子5之間有氣隙。外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)與電樞繞組極對數(shù)np之和為磁通調(diào)制極3的個數(shù)ns。永磁體6材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。轉(zhuǎn)子軛鐵心7和定子5材料均為硅鋼，支承軸1和軸承2材料為不導(dǎo)磁材料。
定子電樞繞組磁場極對數(shù)與永磁體極對數(shù)之比即為該裝置可實現(xiàn)的速度變比。通過適當(dāng)選擇電機的外轉(zhuǎn)子上永磁體極對數(shù)和磁通調(diào)制極的個數(shù)，可應(yīng)用于不同需要的低速直驅(qū)場合。盤式電機的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)矩-能量比和功率密度。此外，電機外轉(zhuǎn)子上采用Halbach陣列，通過調(diào)整永磁體寬度以及Halbach永磁陣列的充磁方向，和徑向充磁普通磁場調(diào)制式永磁電機相比，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。本發(fā)明公開了一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，該電機是基于磁場調(diào)制原理的盤式永磁游標(biāo)電機。它通過電機定子上磁通調(diào)制極的作用，省去傳統(tǒng)磁齒輪復(fù)合電機中的獨立調(diào)磁環(huán)部件以及磁齒輪的一個內(nèi)轉(zhuǎn)子，解決了傳統(tǒng)電機低速運行體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。同時外轉(zhuǎn)子永磁體采用特殊的Halbach永磁陣列，減少轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度，降低鐵心損耗。磁通調(diào)制極的個數(shù)ns等于外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)r^加電樞繞組極對數(shù)np，定子電樞繞組磁場極對數(shù)與永磁體極對數(shù)之比即為該電機可實現(xiàn)的速度變比。通過適當(dāng)選擇電機外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)和磁通調(diào)制極的個數(shù)，可應(yīng)用于不同的需要低速直驅(qū)的場合。電機外轉(zhuǎn)子永磁體采用Halbach永磁陣列，通過調(diào)整永磁體寬度以及充磁方向，和徑向充磁普通磁場調(diào)制式永磁電機相比，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。當(dāng)定子電樞繞組通以一定頻率的交流電時，電樞繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場角速度為辟，通過磁通調(diào)制極的磁場調(diào)制作用，在氣隙中產(chǎn)生一個調(diào)制波磁場，其旋轉(zhuǎn)角速度為-約，該磁場與外轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，帶動外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過改變通入繞組電流的頻率從而實現(xiàn)不同的角速度^，進(jìn)而得到不同的外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度- 實現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動。卿 2為速度變比，等于外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)與定子電樞繞組產(chǎn)生的磁場極對數(shù)之比。本發(fā)明是盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，外轉(zhuǎn)子永磁體極極對數(shù)與電樞繞組極對數(shù)np之和等于磁通調(diào)制極3的個數(shù)ns，磁通調(diào)制極3代替了普通磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)，用來進(jìn)行磁場調(diào)制。該電機的定子5及外轉(zhuǎn)子4在軸向上呈鏡像對稱結(jié)構(gòu)。另外，定子電樞繞組磁場極對數(shù)與永磁體極極對數(shù)之比即為該裝置可實現(xiàn)的速度變比。本發(fā)明的基本原理為磁齒輪調(diào)磁環(huán)的空間磁場調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞能量，該裝置既可以運行在電動狀態(tài)，也可以運行在發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)該裝置運行在電動狀態(tài)時，定子電樞繞組中通以一定頻率的交流電，電樞繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場角速度為%，經(jīng)過磁通調(diào)制極的調(diào)制作用，在氣隙中產(chǎn)生一個調(diào)制波
磁場，其旋轉(zhuǎn)角速度為-巧，該磁場與外轉(zhuǎn)子處的永磁體相互作用，帶動外轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)， 負(fù)號表示調(diào)制波磁場與電樞繞組磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反。通過改變電樞電流的頻率從而實現(xiàn)不同的角速度^，進(jìn)而得到不同的外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動。礙約為速度變比，等于外轉(zhuǎn)子永磁極對數(shù)r^與定子電樞繞組磁場極對數(shù)np之比。因此，該裝置可應(yīng)用在需要低速大轉(zhuǎn)矩的場合，滿足在低速時對較大轉(zhuǎn)矩輸出的要求。當(dāng)該裝置運行在發(fā)電狀態(tài)時，外轉(zhuǎn)子以角速度-禮旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過磁通調(diào)制極的調(diào)制
作用，調(diào)制出以角速度 !旋轉(zhuǎn)的匝鏈定子的磁場，該磁場與電機定子繞組產(chǎn)生相對運動，
切割繞組導(dǎo)線產(chǎn)生電能。卿^為速度變比，等于外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)η,與定子電樞繞組磁場極對數(shù)ηρ之比。通常情況下，外轉(zhuǎn)子永磁體數(shù)r^大于定子磁場極對數(shù)ηρ，所以這可實現(xiàn)電機在低速條件下發(fā)電運行，故本裝置也可應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電的場合。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，其特征在于該電機包括支承軸(1)、軸承 O)、外轉(zhuǎn)子(4)、夾設(shè)在外轉(zhuǎn)子(4)中的定子(5)、設(shè)置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒(10)、磁通調(diào)制極(3)、開設(shè)在定子上的定子槽(8)、機殼(9)；外轉(zhuǎn)子(4)與機殼(9)合為一體，外轉(zhuǎn)子(4)通過軸承(2)與支撐軸(1)轉(zhuǎn)動連接；外轉(zhuǎn)子(4 )包括轉(zhuǎn)子軛鐵心(7 )和永磁體(6 )，轉(zhuǎn)子軛鐵心(7 )固定在機殼(9 )上，永磁體(6) 沿圓周方向等距離嵌放在轉(zhuǎn)子軛鐵心(7)上；定子(5)采用盤式開槽嵌入式結(jié)構(gòu)，定子齒(10)上設(shè)有磁通調(diào)制極(3)，磁通調(diào)制極 (3)之間是非導(dǎo)磁的空氣隙，繞組嵌放在定子槽(8)中；定子(5)及外轉(zhuǎn)子(4)在軸向上呈鏡像對稱結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，其特征在于外轉(zhuǎn)子(4)與定子(5)之間有氣隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，其特征在于外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)r^與電樞繞組極對數(shù)np之和為磁通調(diào)制極(3)的個數(shù)ns。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，其特征在于永磁體(6)材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，其特征在于轉(zhuǎn)子軛鐵心 (7)和定子(5)材料均為硅鋼，支承軸(1)和軸承(2)材料為不導(dǎo)磁材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盤式低速大轉(zhuǎn)矩永磁游標(biāo)電機，該電機包括支承軸(1)、軸承(2)、外轉(zhuǎn)子(4)、夾設(shè)在外轉(zhuǎn)子(4)中的定子(5)、設(shè)置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒(10)、磁通調(diào)制極(3)、開設(shè)在定子上的定子槽(8)、機殼(9)；外轉(zhuǎn)子(4)與機殼(9)合為一體，外轉(zhuǎn)子(4)通過軸承(2)與支撐軸(1)轉(zhuǎn)動連接；外轉(zhuǎn)子(4)包括轉(zhuǎn)子軛鐵心(7)和永磁體(6)，轉(zhuǎn)子軛鐵心(7)固定在機殼(9)上，永磁體(6)沿圓周方向等距離嵌放在轉(zhuǎn)子軛鐵心(7)上；定子(5)采用盤式開槽嵌入式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。
文檔編號H02K21/12GK102570750SQ201210013800
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者樊英, 薛鐘兵, 韓學(xué)棟, 魏夢颯 申請人:東南大學(xué)