基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，包括外轉(zhuǎn)子、永磁體、定子、電樞繞組、支撐軸以及軸承。外轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)上設(shè)置有等距排列的外轉(zhuǎn)子凸極并通過軸承與電機支撐軸轉(zhuǎn)動連接；定子通過電機支撐軸固定設(shè)置；永磁體貼于定子的定子齒的表面并與外轉(zhuǎn)子相對設(shè)置，外轉(zhuǎn)子凸極與永磁體之間有氣隙；電樞繞組繞制于定子的定子齒上并通交流電。該凸極式轉(zhuǎn)子上無永磁體，電機磁場由貼于定子齒表面的永磁體與繞制于定子齒上的勵磁繞組產(chǎn)生，一方面提高了電機的可靠性，另一方面也改進了傳統(tǒng)永磁電機磁場不可調(diào)的缺陷，具有混合勵磁型電機低速增磁、高速弱磁的優(yōu)點。
【專利說明】基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，屬于新型特種電機【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于對可靠性、調(diào)速性能要求較高的低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)應(yīng)用場合。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)生產(chǎn)中有許多需要變速驅(qū)動的場合，常采用的變速機械齒輪箱存在固有缺陷:噪聲大、機械磨損較嚴重、需要定期維護等。磁齒輪作為一種新型的依靠磁場耦合傳遞轉(zhuǎn)矩的非接觸式齒輪結(jié)構(gòu)，有效地改進了傳統(tǒng)機械齒輪的缺陷，具有噪聲低、可靠性高、免維護、過載自動保護的優(yōu)點。對比其他磁齒輪拓撲結(jié)構(gòu)，基于調(diào)磁諧波原理的同軸磁齒輪在工作時，所有的永磁體都參與轉(zhuǎn)矩傳遞，有效提高了永磁體利用率、轉(zhuǎn)矩密度。將同軸磁齒輪與永磁無刷外轉(zhuǎn)子電機相整合構(gòu)成的永磁復(fù)合電機通過磁齒輪進行變速驅(qū)動，完成轉(zhuǎn)矩傳遞，是一種適用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)應(yīng)用場合的新型電機。
[0003]傳統(tǒng)的基于磁齒輪的永磁復(fù)合電機主要可分為以下三種拓撲結(jié)構(gòu):
[0004](I)三氣隙結(jié)構(gòu)，即簡單地將電動機定子嵌入共軸磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子的中空部分，由內(nèi)至外排列分別為電動機內(nèi)定子、電動機外轉(zhuǎn)子、磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)、磁齒輪外轉(zhuǎn)子。其結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，加工工藝難度大，永磁體用量大，空間利用率低。
[0005](2)雙氣隙結(jié)構(gòu)，在三氣隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，省卻了電動機外轉(zhuǎn)子與磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子，減小了永磁體用量，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了空間利用率。
[0006](3)單氣隙結(jié)構(gòu)，在雙氣隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步用定子齒代替調(diào)磁環(huán)調(diào)制磁場，不僅使電機結(jié)構(gòu)更為緊湊，轉(zhuǎn)矩密度增大，且提高了定子的功能密度。
[0007]目前，上述傳統(tǒng)的基于磁齒輪的永磁復(fù)合電機已被廣泛學(xué)者運用到電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動場合。但分析發(fā)現(xiàn)，無論采用上述哪種結(jié)構(gòu)，電動機外轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時都易發(fā)生永磁體脫落情況，影響運行可靠性，降低了轉(zhuǎn)子的機械強度，限制了電機應(yīng)用場合。另外，由于傳統(tǒng)永磁電機僅由永磁體單獨勵磁，氣隙磁場無法調(diào)節(jié)，限制了電機的調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩輸出與容錯運行能力。
[0008]因此，有必要提出一種新型的電機拓撲結(jié)構(gòu)來解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有基于磁齒輪的永磁復(fù)合電機拓撲結(jié)構(gòu)的缺陷，提出一種具有較高轉(zhuǎn)子機械強度的新型電機拓撲結(jié)構(gòu)。
[0010]技術(shù)方案:一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，該電機包括外轉(zhuǎn)子、永磁體、定子、電樞繞組、支撐軸以及軸承；
[0011]所述外轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)上設(shè)置有等距排列的外轉(zhuǎn)子凸極；
[0012]所述外轉(zhuǎn)子通過軸承與電機支撐軸轉(zhuǎn)動連接；
[0013]所述定子通過電機支撐軸固定設(shè)置；
[0014]所述永磁體貼于定子的定子齒的表面；[0015]所述永磁體采用徑向磁化方式，且每一塊永磁體的大小、形狀相同,相鄰永磁體磁化方向相反；
[0016]所述電樞繞組繞制于定子的定子齒上并通交流電；
[0017]所述永磁體與外轉(zhuǎn)子相對設(shè)置，所述外轉(zhuǎn)子凸極與永磁體之間有氣隙；
[0018]所述外轉(zhuǎn)子的凸極個數(shù)Nr、定子的定子齒個數(shù)Nt、電樞繞組產(chǎn)生空間磁場的極對數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2。
[0019]作為本發(fā)明的改進，電機還包括勵磁繞組，所述勵磁繞組繞制于定子的定子齒上并通直流電，相鄰槽內(nèi)的勵磁繞組電流方向相反。
[0020]進一步的，所述定子的定子齒采用平行齒結(jié)構(gòu)。
[0021]進一步的，所述永磁體材料為釹鐵硼，所述外轉(zhuǎn)子和定子材料為硅鋼片。
[0022]進一步的，所述電樞繞組為三相雙層分布式繞組。
[0023]有益效果:該電機基于磁齒輪原理，實現(xiàn)將電樞繞組的高速磁場轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子側(cè)的低速旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)了自減速功能，省去了傳統(tǒng)機械變速齒輪箱。因此，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；同時也提高了電機轉(zhuǎn)速，減小電機的體積，重量和制造成本，使電機能在低轉(zhuǎn)速下提供較大的轉(zhuǎn)矩；
[0024]該電機采用定子勵磁型結(jié)構(gòu)，永磁體貼于定子的定子齒表面，轉(zhuǎn)子上無永磁體，相較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型結(jié)構(gòu)電機而言，該結(jié)構(gòu)能夠避免電動機外轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時發(fā)生永磁體脫落的情況；同時，其轉(zhuǎn)子加工工藝簡單，節(jié)約了成本，轉(zhuǎn)子的機械強度也更高；定子齒上表貼式永磁體的設(shè)計，使電機漏磁減少，從而減少了損耗；該電機以外轉(zhuǎn)子的凸極齒代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，既實現(xiàn)了磁場調(diào)制功能，具有傳統(tǒng)磁齒輪復(fù)合電機的優(yōu)點，也使得電機結(jié)構(gòu)更簡單，結(jié)構(gòu)更緊湊。
[0025]該電機利用轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)將靜止永磁體產(chǎn)生的磁場調(diào)制為定子側(cè)的諧波旋轉(zhuǎn)磁場。電樞繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場經(jīng)調(diào)制可轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子側(cè)的諧波旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子凸極個數(shù)Nr、定子鐵芯齒數(shù)Nt、電樞繞組極對數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2，利用最大幅值諧波磁場，在電樞繞組中感應(yīng)出最大諧波電動勢，使電機具有較高的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。
[0026]每個定子齒上都繞制有勵磁繞組，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小與方向可以實現(xiàn)低速增磁、高速弱磁的磁場調(diào)節(jié)作用。較傳統(tǒng)永磁電機而言，其轉(zhuǎn)矩輸出、調(diào)速能力更強，容錯能力也有所提聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]其中有:外轉(zhuǎn)子1、永磁體2、定子3、勵磁繞組4、電樞繞組5、支撐軸6、軸承7、外轉(zhuǎn)子凸極8、定子齒9。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0030]一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，包括外轉(zhuǎn)子1、永磁體2、定子3、勵磁繞組4、電樞繞組5、支撐軸6以及軸承7。外轉(zhuǎn)子I材料為硅鋼片并通過軸承7與電機支撐軸6轉(zhuǎn)動連接，外轉(zhuǎn)子I內(nèi)環(huán)上設(shè)置有等距排列的外轉(zhuǎn)子凸極8。定子3材料為硅鋼片并通過電機支撐軸6固定設(shè)置，定子3的定子齒9采用平行齒結(jié)構(gòu)。永磁體2材料為釹鐵硼，并貼于定子3的定子齒9表面；永磁體2米用徑向磁化方式,且每一塊永磁體的大小、形狀相同，相鄰永磁體磁化方向相反。電樞繞組5為三相雙層分布式繞組，繞制于定子3的定子齒9上并通交流電；勵磁繞組4同時也繞制于定子3的定子齒9上并通直流電，相鄰槽內(nèi)的勵磁繞組4電流方向相反。永磁體2與外轉(zhuǎn)子I相對設(shè)置，外轉(zhuǎn)子凸極8與永磁體2之間有氣隙。其中，外轉(zhuǎn)子I的凸極8個數(shù)Nr、定子3的定子齒9個數(shù)即永磁體2的塊數(shù)Nt、電樞繞組5產(chǎn)生空間磁場的極對數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2。
[0031]本發(fā)明的基本原理為磁齒輪的空間磁場調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞能量，該電機既可以運行在發(fā)電狀態(tài)，也可以運行在電動狀態(tài)。當(dāng)電機運行在發(fā)電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子凸極8代替了傳統(tǒng)磁齒輪的調(diào)磁環(huán)，將靜止永磁體2產(chǎn)生的磁場調(diào)制為定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)諧波磁場。外轉(zhuǎn)子I的凸極8個數(shù)Nr、定子3的定子齒9個數(shù)即永磁體2的塊數(shù)Nt、電樞繞組5產(chǎn)生空間磁場的極對數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2時，利用最大幅值諧波磁場，在電樞繞組5中感應(yīng)出最大諧波電動勢。當(dāng)外轉(zhuǎn)子I以機械角速度w2旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的定子側(cè)旋轉(zhuǎn)磁場機械角速度為wl,wl/w2 = Nr/(Nr-Nt/2)。根據(jù)應(yīng)用場合,可以通過選取不同的Nt和p來得到不同的速度變比。因此，該電機適用于風(fēng)力發(fā)電等低速發(fā)電場合。
[0032]當(dāng)電機運行在電動狀態(tài)時，定子電樞繞組5內(nèi)通一定頻率的三相正弦交流電，在定子側(cè)產(chǎn)生P對極的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)外轉(zhuǎn)子I的凸極8個數(shù)Nr、定子3的定子齒9個數(shù)即永磁體2的塊數(shù)Nt、電樞繞組5產(chǎn)生空間磁場的極對數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2時，永磁體產(chǎn)生的靜止磁場通過轉(zhuǎn)子凸極8的調(diào)磁作用，可感應(yīng)出與電樞繞組5對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)磁阻最小原理，凸極外轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場作用下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出，且其對應(yīng)極對數(shù)為Nr。因此可以通過選取不同的Nt和P來得到不同的速度變比以應(yīng)用于不同需要的低速直驅(qū)場合。
[0033]無論是電動運行還是發(fā)電運行，都可通過改變勵磁繞組電流大小和方向以實現(xiàn)增、弱磁效果。在永磁體退磁時，還可通過勵磁繞組進行補償容錯。
[0034]與傳統(tǒng)的基于磁齒輪的永磁電機相比，基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機的轉(zhuǎn)子采用凸極式無永磁體結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)子機械強度與可靠性，簡化結(jié)構(gòu)、加工方便、成本低；該電機采用了定子混合勵磁型結(jié)構(gòu)，定子上既有永磁體又有勵磁繞組，可實現(xiàn)低速增磁、高速弱磁的功能，提高了電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，拓寬了調(diào)速范圍，也提高了電機的容錯性。因此，該電機極適用于對可靠性、調(diào)速性能要求高的低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)場合。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:該電機包括外轉(zhuǎn)子(I)、永磁體(2)、定子(3)、電樞繞組(5)、支撐軸(6)以及軸承(7)； 所述外轉(zhuǎn)子(I)內(nèi)環(huán)上設(shè)置有等距排列的外轉(zhuǎn)子凸極(8)； 所述外轉(zhuǎn)子(I)通過軸承(7)與電機支撐軸(6)轉(zhuǎn)動連接； 所述定子(3)通過電機支撐軸(6)固定設(shè)置； 所述永磁體(2)貼于定子(3)的定子齒(9)的表面； 所述永磁體(2)采用徑向磁化方式，且每一塊永磁體的大小、形狀相同，相鄰永磁體磁化方向相反； 所述電樞繞組(5)繞制于定子(3)的定子齒(9)上并通交流電； 所述永磁體(2)與外轉(zhuǎn)子(I)相對設(shè)置，所述外轉(zhuǎn)子凸極(8)與永磁體(2)之間有氣隙； 所述外轉(zhuǎn)子⑴的凸極⑶個數(shù)Nr、定子(3)的定子齒(9)個數(shù)Nt、電樞繞組(5)產(chǎn)生空間磁場的極對數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:電機還包括勵磁繞組(4)，所述勵磁繞組(4)繞制于定子(3)的定子齒(9)上并通直流電，相鄰槽內(nèi)的勵磁繞組(4)電流方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:所述定子(3)的定子齒(9)采用平行齒結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:所述永磁體(2)材料為釹鐵硼，所述外轉(zhuǎn)子(I)和定子(3)材料為硅鋼片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:所述電樞繞組(5)為三相雙層分布式繞組。
【文檔編號】H02K21/02GK103997174SQ201410257708
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】樊英, 顧玲玲 申請人:東南大學(xué)