基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵(lì)磁電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵(lì)磁電機(jī)，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(guò)軸承與電機(jī)支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；定子通過(guò)電機(jī)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(duì)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(wú)永磁體，電機(jī)磁場(chǎng)由貼于定子齒表面的永磁體與繞制于定子齒上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，一方面提高了電機(jī)的可靠性，另一方面也改進(jìn)了傳統(tǒng)永磁電機(jī)磁場(chǎng)不可調(diào)的缺陷，具有混合勵(lì)磁型電機(jī)低速增磁、高速弱磁的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵(lì)磁電機(jī)
【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(lì)磁電機(jī)，屬于新型特種電機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于對(duì)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(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)生產(chǎn)中有許多需要變速驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，常采用的變速機(jī)械齒輪箱存在固有缺陷:噪聲大、機(jī)械磨損較嚴(yán)重、需要定期維護(hù)等。磁齒輪作為一種新型的依靠磁場(chǎng)耦合傳遞轉(zhuǎn)矩的非接觸式齒輪結(jié)構(gòu)，有效地改進(jìn)了傳統(tǒng)機(jī)械齒輪的缺陷，具有噪聲低、可靠性高、免維護(hù)、過(guò)載自動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比其他磁齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于調(diào)磁諧波原理的同軸磁齒輪在工作時(shí)，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(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)相整合構(gòu)成的永磁復(fù)合電機(jī)通過(guò)磁齒輪進(jìn)行變速驅(qū)動(dòng)，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(chǎng)合的新型電機(jī)。
[0003]傳統(tǒng)的基于磁齒輪的永磁復(fù)合電機(jī)主要可分為以下三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):
[0004](I)三氣隙結(jié)構(gòu)，即簡(jiǎn)單地將電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)內(nèi)定子、電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子與磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子，減小了永磁體用量，簡(jiǎn)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(jìn)一步用定子齒代替調(diào)磁環(huán)調(diào)制磁場(chǎng)，不僅使電機(jī)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(jī)已被廣泛學(xué)者運(yùn)用到電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電等低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。但分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論采用上述哪種結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)都易發(fā)生永磁體脫落情況，影響運(yùn)行可靠性，降低了轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，限制了電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。另外，由于傳統(tǒng)永磁電機(jī)僅由永磁體單獨(dú)勵(lì)磁，氣隙磁場(chǎng)無(wú)法調(diào)節(jié)，限制了電機(jī)的調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩輸出與容錯(cuò)運(yùn)行能力。
[0008]因此，有必要提出一種新型的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有基于磁齒輪的永磁復(fù)合電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺陷，提出一種具有較高轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的新型電機(jī)拓?fù)浣Y(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(lì)磁電機(jī)，該電機(jī)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(guò)軸承與電機(jī)支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
[0013]所述定子通過(guò)電機(jī)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(duì)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(gè)數(shù)Nr、定子的定子齒個(gè)數(shù)Nt、電樞繞組產(chǎn)生空間磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2。
[0019]作為本發(fā)明的改進(jìn)，電機(jī)還包括勵(lì)磁繞組，所述勵(lì)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(lì)磁繞組電流方向相反。
[0020]進(jìn)一步的，所述定子的定子齒采用平行齒結(jié)構(gòu)。
[0021]進(jìn)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(jìn)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(jī)基于磁齒輪原理，實(shí)現(xiàn)將電樞繞組的高速磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子側(cè)的低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了自減速功能，省去了傳統(tǒng)機(jī)械變速齒輪箱。因此，不存在齒輪箱的機(jī)械磨損、維護(hù)和噪音問(wèn)題，提高了裝置可靠性；同時(shí)也提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)的體積，重量和制造成本，使電機(jī)能在低轉(zhuǎn)速下提供較大的轉(zhuǎn)矩；
[0024]該電機(jī)采用定子勵(lì)磁型結(jié)構(gòu)，永磁體貼于定子的定子齒表面，轉(zhuǎn)子上無(wú)永磁體，相較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型結(jié)構(gòu)電機(jī)而言，該結(jié)構(gòu)能夠避免電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生永磁體脫落的情況；同時(shí)，其轉(zhuǎn)子加工工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約了成本，轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度也更高；定子齒上表貼式永磁體的設(shè)計(jì)，使電機(jī)漏磁減少，從而減少了損耗；該電機(jī)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(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)調(diào)制功能，具有傳統(tǒng)磁齒輪復(fù)合電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，也使得電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更緊湊。
[0025]該電機(jī)利用轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)將靜止永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)調(diào)制為定子側(cè)的諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電樞繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)經(jīng)調(diào)制可轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子側(cè)的諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子凸極個(gè)數(shù)Nr、定子鐵芯齒數(shù)Nt、電樞繞組極對(duì)數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2，利用最大幅值諧波磁場(chǎng)，在電樞繞組中感應(yīng)出最大諧波電動(dòng)勢(shì)，使電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩傳遞能力。
[0026]每個(gè)定子齒上都繞制有勵(lì)磁繞組，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小與方向可以實(shí)現(xiàn)低速增磁、高速弱磁的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)作用。較傳統(tǒng)永磁電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)矩輸出、調(diào)速能力更強(qiáng)，容錯(cuò)能力也有所提聞。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)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(lì)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(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0030]一種基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵(lì)磁電機(jī)，包括外轉(zhuǎn)子1、永磁體2、定子3、勵(lì)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(guò)軸承7與電機(jī)支撐軸6轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)電機(jī)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(lì)磁繞組4同時(shí)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(lì)磁繞組4電流方向相反。永磁體2與外轉(zhuǎn)子I相對(duì)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(gè)數(shù)Nr、定子3的定子齒9個(gè)數(shù)即永磁體2的塊數(shù)Nt、電樞繞組5產(chǎn)生空間磁場(chǎng)的極對(duì)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(chǎng)調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞能量，該電機(jī)既可以運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，也可以運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，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(chǎng)調(diào)制為定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)諧波磁場(chǎng)。外轉(zhuǎn)子I的凸極8個(gè)數(shù)Nr、定子3的定子齒9個(gè)數(shù)即永磁體2的塊數(shù)Nt、電樞繞組5產(chǎn)生空間磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2時(shí)，利用最大幅值諧波磁場(chǎng)，在電樞繞組5中感應(yīng)出最大諧波電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)外轉(zhuǎn)子I以機(jī)械角速度w2旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的定子側(cè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)機(jī)械角速度為wl,wl/w2 = Nr/(Nr-Nt/2)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合,可以通過(guò)選取不同的Nt和p來(lái)得到不同的速度變比。因此，該電機(jī)適用于風(fēng)力發(fā)電等低速發(fā)電場(chǎng)合。
[0032]當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(duì)極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)外轉(zhuǎn)子I的凸極8個(gè)數(shù)Nr、定子3的定子齒9個(gè)數(shù)即永磁體2的塊數(shù)Nt、電樞繞組5產(chǎn)生空間磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)P滿足關(guān)系式:Nr±p = Nt/2時(shí)，永磁體產(chǎn)生的靜止磁場(chǎng)通過(guò)轉(zhuǎn)子凸極8的調(diào)磁作用，可感應(yīng)出與電樞繞組5對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。根據(jù)磁阻最小原理，凸極外轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出，且其對(duì)應(yīng)極對(duì)數(shù)為Nr。因此可以通過(guò)選取不同的Nt和P來(lái)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(chǎng)合。
[0033]無(wú)論是電動(dòng)運(yùn)行還是發(fā)電運(yùn)行，都可通過(guò)改變勵(lì)磁繞組電流大小和方向以實(shí)現(xiàn)增、弱磁效果。在永磁體退磁時(shí)，還可通過(guò)勵(lì)磁繞組進(jìn)行補(bǔ)償容錯(cuò)。
[0034]與傳統(tǒng)的基于磁齒輪的永磁電機(jī)相比，基于磁齒輪的轉(zhuǎn)子凸極式混合勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用凸極式無(wú)永磁體結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度與可靠性，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、加工方便、成本低；該電機(jī)采用了定子混合勵(lì)磁型結(jié)構(gòu)，定子上既有永磁體又有勵(lì)磁繞組，可實(shí)現(xiàn)低速增磁、高速弱磁的功能，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，拓寬了調(diào)速范圍，也提高了電機(jī)的容錯(cuò)性。因此，該電機(jī)極適用于對(duì)可靠性、調(diào)速性能要求高的低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)場(chǎng)合。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)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(lì)磁電機(jī)，其特征在于:該電機(jī)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(guò)軸承(7)與電機(jī)支撐軸(6)轉(zhuǎn)動(dòng)連接； 所述定子(3)通過(guò)電機(jī)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(duì)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(gè)數(shù)Nr、定子(3)的定子齒(9)個(gè)數(shù)Nt、電樞繞組(5)產(chǎn)生空間磁場(chǎng)的極對(duì)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(lì)磁電機(jī)，其特征在于:電機(jī)還包括勵(lì)磁繞組(4)，所述勵(lì)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(lì)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(lì)磁電機(jī)，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(lì)磁電機(jī)，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(lì)磁電機(jī)，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(hào)】H02K21/02GK103997174SQ201410257708
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:東南大學(xué)