CN101719703B - 三相交流永磁行星转子磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机，具体为三相交流永磁行星转子磁阻电动机。解决可直接输出大转矩、低转速电机的种类很少的问题。包括机壳、定子装配、转子装置以及机壳两端的端盖，定子装配由固定于机壳内的定子圈、固定于定子圈上的6N个定子磁极及绕在各定子磁极上的集中绕组构成；转子装配包括N根行星转轴，行星转轴的两端设有行星支架，各行星转轴的两端经轴承支撑于行星支架上，各行星转轴上固定有行星转子和行星齿轮，行星转子由转子圈、固定于转子圈上的转子磁极和固定于转子磁极上的永久磁体构成，转子磁极的节距与定子磁极的节距相等。本发明所述的电动机可应用于所有需要低速大转矩负载的场合。

Description

三相交流永磁行星转子磁阻电动机

技术领域

本发明涉及电动机，具体为三相交流永磁行星转子磁阻电动机。

背景技术

目前，在我国电机领域，可直接输出大转矩、低转速电机的种类还很少。因为如果通过电调速使电机输出低转速，它的输出转矩不可能大幅提高。对于直流电动机，在低速时若想输出大转矩，也必须加大电机的体积。因此，通过电调速使电机直接达到低速大转矩的输出是不现实的。在许多应用场合采用电动机加减速机的组合来实现所需的低转速大转矩，如：直接采用谐波减速机与三相异步电动机组合和其他减速机与电机的组合。这种组合虽然简单但设备体积大。在一些特定应用场合如电动滚筒等，非常注重设备的体积和重量，要求体积和重量不能太大，因此这种电动机加减速机的组合又无法满足特定应用场合对体积和重量的要求。

发明内容

本发明为了解决可直接输出大转矩、低转速电机的种类很少的问题，提供一种三相交流永磁行星转子磁阻电动机。该三相交流永磁行星转子磁阻电动机在不增加体积的前提下，可实现低速大转矩的输出。

本发明是采用如下技术方案实现的：三相交流永磁行星转子磁阻电动机，包括机壳、定子装配、转子装配以及机壳两端的端盖，定子装配由固定于机壳内的定子圈、固定于定子圈上的6N(N为大于等于2的自然数)个定子磁极及绕在各定子磁极上的(相同绕制的)集中绕组构成；转子装配包括N(N为大于等于2的自然数)根行星转轴，行星转轴的两端设有行星支架，各行星转轴的两端经轴承支撑于行星支架上，各行星转轴上固定有行星转子和行星齿轮，行星转子由转子圈、固定于转子圈上的转子磁极和固定于转子磁极上的永久磁体构成，转子磁极的节距(即转子磁极的极靴宽度)与定子磁极的节距相等；还包括一个内齿轮，内齿轮的外圈经轴承支撑于机壳内、其内齿与各行星齿轮相啮合，将内齿轮的一端制成轴伸，轴伸伸出一侧的端盖；转子装配中的行星转轴一端的行星支架经轴承支撑于一侧的端盖上、另一端的行星支架经轴承支撑于内齿轮上；6N个集中绕组中，每连续的六个集中绕组为一组，每一组的六个集中绕组中，第一个集中绕组的首端与第四个集中绕组的首端相连作为A相绕组，第二个集中绕组的尾端与第五个集中绕组的尾端相连作为C相绕组，第三个集中绕组的首端与第六个集中绕组的首端相连作为B相绕组，各组中的各相绕组相互串联或并联而形成电动机的定子三相绕组(即N组集中绕组中，各组中的A相绕组相串联或并联而形成电动机的定子A相绕组，各组中的C相绕组相串联或并联而形成电动机的定子C相绕组，各组中的B相绕组相串联或并联而形成电动机的定子B相绕组)。工作时，电动机的定子三相绕组通以三相交流电，在定子磁场的作用下，各行星转子绕行星转轴的中心轴线沿定子表面自转，同时绕定子的中心轴线沿定子表面公转(实际上也是行星转轴即有自转又有绕定子中心轴线的公转)，使各行星转轴(也就是行星支架)输出一个相对较低的转速，该相对较低的转速是由定子装配和行星转子所形成的准电动机结构的性能(包括电磁性能、定转子结构等)决定的，各行星转轴带动其上的行星齿轮沿内齿轮的内齿进行自转和公转，驱动内齿轮转动，并通过行星齿轮与内齿轮之间的传动比，在内齿轮的轴伸上输出大转矩、低转速。

电动机定子内径确定后，遵循最大限度地利用定子内部空间的原则来确定行星转子的直径，即在各行星转子不接触的前提下，尽可能地使各行星转子接近相切的状态从而确定行星转子的直径，行星转子的直径确定后，根据转子磁极的节距与定子磁极的节距相等、以及转子磁极均布于转子圈上，可容易地确定出转子磁极的数量。

本发明所述电动机的定子驱动行星转子旋转的工作过程如下：下面将从三相交流电典型瞬时时刻对应行星转子的旋转进行分析，如图19所示，将三相交流电的一个周期分成12个时刻，以18个定子磁极(即N等于3)为例，在各时刻下定子磁极的极性变化、行星转子的位置变化等如下表所示：

表中：X1、X2、X3为三个行星转子；

N为磁极；电流从集中绕组的尾端进、首端出为N极；

S为磁极；电流从集中绕组的首端进、尾端出为S极；

O为中性点；即定子磁极没有极性；

1-12为时刻t

1-18为定子磁极

首先，我们将以a相为基准，将其分为每30°为一个时刻。设行星转子表面(中间)为N极，当在t1时刻三个行星转子的磁极分别与定子磁极的1、7、13对齐(接触)，见表。我们只针对行星转子X1来分析(其它行星转子同理可见)，在t1时刻，a相电压为0，C相为正，b相为负，由于C相磁极(2号磁极)与a相磁极相邻且为S极，2号定子磁极吸合行星转子X1，此时行星转子由1号定子磁极向2号定子磁极滚动(因行星转子表面磁极为N)。其余X2、X3同理。到了t2时刻，A相由O变为正，磁极表面产生N，对行星转子X1产生推的力，促使行星转子X1向2号定子磁极滚动，此时1号和2号定子磁极对行星转子X1便产生一推一拉的力矩。在三相交流旋转磁场的作用下，行星转子X1将从1号定子磁极经过表中的12个时刻，滚到6号定子磁极而完成行星转子X1自转一圈。当运行完第12步后，又转向第一步，此时行星转子将从定子磁极7重复上述过程。这样三个行星转子在三相旋转磁场作用下旋转起来。

本发明所述电动机是与电源频率同步的，他的启动与其它同步电机基本一样。启动时频率由零逐步升到同步转速。当进入同步转速并且电相位相同时，由三相交流电直接供电。

本发明所述电动机具有很宽的调速范围，通过控制器改变三相交流电的频率，实现调速。调速时可通过速度传感器进行速度反馈，进行闭环控制。

本发明所述的电动机是根据3Z(I)型行星减速原理、三相交流电旋转磁场、开关磁阻电动机原理相结合的一种机电一体化的新型电机。

3Z(I)型具有双齿圈行星轮的3Z型行星齿轮传动(如图21所示)具有输出大转矩、低转速的特点，它的结构特点是：内齿轮b固定，而旋转的中心轮a和e分别与行星轮c和d相啮合，故可用传动代号3Z(I)表示。在各种机械传动中，已获得较广泛的应用。3Z(I)型较合理的传动比范围为 $i_{\mathrm{ac}}^b=20~300,$ 传动效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ac}}^b=0.8~0.9.$ 3Z(I)型描述来自于饶振纲编著的《行星齿轮传动设计》第6页中。3Z(I)型行星传动的高速输入，是通过中心轮完成的，低速输出是由内齿轮实现的。本发明所述的电动机就是利用3Z(I)型的行星传动结构，实现高速到低速的减速，同时按传动比提升了输出转矩。为了实现这个特性，我们将中心轮a取掉，将固定的内齿轮b用电动机的定子代替，行星轮C由N个行星转子代替。中心轮a驱动行星轮C变为三相电功率通过旋转磁场推动N个行星转子旋转。这种电机结构与3Z型行星齿轮传动的结合非常新颖、巧妙、独特。

本发明所述电动机通过3Z(I)型行星减速原理实现低速大转矩的输出。采用三相正弦交流电解决了开关磁阻电机的自动换相问题。以开关磁阻电机工作原理为基础，是为了继承开关磁阻电机的诸多优点，如起动电流小，起动转矩大，调速性能好，可频繁正反转控制等。本发明所述的电动机还克服了开关磁阻电机电磁噪声大、低速时转矩脉动的不足之处。总而言之，本发明所述的电动机在不增加体积的前提下，可实现低速大转矩的输出。这种结构设计与传统电机的结构设计相比是一个质的飞跃，实际上已经步入新兴科学“机械电子学”的范畴。因此，本发明所述的电动机的性能指标要高于传统的传动系统。

本发明所述电动机的性能

1、传动比i：所述传动比是电动机中的行星支架的转速与内齿轮的转速之比。

$i=\frac{\mathrm{Ze}}{\mathrm{Ze}-\mathrm{Zd}\frac{\mathrm{Zb}}{\mathrm{Zc}}}$

式中：Ze——内齿轮的齿数；

Zd——行星齿轮的齿数；

Zb——定子磁极数；

Zc——行星转子的转子磁极数；

以Ze＝69、Zd＝30、Zb＝18、Zc＝8为例，本发明所述电动机机械传动比i＝46，当输入50Hz三相交流电时输出轴的转速为21.74r/min。

2、输出转矩T：

$T=9549\frac{P_M}{n_M}\mathrm{i\η}(N\·m)$

式中：P_M——电动机输入电功率，kW＝7.5；

n_M——电动机转速，r/min＝1000；(行星转子在定子圆周公转数)

i——传动比，i＝46；

η-机械效率η＝0.8；

本发明所述电动机输出转矩为22635.24(N·m)，这是在传动比i＝46情况下求出的。当传动比加大，转矩按传动比的倍数提高。

3、电机效率

首先我们先看一下3Z(I)行星传动机构，转矩是从中心轮输入的，中心轮与行星轮为第一级啮合，行星轮与固定内齿轮为第二级啮合，第二级行星轮与内齿轮为第三级啮合，传动效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ac}}^b=0.8~0.9,$ 而本发明所述电动机只有最后一级行星齿轮与内齿轮的啮合，这一级传动效率为98％。在电磁输入级，行星转子上无电磁线圈，因此无铜损，而且定子和转子采用短磁路，磁损耗小。这使电磁输入级的效率高于三相异步电动机，总效率大于80％。

4、电机材料利用率

对于开关磁阻电机，见附图20所示：

开关磁阻电机在每一时刻只有4个线圈通电，(12/8极)当定子磁极与转子磁极对齐后线圈必须断电。这里有两个问题，(一)、电磁线圈及铁芯的利用率为1/3。2/3的线圈和铁芯处于休息状态；(二)、工作线圈能量转换利用率为50％，当定子磁极与转子磁极对齐后线圈必须断电。整机利用率只能作到15％，由此看来现有的开关磁阻电动机的材料利用率非常低。

本发明所述电动机，以N等于3为例，电磁输入级的18个定子磁极采用三相交流电供电，并在定子上产生旋转磁场。工作时每三个定子磁极驱动一个永磁行星转子，相对于定子上的18个磁极就有9个磁极完成磁能到动能的转换，利用率为50％。三相交流电使定子磁极自动换相，造成了永磁行星转子进为推出为拉的作用。这就解决了开关磁阻电机材料利用率低的问题。本发明所述电动机在同等功率下体积要小于现有的开关磁阻电机。

本发明所述的电动机具有如下特点：

1、体积小。本发明所述电动机的低速大转矩的输出，是靠3Z(I)型行星转动机构实现的。只是在这个过程中第一级行星结构，由定子磁极、行星转子磁极，用磁吸合实现行星齿啮合，再通过三个行星转轴将永磁行星转子自转和公转形成的力矩传递给第二极行星齿轮机构。由于输入转矩是输出转矩的1/i(i为传动比)，对于前述2964.96(N·m)的输出转矩，在i＝46时输入转矩为64.65(N·m)。提高三相交流电源的频率，输入转矩不变(即电机体积不变)，再增大电机自身的传动比将速度回调，在同等体积下，可提高电机功率密度和更大的转矩输出。这对于体积和重量要求严格的特定应用场合非常重要。

2、减速比高。本发明所述的电动机机械变比可在20--250范围选取，一般单级行星传动机构传动比为2.7-9，要想达到250的传动比通常需要三级行星传动。

3、启动电流小。本发明所述的电动机电磁输入级采用了磁阻原理，启动时的电流与开关磁阻电机相同，启动电流为15％的额定电流时，获得的启动转矩为100％的额定转矩。

4、调速性能好。具有非常宽的调速范围，同步性能好，对于转速和转矩的控制简单，使用通用型变频器就可实现对电机的控制和调整。适合对速度精度要求高的应用场合。

5、适用于频繁启停及正反向转换运行。本发明所述电动机在启动时不存在5-7倍的启动电流，绕组中产生的热量小，保证了电机的安全运行。它适合如：龙门刨床、洗床、电梯曳引系统。

6、效率高。低速永磁磁阻电动机的效率可大于80％。

在采矿、冶金、石油、运输、机械制造。很多机电设备都需要低转速大转矩的输出。尤其是大型设备。在现有技术中，实现低速大转矩的输出常规方法就是电动机加减速器，在实现低转速输出时往往需要多级减速。本发明所述的电动机可应用于所有需要低速大转矩负载的场合，如，采煤机截割系统中的直驱截割滚筒、采煤机的行走部分、掘进机的截割部分、电梯电引系统的应用、电动滚筒中的应用等。

附图说明

图1为本发明所述电动机的整体结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图1的B-B剖面图；

图4为定子圈的结构示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为定子磁极的结构示意图；

图7为图6的侧视图；

图8为转子圈的结构示意图；

图9为图8的侧视图；

图10为转子磁极的结构示意图；

图11为图10的左视图；

图12为图10的俯视图；

图13为行星支架的结构示意图；

图14为图13的左视图；

图15为图13的C-C剖面图；

图16为内齿轮的结构示意图；

图17为图16的D-D剖面图；

图18为定子集中绕组的连接结构示意图；

图19为三相交流电的时刻划分示意图；

图20为现有磁阻电机的结构示意图；

图21为3Z(I)型行星齿轮传动结构示意图；

图中：1-机壳，2-端盖，3-定子圈，4-定子磁极，5-行星转轴，6-行星支架，7-行星齿轮，8-转子圈，9-转子磁极，10-内齿轮。

具体实施方式

三相交流永磁行星转子磁阻电动机，包括机壳1、定子装配、转子装配以及机壳两端的端盖2，定子装配由固定于机壳内的定子圈3、固定于定子圈上的6N(N为大于等于2的自然数)个定子磁极4及绕在各定子磁极上的集中绕组构成；转子装配包括N(N为大于等于2的自然数)根行星转轴5，行星转轴5的两端设有行星支架6，各行星转轴的两端经轴承支撑于行星支架6上，各行星转轴上固定有行星转子和行星齿轮7，行星转子由转子圈8、固定于转子圈上的转子磁极9和固定于转子磁极上的永久磁体构成，转子磁极9的节距(即转子磁极极靴的宽度)与定子磁极4的节距相等；还包括一个内齿轮10，内齿轮10的外圈经轴承支撑于机壳1内、其内齿与各行星齿轮7相啮合，将内齿轮10的一端制成轴伸，轴伸伸出一侧的端盖2；转子装配中的行星转轴一端的行星支架经轴承支撑于一侧的端盖上、另一端的行星支架经轴承支撑于内齿轮10上；6N个集中绕组中，每连续的六个集中绕组为一组，每一组的六个集中绕组中，第一个集中绕组的首端与第四个集中绕组的首端相连作为A相绕组，第二个集中绕组的尾端与第五个集中绕组的尾端相连作为C相绕组，第三个集中绕组的首端与第六个集中绕组的首端相连作为B相绕组，各组中的各相绕组相互串联或并联而形成电动机的定子三相绕组，即N组集中绕组中，各组中的A相绕组相串联或并联而形成电动机的定子A相绕组，各组中的C相绕组相串联或并联而形成电动机的定子C相绕组，各组中的B相绕组相串联或并联而形成电动机的定子B相绕组(集中绕组的连接结构如附图18所示)。具体实施时，如图10、11、12所示，转子磁极9上开有两个槽，槽内分别放置极性轴向排列的两个钕铁硼永久磁体，这样使转子磁极表面形成S、N、S或N、S、N的磁分布。如图6、7所示，定子磁极4上也开有两个槽，槽内绕有集中绕组，这样集中绕组通电后，在定子磁极4表面也形成S、N、S或N、S、N的磁分布。前述描述工作过程的表格中，定子磁极的极性是以定子磁极表面中间的极性为代表。

Claims (1)

1.一种三相交流永磁行星转子磁阻电动机，包括机壳(1)、定子装配、转子装配以及机壳两端的端盖(2)，其特征为：定子装配由固定于机壳内的定子圈(3)、固定于定子圈上的6N个定子磁极(4)及绕在各定子磁极上的集中绕组构成，其中N为大于等于2的自然数；转子装配包括N根行星转轴(5)，其中N为大于等于2的自然数，行星转轴(5)的两端设有行星支架(6)，各行星转轴的两端经轴承支撑于行星支架(6)上，各行星转轴上固定有行星转子和行星齿轮(7)，行星转子由转子圈(8)、固定于转子圈上的转子磁极(9)和固定于转子磁极上的永久磁体构成，转子磁极(9)的节距与定子磁极(4)的节距相等；还包括一个内齿轮(10)，内齿轮(10)的外圈经轴承支撑于机壳(1)内、其内齿与各行星齿轮(7)相啮合，将内齿轮(10)的一端制成轴伸，轴伸伸出一侧的端盖(2)；转子装配中的行星转轴一端的行星支架经轴承支撑于一侧的端盖上、另一端的行星支架经轴承支撑于内齿轮(10)上；6N个集中绕组中，每连续的六个集中绕组为一组，每一组的六个集中绕组中，第一个集中绕组的首端与第四个集中绕组的首端相连作为A相绕组，第二个集中绕组的尾端与第五个集中绕组的尾端相连作为C相绕组，第三个集中绕组的首端与第六个集中绕组的首端相连作为B相绕组，各组中的各相绕组相互串联或并联而形成电动机的定子三相绕组。

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