CN102035320B - 直驱式正弦磁场复合型永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直驱式正弦磁场复合永磁电机。它包括一个自控式永磁电机和一个磁场调制式磁性齿轮，永磁电机和磁性齿轮均采用正弦充磁永磁结构，并且两者同心集成成双定子双转子结构，即由构成磁性齿轮的外转子和外定子与构成永磁电机的内转子和内定子采用套筒式结构集合构成同心式结构。本发明具有结构紧凑、转矩密度高、效率高、功率因数高、以及固有的过载保护特性等优点。

Description

直驱式正弦磁场复合型永磁电机

技术领域

本发明属于电机与传动技术领域，具体涉及一种适用于低转速、大转矩直驱式正弦磁场复合型永磁电机，该电机是正弦磁场同心式磁性齿轮与正弦磁场自控式永磁电机的集成，构成高转矩密度、高效率、高功率因数永磁电机。

背景技术

传统的电机驱动系统是电机与机械变速机构的组合。但是，机械传动部件（如齿轮变速箱）的日常维护以及易磨损件的更换需要付出额外的代价，而且对于远距离运行系统其经常性维护的成本将异常昂贵；机械传动部件之间的间隙和损耗使高精度控制难以实现，系统的可靠性和效率降低，且产生噪声；机械变速装置还占据较大的安装空间。

发明内容

本发明的目的是解决径向充磁永磁复合电机中磁性齿轮谐波磁场影响内嵌式永磁电机平稳高效运行问题，提供一种直驱式正弦磁场复合型永磁电机，结构紧凑、转矩密度高，适合于低转速、大转矩直接驱动场合。

为了实现上述目的，本发明的构思是：将正弦充磁(Halbach)磁体结构应用于磁场调制式磁性齿轮与自控式永磁电机中，构成一台适合于直接驱动的复合型高效高转矩密度永磁电机。磁场调制式磁性齿轮为同心式结构，两个同心正弦磁场的磁性圆环构成内外转子，外转子极对数P₁多于内转子极对数P₂；两磁性圆环之间有一开槽的定子调磁铁心，根据变磁阻调制原理，当调磁铁心的齿数Ns=P₁                                                

P₂时，在两个转子相应气隙中会形成与各自极对数相一致的磁场，从而产生恒定的电磁转矩。由于在任一时刻所有永磁体都参与了力的传递，所以其转矩密度远大于仅靠单对磁极传力的传统型磁性齿轮。在同心式磁性齿轮的内部空间放入一电枢内定子。内转子上有内外两层永磁体，外层永磁体磁场向外聚集，与磁阻式定子、外转子构成同心式磁性齿轮；内层永磁体磁场向内聚磁，与内定子构成内嵌式永磁电机。磁性齿轮与永磁电机磁场互不干扰，形成内部正弦磁场相互独立、保证各自良好性能的复合型永磁电机。其特征在于高性能同心式磁性齿轮与自控式永磁电机的集成，双定子双转子结构，即多极转子与少极转子结构、磁阻式定子与电枢定子结构。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:

一种直驱式正弦磁场复合型永磁电机，包括一个自控式永磁电机和一个磁场调制式磁性齿轮，其特征在于所述永磁电机和磁性齿轮均采用正弦充磁永磁结构；并且两者同心集合成双定子双转子结构，即由构成磁性齿轮外转子和外定子与构成永磁电机的内转子和内定子采用套筒式结构集合构成同心式结构。

所述外转子为杯型转子，其杯型底与一个外转子中心转轴固定连接；所述外定子为筒形体，由铁心块和非导磁材料周向交替间隔构成，其一端通过一个轴向支承体直接与一个机座的一个端盖固定连接，而另一端通过一个径向盘与所述内定子的内端固定连接；所述内转子为筒形体，从外至内依次由一个外层永磁体、一个外铁轭、一个不锈钢隔磁圆筒、一个内铁轭和一个内层永磁体套装构成，所述不锈钢隔磁圆筒的两端通过两个轴承支承于所述内定子的内外两端；所述内定子的外端与机座的端盖固定连接，内定子的中心孔内安置所述外转子中心转轴；该外转子中心转轴的一端通过轴承支承于所述内定子的外端，而另一端通过轴承支承于所述机座的另一端盖的内孔内。

所述外转子杯型体内圆周向均布P₁对永磁体，所述内转子的外铁轭的外圆以及内铁轭的内圆分别周向均布P₂对外层永磁体和内层永磁体，且P₁>P₂；所述内外铁轭分别固定在所述不锈钢隔磁圆筒的内外壁上。所述外转子的永磁体和内转子的内外两层永磁体均为正弦充磁结构，外转子的永磁体磁场向内聚集，为“内向型”；内转子外层永磁体磁场向外聚集，为“外向型”，内转子内层永磁体磁场向内聚集，为“内向型”；所述外定子为磁阻式定子，其上有Ns个周向均布的铁芯齿极，即杯型铁芯周向均布开槽，槽内填充非导磁材料，应满足Ns=P₁+P₂或Ns=P₁-P₂；所述内定子由一个内定子铁芯上绕制电枢绕组构成。

所述的所有永磁体均为表贴式正弦充磁结构，如果每极使用n块磁体，每块磁体的磁化强度均为M，极数为 p，且第一块磁体的充磁方向沿 x轴正方向，则正弦充磁结构的第i块磁体的磁化强度x、y分量表示如下：

                             （1）

                              （2）

式中正负号分别对应向内或向外聚磁结构。

所述外定子的铁芯均匀开槽，槽内填充非导磁材料。

所述内定子的电枢绕组采用分数槽绕组结构。

本发明与已有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的永磁电机和磁性齿轮均采用正弦充磁永磁结构，并且两者同心集合成双定子双转子结构。本发明具有结构紧凑、转矩密度高、效率高、功率因数高，以及固有的过载保护特性等优点。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是图1中A—A处剖面图；

图3是图1中内转子两层永磁体正弦充磁磁化方向示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：参见图1，本直驱式正弦磁场复合型永磁电机，包括一个自控式永磁电机和一个磁场调制式磁性齿轮，其特征在于所述永磁电机和磁性齿轮均采用正弦充磁永磁结构；并且两者同心集合成双定子双转子结构，即由构成磁性齿轮外转子4和外定子7与构成永磁电机的内转子5和内定子15采用套筒式结构集合构成同心式结构。

实施例二：参见图1、图2、图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述外转子4为杯型转子，其杯型底与一个外转子中心转轴1固定连接；所述外定子7为筒形体，由铁心块和非导磁材料周向交替间隔构成，其一端通过一个轴向支承体12直接与一个机座3的一个端盖2b固定连接，而另一端通过一个径向盘与所述内定子15的内端固定连接；所述内转子5为筒形体，从外至内依次由一个外层永磁体8、一个外铁轭9、一个不锈钢隔磁圆筒、一个内铁轭10和一个内层永磁体11套装构成，所述不锈钢隔磁圆筒的两端通过两个轴承支承于所述内定子的内外两端；所述内定子15的外端与机座3的端盖2b固定连接，内定子15的中心孔内安置所述外转子中心转轴1；该外转子中心转轴1的一端通过轴承支承于所述内定子15的外端，而另一端通过轴承支承于所述机座3的另一端盖2a的内孔内。

所述外转子4杯型体内圆周向均布P₁对永磁体，所述内转子5的外铁轭9的外圆以及内铁轭10的内圆分别周向均布P₂对外层永磁体8和内层永磁体11，且P₁>P₂；所述内外铁轭10、9分别固定在所述不锈钢隔磁圆筒的内外壁上。所述外转子4的永磁体6和内转子5的内外两层永磁体11、8均为正弦充磁结构，外转子4的永磁体6磁场向内聚集，为“内向型”；内转子外层永磁体8磁场向外聚集，为“外向型”，内转子内层永磁体11磁场向内聚集，为“内向型”；所述外定子7为磁阻式定子，其上有Ns个周向均布的铁芯齿极，即杯型铁芯周向均布开槽，槽内填充非导磁材料，应满足Ns=P₁+P₂或Ns=P₁-P₂；所述内定子15由一个内定子铁芯14上绕制电枢绕组13构成。

所述的所有永磁体6、8、11均为表贴式正弦充磁结构，如果每极使用n块磁体，每块磁体的磁化强度均为M，极数为 p，且第一块磁体的充磁方向沿 x轴正方向，则正弦充磁结构的第i块磁体的磁化强度x、y分量表示如下：

                             

                             

式中正负号分别对应向内或向外聚磁结构。

所述外定子7的铁芯均匀开槽，槽内填充非导磁材料。

所述内定子15的电枢绕组13采用分数槽绕组结构。

实施例三：本实施例与实施例二基本相同，其结构和工作原理如下：正弦磁场复合型永磁电机的主轴1与外转子4相连，输出低速大转矩，外转子永磁体6、内转子5外层永磁体8、内层永磁体11均为正弦充磁(Halbach)结构，内转子极对数P₂，外转子极对数P₁，且P₁>P₂。因此，外转子4转速低、内转子5转速高。外转子4和内转子5之间为磁阻式外定子7，磁阻式定子上有N_s个均匀分布的铁芯齿极，槽内填充非导磁材料增强机械强度。内转子5的外层永磁体8及外层铁轭9、外转子4、外定子7组成一个高性能磁性齿轮。外定子7的齿槽间隔分布使气隙磁导沿圆周产生周期性变化，从而对外定子7内外两边的永磁气隙磁场起到调制作用。内定子14为开槽电枢铁心，槽内嵌放多相对称电枢绕组13。多相电枢绕组通以对称电流，在内气隙产生旋转磁场，与内转子内层正弦充磁的永磁体11的磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量传递。内转子外层永磁体8的极对数P₂与外转子永磁体6的极对数P₁以及外定子7的齿极数N_s需满足一定关系：N_s=P₁+P₂（或N_s= P₁-P₂），从而使两个转子空间气隙磁场调制基波相同，通过内外转子永磁磁场的耦合效应实现转矩和转速的传递。磁性齿轮传动比为G=P₁/P₂。

正弦磁场复合型永磁电机中，内转子5不仅是磁性齿轮的一部分，同时与内定子14构成自控式永磁电机。内转子中内外两层永磁体采用“背靠背”式正弦充磁，磁性齿轮与自控式永磁电机的主磁场互相隔离，消除了磁性齿轮谐波磁场对自控式永磁电机的不利影响。

正弦磁场复合型永磁电机可以作电动机或发电机运行。当作电动机运行时，内定子电枢绕组13由逆变器供电，根据内转子5的位置信号，采用相应控制技术实现无刷直流电动机运行或永磁同步电动机运行。内转子5和外转子4的磁场耦合效应，实现转矩和转速的传递，外转子4以低转速、大转矩输出。当作为发电机运行时，外转子4由原动机驱动，利用磁场耦合效应，带动内转子5旋转，内转子5的永磁磁场在内定子14的电枢绕组13内感应电动势，发出交流电。

Claims (6)

1.一种直驱式正弦磁场复合型永磁电机，包括一个自控式永磁电机和一个磁场调制式磁性齿轮，其特征在于所述永磁电机和磁性齿轮均采用正弦充磁永磁结构；并且两者同心集合成双定子双转子结构，即由构成磁性齿轮外转子(4)和外定子(7)与构成永磁电机的内转子(5)和内定子(15)采用套筒式结构集合构成同心式结构。

2.根据权利要求1所述的直驱式正弦磁场复合型永磁电机，其特征在于所述外转子(4)为杯型转子，其杯型底与一个外转子中心转轴(1)固定连接；所述外定子(7)为筒形体，由铁心块和非导磁材料周向交替间隔构成，其一端通过一个轴向支承体（12）直接与一个机座（3）的一个端盖（2b）固定连接，而另一端通过一个径向盘与所述内定子（15）的内端固定连接；所述内转子（5）为筒形体，从外至内依次由一个外层永磁体（8）、一个外铁轭（9）、一个不锈钢隔磁圆筒、一个内铁轭（10）和一个内层永磁体（11）套装构成，所述不锈钢隔磁圆筒的两端通过两个轴承支承于所述内定子的内外两端；所述内定子（15）的外端与机座（3）的端盖（2b）固定连接，内定子（15）的中心孔内安置所述外转子中心转轴（1）；该外转子中心转轴（1）的一端通过轴承支承于所述内定子（15）的外端，而另一端通过轴承支承于所述机座（3）的另一端盖（2a）的内孔内。

3.根据权利要求2所述的直驱式正弦磁场复合型永磁电机，其特征在于所述外转子（4）杯型体内圆周向均布P₁对永磁体，所述内转子（5）的外铁轭（9）的外圆以及内铁轭（10）的内圆分别周向均布P₂对外层永磁体（8）和内层永磁体（11），且P₁>P₂；所述内外铁轭（10、9）分别固定在所述不锈钢隔磁圆筒的内外壁上；所述外转子（4）的永磁体（6）和内转子（5）的内外两层永磁体（11、8）均为正弦充磁结构，外转子（4）的永磁体（6）磁场向内聚集，为“内向型”；内转子外层永磁体（8）磁场向外聚集，为“外向型”，内转子内层永磁体（11）磁场向内聚集，为“内向型”；所述外定子(7)为磁阻式定子，其上有Ns个周向均布的铁芯齿极，即杯型铁芯周向均布开槽，槽内填充非导磁材料，应满足Ns=P₁+P₂或Ns=P₁-P₂；所述内定子（15）由一个内定子铁芯（14）上绕制电枢绕组（13）构成。

4.根据权利要求3所述的直驱式正弦磁场复合型永磁电机，其特征在于所述的所有永磁体（6、8、11）均为表贴式正弦充磁结构，如果每极使用n块磁体，每块磁体的磁化强度均为M，极数为 p，且第一块磁体的充磁方向沿 x轴正方向，则正弦充磁结构的第i块磁体的磁化强度x、y分量表示如下：

                                 （1）

                                 （2）

式中正负号分别对应向内或向外聚磁结构。

5.根据权利要求3所述的直驱式正弦磁场复合型永磁电机，其特征在于所述外定子（7）的铁芯均匀开槽，槽内填充非导磁材料。

6.根据权利要求3所述的直驱式正弦磁场复合型永磁电机，其特征在于所述内定子（15）的电枢绕组（13）采用分数槽绕组结构。