CN101771309A - 基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁齿轮传动系统领域，提供了一种基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，包括圆形机壳(1)、沿圆周方向均匀嵌在圆形机壳(1)内壁基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机中的调磁环(2)、与圆形机壳(1)相连的支撑环(9)、电枢绕组(3)和转子；支撑环(9)包括与圆形机壳(1)相连的第一连接部(91)、自该第一连接部(91)垂直延伸的支撑部(93)和与支撑部(93)相连且平行于第一连接部(91)的第二连接部(92)，电枢绕组(3)放置在支撑部(93)上，转子与第二连接部(92)相连。减小了电机的体积、重量和制造成本，提高了效率。

Description

基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机

技术领域

本发明涉及一种基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机装置，属于磁齿轮传动系统技术领域。

背景技术

工业生产中有一些低速运动的场合，由于电机转速往往较高，常常通过机械齿轮箱变速连接以达到低速高转矩运行的效果，但齿轮箱使整个传动系统的体积和重量大大增加，投资成本也相应增加。除此之外，另有噪声高、效率低、传输精度低、响应慢、机械磨损等问题。磁齿轮是一种新型的齿轮结构，它具有噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载保护等优点，将它与永磁无刷电机整合构成复合电机，可同时实现高速电机的控制和系统的低速大转矩输出，因此，有必要提出一种利用磁齿轮进行低速直驱的复合电机装置。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机装置，解决了现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，将传统磁齿轮的高速侧转子用电枢绕组来替代，省去一个转子，同时将调磁环中的导磁块置于静止机壳内，大大简化了加工工艺，减小了电机的体积、重量和制造成本，提高了效率

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机，其包括圆形机壳、沿圆周方向均匀嵌在圆形机壳内壁基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机中的调磁环、与圆形机壳相连的支撑环、电枢绕组和转子；支撑环包括与圆形机壳相连的第一连接部、自该第一连接部垂直延伸的支撑部和与支撑部相连且平行于第一连接部的第二连接部，电枢绕组放置在支撑部上，转子与第二连接部相连，调磁环内设有导磁块；

转子包括转子轭部、沿圆周方向均匀贴在转子轭部上的永磁体、连接转子轭部的转轴、轴承、与圆形机壳相连的转子端盖、通过轴承与转子端盖及支撑环(9)的第三连接部转动连接的转子转轴；

永磁体极对数n_r与电枢绕组极对数n_p之和等于调磁环中导磁块个数n_s。

优选的，永磁体与调磁环之间有气隙、调磁环与电枢绕组之间有气隙。

优选的，调磁环中导磁块材料为铁氧体。

优选的，永磁体材料为钕铁硼，充磁方向为径向。

优选的，转子端盖、外壳、支撑环、转轴材料为不导磁的铝。

优选的，转子轭部材料为硅钢片。

有益效果：

(1)省去了机械增速齿轮箱，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了装置可靠性。同时提高了电机转速，减小电机的体积，重量和制造成本。

(2)省去了磁齿轮的内转子，制造工艺大大简化，减少永磁体用量。

(3)转子采用高磁能积钕铁硼励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高、效率高以及可靠性好等优点。

(4)调磁环中导磁块采用沿圆周方向均匀嵌在机壳内壁中的结构，安装方便，简化了电机结构，提高了机械可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

其中有：机壳1、调磁环2、定子电枢3、永磁体4、转子轭部5、轴承6、转子转轴7、转子端盖8、支撑环9；第一连接部91、支撑部93、第二连接部92；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的目的是提供一种基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机装置，解决了现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，将传统磁齿轮的高速侧转子用电枢绕组来替代，省去一个转子，同时将调磁环中的导磁块置于静止机壳内，大大简化了加工工艺，减小了电机的体积、重量和制造成本，提高了效率。

本发明是一种基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机装置，它包括机壳1、调磁环2、电枢绕组3、永磁体4、转子轭部5、轴承6、转子转轴7、转子端盖8、支撑环9；调磁环2中导磁块沿圆周方向均匀嵌在机壳1的内壁中；磁齿轮低速转子作为电机转子；永磁体4沿圆周方向均匀贴在转子轭5上；转子转轴7通过轴承6与转子端盖8及支撑环9转动连接；支撑环9用于放置电枢绕组3同时与转子和机壳1连接；复合电机转子永磁体极对数n_r与电枢绕组极对数n_p之和为调磁环中导磁块个数n_s。

具体的说，基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机包括圆形机壳1、沿圆周方向均匀嵌在圆形机壳1内壁基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机中的调磁环2、与圆形机壳1相连的支撑环9、电枢绕组3和转子；支撑环9包括与圆形机壳1相连的第一连接部91、自该第一连接部91垂直延伸的支撑部93和与支撑部93相连且平行于第一连接部91的第二连接部92，电枢绕组3放置在支撑部93上，转子与第二连接部92相连，调磁环2内设有导磁块；

转子包括转子轭部5、沿圆周方向均匀贴在转子轭部5上的永磁体4、连接转子轭部5的转轴7、轴承6、与圆形机壳1相连的转子端盖8、通过轴承6与转子端盖8及支撑环9的第三连接部93转动连接的转子转轴7；

永磁体4极对数n_r与电枢绕组3极对数n_p之和等于调磁环2中导磁块个数n_s。

永磁体4与调磁环2之间有气隙、调磁环2与电枢绕组3之间有气隙。

调磁环2中导磁块材料为铁氧体。

永磁体4材料为钕铁硼，充磁方向为径向。

转子端盖8、外壳1、支撑环9、转轴7材料为不导磁的铝。

转子轭部5材料为硅钢片。

本发明的基本原理为调磁环的空间磁场调制原理，采用磁路的轴向径向交叉耦合的方式，利用空间谐波传递磁场和能量，电机的磁路形式为轴向磁路。磁通由转子永磁体4产生，穿过永磁体4与调磁环2之间的径向气隙到达调磁环2，沿轴向通过调磁环2，经调磁环2和电枢之间的径向气隙到达电枢绕组的齿部，再经调磁环2沿轴向回到转子永磁体4构成闭合回路。该装置既可以运行在发电状态，也可以运行在电动状态。当转子以角速度ω₁旋转时，由于铁氧体材料的调磁环的存在，永磁体产生的磁场将通过轴向方向的调磁环到达电枢绕组。在定子侧气隙中调制出的磁场旋转角速度为-ω₂，该磁场与电机定子产生相对运动切割发出电能。ω₁∶ω₂为速度变比，等于定子磁场极对数n_p与转子永磁体极对数n_r之比。

为调制出最大的谐波磁场，取调磁环中导磁块个数n_s等于转子永磁体极对数n_r与定子磁场极对数n_p之和。

当该装置运行在发电状态时，永磁转子以角速度ω₁旋转，经过调磁环调制作用，在靠近定子一侧的气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-ω₂，该磁场与电机定子产生相对运动切割发出电能。ω₁∶ω₂为速度变比，等于定子磁场极对数n_p与转子永磁体极对数n_r之比。

当该装置运行在电动状态时，在定子绕组中通以交流电，在靠近定子一侧的气隙中产生一个磁场，其旋转角速度为-ω₂，经过调磁环调制作用，在靠近转子一侧的气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为ω₁，该磁场与转子永磁体作用产生力矩。ω₁∶ω₂为速度变比，等于定子磁场极对数n_p与转子永磁体极对数n_r之比。

工作原理具体说明如下：具有n_r对永磁磁极的转子以速度ω₁旋转时，永磁体所产生的磁场经过静止的调磁环(假定调磁环导磁块个数为n_s)调制后，在气隙中形成一空间分布磁场，该磁场在半径为r，空间角度为θ处的磁感应强度径向分量B_r可表示为：

$B_r(r,\mathrm{\θ})=\left(\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\cos ({\mathrm{mn}}_r(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{r}t)+{\mathrm{mn}}_r{\mathrm{\θ}}_0)\right)\·({\mathrm{\λ}}_{r0}\left(r\right)+\underset{j=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\cos \left({\mathrm{jn}}_s\mathrm{\θ}\right))={\mathrm{\λ}}_{r0}\left(r\right)\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{rm}}\left(r\right)$

$\cos ({\mathrm{mn}}_r(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{r}t)+{\mathrm{mn}}_r{\mathrm{\θ}}_0)+\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}(b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right)\·\cos ({\mathrm{mn}}_r+{\mathrm{jn}}_s))\·(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{mn}}_r{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{mn}}_r+{\mathrm{jn}}_s}t)$

$+{\mathrm{mn}}_r{\mathrm{\θ}}_0\left)\right)+\frac{1}{2}\underset{m=\mathrm{1,3,5}...}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}((b_{\mathrm{rm}}\left(r\right)\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}\left(r\right).\cos ({\mathrm{mn}}_r-{\mathrm{jn}}_s))\·(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{mn}}_r{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{mn}}_r-{\mathrm{jn}}_s}t+{\mathrm{mn}}_r{\mathrm{\θ}}_0))$

其中：b_rm为没有调磁铁心时气隙磁场磁感应强度径向分量傅立叶系数；t为时间变量；θ₀为初始空间相位角；λ_r0为调磁环磁导平均值；λ_rj为引入调磁环后调磁环对磁场径向分量调制函数的傅立叶分解系数。

当m＝1，k＝-1时所对应的空间调制谐波磁场幅值最大。具体n_1，-1次谐波磁场的次数及对应转速为：

n_1，-1＝|n_s-n_r| ${\mathrm{\ω}}_{1,-1}=\frac{n_r}{n_r-n_s}{\mathrm{\ω}}_r$

因此，选择定子电枢的极对数与最大幅值的空间调制谐波磁场次数相同，即可实现电机极对数的变化，同时进行稳定的能量传递。

电机极对数的变比为：

$G=\frac{n_r-n_s}{n_r}$

对于不同的需要低速直驱的应用场合，可根据需要适当选择电机的转子极对数和定子磁场极对数来实现。

Claims (6)

1.一种基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，其特征在于：其包括圆形机壳(1)、沿圆周方向均匀嵌在圆形机壳(1)内壁基于磁齿轮的新型低速大转矩直驱复合电机中的调磁环(2)、与圆形机壳(1)相连的支撑环(9)、电枢绕组(3)和转子；支撑环(9)包括与圆形机壳(1)相连的第一连接部(91)、自该第一连接部(91)垂直延伸的支撑部(93)和与支撑部(93)相连且平行于第一连接部(91)的第二连接部(92)，电枢绕组(3)放置在支撑部(93)上，转子与第二连接部(92)相连，调磁环(2)内设有导磁块；

转子包括转子轭部(5)、沿圆周方向均匀贴在转子轭部(5)上的永磁体(4)、连接转子轭部(5)的转轴(7)、轴承(6)、与圆形机壳(1)相连的转子端盖(8)、通过轴承(6)与转子端盖(8)及支撑环(9)的第三连接部(93)转动连接的转子转轴(7)；

永磁体(4)极对数n_r与电枢绕组(3)极对数n_p之和等于调磁环(2)中导磁块个数n_s。

2.根据权利要求1所述的基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，其特征在于：永磁体(4)与调磁环(2)之间有气隙，调磁环(2)与电枢绕组(3)之间有气隙。

3.根据权利要求1所述的基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，其特征在于：调磁环(2)中导磁块材料为铁氧体。

4.根据权利要求1所述的基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，其特征在于：永磁体(4)材料为钕铁硼，充磁方向为径向。

5.根据权利要求1所述的基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，其特征在于：转子端盖(8)、外壳(1)、支撑环(9)、转轴(7)材料为不导磁的铝。

6.根据权利要求1所述的基于磁齿轮的低速大转矩直驱复合电机，其特征在于转子轭部(5)材料为硅钢片。

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