CN101951047A - 一种盘式永磁复合无刷电机 - Google Patents

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韩学栋
薛钟兵
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Abstract

本发明涉及一种盘式永磁复合无刷电机，该电机包括定子(1)、绕组(2)、静止调磁环(3)、磁齿轮外转子(4)、转子轭铁心(5)、永磁体(6)；磁齿轮外转子(4)与机壳合为一体，永磁体(6)沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心(5)上，定子(1)采用盘式开槽结构，绕组(2)嵌放在定子槽中，静止调磁环(3)采用盘形结构，置于磁齿轮外转子(4)与定子(1)之间。该电机在传统磁齿轮结构的基础上省去一个内转子，简化了加工工艺，节省了永磁材料，同时还去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。

Description

一种盘式永磁复合无刷电机
技术领域
本发明涉及一种新型盘式永磁复合无刷电机，属于新型特种电机技术。
背景技术
目前普通圆柱形电机存在一些弱点，如冷却困难和转子铁心利用率低等；同时，机械齿轮箱在诸多传动领域得到应用，以实现增速或减速，达到系统的要求。但是，这也使得整个传动系统的体积和重量大大增加，投资成本相应增加，除此之外，噪声大、效率低、传输精度低、响应慢也是其不足之处，齿轮箱的磨损会减少系统的寿命和可靠性。
盘式电机具有其独特的优点，同时磁齿轮的概念逐步得到推广，其应用范围也将不断扩大，此处将盘式电机与磁齿轮相结合，形成一种新型盘式永磁复合无刷电机，其具有如下优点：
(1)盘式结构电机具有结构简单、运行可靠、维护方便、轴向结构紧凑、效率高和无级调速等特点，尤其体积小和重量轻，大约为普通永磁电机的50％，特别适用于对体积和重量有苛刻要求的场合以及低速电机中。
(2)将磁齿轮引入到盘式电机中组成复合电机，这种结构通过磁齿轮实现一定的速度变比，无需配备减速机构。同时，由于磁齿轮噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载自动保护等优点。
(3)无刷结构省去了电刷，简化了电机结构和成本，省去了对电刷的维护与保养，增加了系统可靠性。
电机的高密度设计使得电机单位体积的损耗和发热量增大，导致电机各部份温度升高、转子永磁体的内禀矫顽力下降和加速永磁磁钢累积退磁效应的进程。圆柱形电机的结构特点限制了其散热的能力，但是盘式电机中盘形的转子结构提供了一个较大的散热面，有利于电机散热，从而为电机功率密度的增加提供了空间，同时将磁齿轮融合到盘式电机中，可有效地降低噪声，提高可靠性，并支持过载自动保护。
发明内容
技术问题：本发明通过提出一种盘式永磁复合无刷电机，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，同时在传统磁齿轮结构的基础上省去一个磁齿轮的内转子，简化装置制造工艺，减小电机的体积、重量和制造成本，提高效率、同时还去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。作为轮毂电机应用于电动汽车时内转子的省去也减少了汽车的非簧载质量，提高的驾乘的稳定性以及舒适性。盘式电机结构的应用将解决圆柱形径向电机冷却困难和铁心利用率低等问题，并具有较高的功率密度。
技术方案：本发明公开了一种新型盘式永磁复合无刷电机，该电机包括定子、绕组、静止调磁环、磁齿轮外转子、转子轭部、永磁体；磁齿轮外转子与机壳合为一体，永磁体沿圆周方向均匀嵌放在转子轭上，定子采用盘式开槽结构，绕组嵌放在定子槽中，静止调磁环采用盘形结构，置于磁齿轮外转子与定子之间。
磁齿轮外转子与静止调磁环之间有气隙，静止调磁环与定子之间有气隙，较以往磁齿轮结构省去一个磁齿轮的内转子。
磁齿轮外转子采用永磁体与转子轭铁心交错的形式，所有永磁体极性方向相同，永磁体材料为钕铁硼，充磁方向为轴向。
静止调磁环采用调磁块和非调磁块沿圆周方向均匀分布的结构，调磁块材料为硅钢片，非调磁块材料为非导磁的铝。
所述静止调磁环中的调磁块数等于转子永磁体数与定子磁场极对数之和。
当定子绕组通以一定频率的交流电时，在靠近定子一侧的气隙中产生一个以角速度ω1旋转的磁场，经过调磁环调制作用，在靠近磁齿轮外转子一侧的气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-ω2，该磁场与磁齿轮外转子上的永磁体相互作用，带动磁齿轮外转子旋转，通过改变通过绕组的电压频率从而实现不同的角速度ω1，进而得到不同的外转子旋转速度-ω2，实现调速驱动。ω1∶ω2为速度变比，等于磁齿轮外转子永磁体数与内定子极对数之比。
为调制出最大的谐波磁场，取静止调磁环中调磁铁块数等于磁齿轮外转子永磁体数与定子极对数之和。
有益效果：
(1)省去了机械变速齿轮箱，但却可以获得较大的机械转矩，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，避免了由内转子带来的机械振动以及噪声。应用于电动汽车，减少了非簧载质量，提高的驾乘的稳定性以及舒适性；
(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、效率高以及可靠性高等优点；
(4)转子永磁体内嵌在转子铁心中不会发生受力脱落现象，提高了机械可靠性，减少了永磁用量，降低了生产成本；
(5)转子永磁体之间通过铁心隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，从而降低了转子永磁体中的涡流损耗。
(6)能在低速下提供较大的转矩，满足电动汽车在低速或者爬坡时对大扭矩的要求。
(7)盘形结构提供了较大的散热面，较径向电机具有较好的冷却效果，具有较高的铁心利用率，也具有较大的功率密度以满足车轮电机对重量的苛刻要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中有：定子1、绕组2、静止调磁环3、磁齿轮外转子4、转子轭铁心5、永磁体6、调磁块7、非调磁块8。磁齿轮外转子与调磁环之间，调磁环与定子之间均有气隙。
图2为本发明磁通示意图。
其中有：定子1、转子轭铁心5、永磁体6、静止调磁环的调磁块7、静止调磁环的非调磁块8、磁通路径9。
具体实施方式
下面是本发明的具体实施，用来进一步描述：
本发明是一种新型盘式永磁复合无刷电机，该装置包括定子1、静止调磁环3、磁齿轮外转子4；磁齿轮外转子作为复合电机的转子与机壳合为一体，永磁体6沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心5中。定子1采用盘式开槽结构，静止调磁环3采用盘形结构，置于定子1和磁齿轮外转子4之间。
如图1所示为该电机结构：定子1与静止调磁环3之间有气隙、静止调磁环3与磁齿轮外转子4之间有气隙。
本发明的基本原理为调磁环的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，既可以运行在电动状态，也可以运行在能量回馈状态。
当该电机运行在电动状态时，定子线圈中通以一定频率的交流电，在靠近定子一侧的气隙中产生一个以角速度ω1旋转的磁场，经过调磁环调制作用，在靠近磁齿轮外转子一侧的气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-ω2，该磁场与磁齿轮外转子上的永磁体相互作用，带动磁齿轮外转子旋转，通过改变通过绕组的电压大小以及频率从而实现不同的角速度ω1，进而得到不同的转子旋转速度-ω2，实现调速驱动。ω1∶ω2为速度变比，等于磁齿轮外转子永磁体数nr与定子磁场极对数np之比。所以，该电机可作为直接驱动型的轮毂电机应用到电动汽车中，能满足在低速时对较大转矩的要求，同时可以实现电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。
当该电机运行在发电状态时，永磁低速磁齿轮外转子以角速度-ω2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ω1，该磁场与电机定子绕组产生相对运动，切割绕组线圈产生电能。ω1∶ω2为速度变比，等于磁齿轮外转子永磁体数nr与定子的磁场极对数np之比。通常情况下，磁齿轮外转子永磁体数nr是远大于定子磁场极对数np的，因此可实现该电机在低速条件下发电运行。
调磁铁块数ns等于转子永磁体数nr与定子磁场极对数np之和，永磁体数与定子极对数之比即为该复合电机可实现的速度变比。该装置通过改变电机的转子极数和调磁块数，可应用于不同的需要低速直驱的场合，省去了机械齿轮箱和磁齿轮的一个内转子，减小了电机的体积，提高了系统的效率。在直接驱动领域，要求低速下具有较大的输出转矩，该电机解决了传统电机低速运行体积大的缺点，能输出较大的稳定转矩。与普通的圆柱式径向磁场电机相比，盘式电机具有较高的功率密度，在一些要求薄型安装场合更有优势，盘式永磁无刷电机具有结构简单、运行可靠、控制灵活、换向性能好、效率高等诸多优点。同时该电机在传统磁齿轮结构的基础上省去一个内转子，简化了加工工艺，节省了永磁材料，同时还去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。

Claims (5)

1.一种盘式永磁复合无刷电机，其特征在于该电机包括定子(1)、绕组(2)、静止调磁环(3)、磁齿轮外转子(4)、转子轭铁心(5)、永磁体(6)；磁齿轮外转子(4)与机壳合为一体，永磁体(6)沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心(5)上，定子(1)采用盘式开槽结构，绕组(2)嵌放在定子槽中，静止调磁环(3)采用盘形结构，置于磁齿轮外转子(4)与定子(1)之间。
2.根据权利要求1所述的一种盘式永磁复合无刷电机，其特征在于磁齿轮外转子(4)与静止调磁环(3)之间有气隙，静止调磁环(3)与定子(1)之间有气隙，较以往磁齿轮结构省去一个磁齿轮的内转子。
3.根据权利要求1所述的一种盘式永磁复合无刷电机，其特征在于磁齿轮外转子(4)采用永磁体(6)与转子轭铁心(5)交错的形式，所有永磁体极性方向相同，永磁体(6)材料为钕铁硼，充磁方向为轴向。
4.根据权利要求1所述的一种盘式永磁复合无刷电机，其特征在于静止调磁环(3)采用调磁块(7)和非调磁块(8)沿圆周方向均匀分布的结构，调磁块(7)材料为硅钢片，非调磁块(8)材料为非导磁的铝。
5.根据权利要求1所述的一种盘式永磁复合无刷电机，其特征在于所述静止调磁环(3)中的调磁块数等于转子永磁体数与定子磁场极对数之和。
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