CN102104303A - 一种基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机 - Google Patents

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本发明提供一种将盘式电机与磁齿轮相结合，形成一种基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机，其结构简单，易于制造，体积小、重量轻，降低了制造成本，提高了效率及电机的容量，同时振动小、噪声低、稳定性高。它包括支承轴、机壳、磁齿轮外转子、定子、永磁体、转子轭铁心、绕组、定子槽、调磁块；盘式定子固定在支承轴上，两个盘式磁齿轮外转子转动设置在支承轴上，磁齿轮外转子与机壳为一体；定子左右两侧面上开有定子槽；调磁块与定子齿相连而形成与定子合为一体的结构，相邻的调磁块之间为空气隙；与定子侧面相对的磁齿轮外转子端面具有沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心上的永磁体，定子及磁齿轮外转子在轴向上呈左右两侧镜像对称结构。

Description

一种基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机
技术领域
本发明涉及一种基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机，属于新型特种电机技术。
背景技术
目前普通径向磁场的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。
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。
盘式电机具有其独特的优点，其应用范围也将不断扩大。
发明内容
本发明的目的是提供一种将盘式电机与磁齿轮相结合，形成一种基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机，其结构简单，易于制造，减小了电机的体积、重量，降低了制造成本，提高了效率及电机的容量，同时振动小、噪声低、稳定性高。
本发明的基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机，包括支承轴1、机壳3、磁齿轮外转子4、定子5、永磁体6、转子轭铁心7、绕组8、定子槽9、调磁块10；盘式定子5固定在支承轴1上，位于定子5左右两侧的两个盘式磁齿轮外转子4转动设置在支承轴1上，磁齿轮外转子4与机壳合为一体；定子5的左右两侧面上开有用于嵌放绕组8的定子槽；调磁块10与定子齿12相连而形成与定子5合为一体的结构，相邻的调磁块10之间为空气隙11；与定子5侧面相对的磁齿轮外转子4端面具有沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心7上的永磁体6，定子5及磁齿轮外转子4在轴向上呈左右两侧镜像对称结构。
上述的复合电机，相对的磁齿轮外转子4与调磁块10之间有气隙。调磁块与相邻的定子槽之间的定子齿直接相连，是定子齿的一部分。该结构较以往磁齿轮结构省去一个磁齿轮的内转子以及独立的调磁环部件，省去两层气隙。调磁的功能由调磁块10和调磁块10之间不导磁的空气隙11来实现。
上述的复合电机，一侧磁齿轮外转子4上的所有永磁体极性相同，且与另一侧磁齿轮外转子4上的永磁体极性相反，即两侧的磁齿轮外转子上的永磁体充磁方向相向或者相悖，永磁体6材料为钕铁硼，充磁方向为轴向。
上述的复合电机，调磁块10与定子5的材料为硅钢片。调磁块直接与定子齿相连，每个齿上调磁块的个数根据设计要求而确定，调磁块材料为硅钢片。
上述的复合电机，所述定子一侧上调磁块10的个数ns等于一侧磁齿轮外转子上永磁体数nr与定子一侧磁场极对数np之和。因该电机为轴向的对称结构，故两侧完全相同。
当该装置运行在电动状态时，定子绕组通以一定频率的交流电时，在定子槽中产生一个以角速度ω1旋转的磁场，经过调磁块调制作用，调磁块与磁齿轮外转子之间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，等于一侧磁齿轮外转子永磁体数与定子一侧绕组磁场极对数之比。
当该装置运行在发电状态时，永磁低速外转子以角速度-ω2旋转，经过调磁块的调制作用，在定子槽中产生一个以角速度ω1旋转的调制波磁场，该磁场与电机定子上绕组产生相对运动切割发出电能。ω1∶ω2为速度变比，等于一侧磁齿轮外转子永磁体数与定子一侧绕组磁场极对数之比。
为调制出最大的谐波磁场，取定子一侧上调磁块个数等于一侧转子永磁体数与定子一侧磁场极对数之和。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过将盘式电机与磁齿轮复合的方法，解决了传统电机低速运行体积大、系统复杂、稳定性不足的缺点。盘式结构电机具有运行可靠、结构简单、结构紧凑、维护方便、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。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，具有磁齿轮的噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载自动保护等优点。本发明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及独立的调磁环部件，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；
(3)镜像对称的电机结构，较大程度抵消了定子与两侧转子间的单边磁拉力，同时还可提高电机的容量。
(4)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、高效率以及高可靠性等优点；
(5)磁齿轮外转子采用永磁体与转子轭铁心交错的形式(永磁体沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心7上)。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；
(6)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。
(7)能在低速下提供较大的转矩。
(8)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，有利于电机散热，从而为电机功率密度的增加提供了空间，具有较高的铁心利用率，也具有较大的功率密度。
(9)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。
简而言之，本发明的基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机，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以及独立的调磁环部分，简化了装置制造工艺，减小了电机的体积、重量，降低了制造成本，提高了效率及电机的容量，同时还去除了由内转子带来的较大的振动、噪声以及独立调磁环部件引入的电机稳定性降低问题。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。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中定子部分示意图。
图3为本发明中定子沿径向剖开然后拉直后的详细展开示意图。
图4为本发明磁通示意图。
图中，支承轴1、轴承2、机壳3、磁齿轮外转子4、定子5、永磁体6、转子轭铁心7、绕组8、定子槽9、调磁块10，空气隙11，定子齿12，磁通路径13、右侧(磁齿轮外转子上的)永磁体充磁方向14、左侧(磁齿轮外转子上的)永磁体充磁方向15。
具体实施方式
下面结合图纸，进一步描述本发明。
本发明是一种基于磁齿轮的新型盘式低速大转矩复合电机，参见图1、2，该装置包括支承轴1、轴承2、机壳3、磁齿轮外转子4、定子5、永磁体6、转子轭铁心7、绕组8、定子槽9、调磁块10。
盘式定子5固定在支承轴1上，位于定子5左右两侧的两个盘式磁齿轮外转子4通过轴承2转动设置在支承轴1上。磁齿轮外转子4与机壳合为一体。
定子5采用盘式开槽结构，其左右两侧面上开有定子槽；绕组8嵌放在定子槽中。参见图3，调磁块1与定子5合为一体，调磁块10与相邻的定子槽之间的定子齿12直接相连，调磁块10之间为非导磁的空气隙11。与定子5侧面相对的磁齿轮外转子4端面上具有永磁体6，永磁体6沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心7上。参见图1，调磁块10与磁齿轮外转子4之间有气隙。
该电机的定子5及磁齿轮外转子4在轴向上呈镜像对称结构，分为镜像对称的左右两侧。
本发明的基本原理为调磁块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。
当该装置运行在电动状态时，定子绕组通以一定频率的交流电时，在定子槽中产生一个以角速度ω1旋转的磁场，经过调磁块调制作用，调磁块与磁齿轮外转子之间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，等于一侧磁齿轮外转子永磁体数与定子一侧绕组磁场极对数之比。
当该装置运行在发电状态时，永磁低速外转子以角速度-ω2旋转，经过调磁块的调制作用，在定子槽中产生一个以角速度ω1旋转的调制波磁场，该磁场与电机定子上绕组产生相对运动切割发出电能。ω1∶ω2为速度变比，等于一侧磁齿轮外转子永磁体数与定子一侧绕组磁场极对数之比。
定子一侧上调磁块的个数ns等于一侧转子永磁体数nr与定子一侧磁场极对数np之和，一侧转子永磁体数与定子一侧磁场极对数之比即为该复合电机可实现的速度变比。在满足定子一侧上调磁块的个数ns等于一侧转子永磁体数nr与定子一侧磁场极对数np之和的前提下，该装置通过改变电机定子一侧上调磁块的个数、一侧转子永磁体数以及定子一侧磁场极对数，可应用于不同的需要低速直驱的场合。
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。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，省去了机械齿轮箱和磁齿轮的一个内转子以及独立的调磁环部件，减小了电机的体积，提高了系统的效率以及可靠性，能输出较大的稳定转矩，同时该电机镜像对称的结构也可增加装置本身的容量以及较大程度抵消定子与两侧转子间的单边磁拉力。同时该电机在传统磁齿轮结构的基础上省去一个内转子以及独立的调磁环部件，简化了加工工艺，节省了永磁材料，去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。

Claims (5)

1.一种基于磁齿轮的盘式低速大转矩复合电机，其特征在于：它包括支承轴(1)、机壳(3)、磁齿轮外转子(4)、定子(5)、永磁体(6)、转子轭铁心(7)、绕组(8)、定子槽(9)、调磁块(10)；盘式定子(5)固定在支承轴(1)上，位于定子(5)左右两侧的两个盘式磁齿轮外转子(4)转动设置在支承轴(1)上，磁齿轮外转子(4)与机壳合为一体；定子(5)的左右两侧面上开有用于嵌放绕组(8)的定子槽；调磁块(10)与定子齿(12)相连而形成与定子(5)合为一体的结构，相邻的调磁块(10)之间为空气隙(11)；与定子(5)侧面相对的磁齿轮外转子(4)端面具有沿圆周方向均匀嵌放在转子轭铁心(7)上的永磁体(6)，定子(5)及磁齿轮外转子(4)在轴向上呈左右两侧镜像对称结构。
2.如权利要求1所述的复合电机，其特征在于：相对的磁齿轮外转子(4)与调磁块(10)之间有气隙。
3.如权利要求1所述的复合电机，其特征在于：一侧磁齿轮外转子(4)上的所有永磁体极性相同，且与另一侧磁齿轮外转子(4)上的永磁体极性相反，永磁体(6)材料为钕铁硼，充磁方向为轴向。
4.如权利要求1所述的复合电机，其特征在于：调磁块(10)与定子(5)的材料为硅钢片。
5.如权利要求1所述的复合电机，其特征在于：所述定子一侧上调磁块(10)的个数ns等于一侧磁齿轮外转子上永磁体数nr与定子一侧磁场极对数np之和。
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