CN102324820A - 磁场调制型多功率端口永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的磁场调制型多功率端口永磁电机包括内转子，外转子和定子，定子铁芯沿圆周方向开槽，电枢绕组设置在定子铁芯槽内，内转子是表面式结构，其内转子永磁体粘贴在内转子铁芯外表面，或者内转子是内置式结构，其内转子永磁体嵌在内转子铁芯中，外转子铁芯的内表面为光滑表面，其外转子永磁体粘贴在外转子铁芯的内表面，或者外转子铁芯沿圆周方向开槽，其外转子永磁体嵌在外转子铁芯的槽内。该电机将永磁同步电机和永磁齿轮集成在一起，具有两个机械端口，即一个速度较高的内转子和一个经磁力减速的外转子。而电机电枢绕组则作为电功率端口，能量可以是双向流动的，既可以作电动机运行，也可以作为发电机运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁电机，尤其是具有两个机械端口和一个电功率端口的磁场调制型多功率端口永磁电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
随着高性能永磁材料的不断发展，采用磁力传动代替机械减速箱成为可能，而与传统机械传动部件相比，磁力传动有很多潜在的优点：非接触传动、无摩擦损耗、低振动、低噪声、不需要润滑、精确的转矩传动能力、固有的过载保护能力、免维护、无油污、高可靠，等等。磁力传动的种类较多，例如，磁力齿轮、磁力联轴器，等等。因而，在一些场合采用永磁齿轮来代替传统的机械减速箱结合电机驱动，可以解决由机械齿轮减速箱带来的种种问题。我国具有丰富的稀土资源，储量居世界第一位，而稀土永磁生产厂家也很多，无论是规模还是质量都达到了较高的水平，这为发展磁力传动打下了坚实的基础。另外，机械行业的发展正亟待新兴技术的推动与支撑；研发磁力传动机械，正是将传统的机械行业与日益发展的永磁材料技术、新型电磁设计理论与技术有机结合起来，具有诸多优势和很好的发展前途。研制出性能可靠的磁力传动部件来替代机械传动部件，会大大丰富稀土永磁材料的应用领域，提高机械传动的性能和可靠性，对中国稀土产业和机械行业的发展，以及相关的能源、环保等方面，都具有推动作用。
传统永磁齿轮传递的转矩和转矩密度都比较低，因此一直以来都不把永磁齿轮代替机械减速箱作为实现低速大转矩驱动的方案。一种基于磁场调制原理的永磁齿轮拓扑结构的提出，使得其转矩密度能够与二级或三级渐开线齿轮变速箱相比较，因而，当与常规的永磁无刷电机相结合，就可在电气化飞机引擎、船舶电力推进和风力发电等系统中作为内在的电动或发电部件，有着很明显的优势。从此采用永磁齿轮代替机械减速箱来联合电机作为实现低速大转矩驱动成为了一种可以实现的选择。
多功率端口电机的设计与应用始于交流电机调速及能量的变换和传递的需要。在一些特殊场合，如舰艇、电动汽车、矿山机械等存在机械能和电能之间的转换，还存在机械能的传递、调速等要求，采用多功率端口电机，不仅能极大地减小设备的体积和重量，提高效率，也能实现机械能和电能之间的相互转换和传递，实现节能和调速的要求。因而将永磁齿轮和电机集成驱动系统作为双机械端口电机应用，可以为多功率端口电机的设计提供一种选择，并可以扩展其应用范围。
发明内容
本发明的目的是提出一种将永磁齿轮和电机在磁场上耦合起来并在机械上合为一体的磁场调制型多功率端口永磁电机。
本发明的磁场调制型多功率端口永磁电机包括由内转子铁芯和内转子永磁体构成的内转子，由定子铁芯和电枢绕组构成的定子，由外转子永磁体和外转子铁芯构成的外转子，定子铁芯沿圆周方向开槽，电枢绕组设置在定子铁芯槽内，内转子是表面式结构，其内转子永磁体粘贴在内转子铁芯外表面，或者内转子是内置式结构，其内转子永磁体嵌在内转子铁芯中，外转子铁芯的内表面为光滑表面，其外转子永磁体粘贴在外转子铁芯的内表面，或者外转子铁芯沿圆周方向开槽，其外转子永磁体嵌在外转子铁芯的槽内。
本发明中，所说的定子铁芯槽可以是闭口槽，也可以是开口槽或半开口槽。所说的电枢绕组可以为双层分布绕组，也可以是单层分布绕组，可以是三相绕组，也可以是多相绕组。
本发明中，永磁体材料可以是钕铁硼，钐钴或铁氧体等，采用不同的充磁方式，例如平行充磁，径向充磁以及Halbach充磁等。
本发明中，内转子永磁体极对数p i 、定子铁芯的齿数Z和外转子永磁体的极对数p o 满足Z=p i + p o 。
为了使磁场调制型多功率端口永磁电机具有自启动能力，对于内置式结构的内转子，其内转子铁芯可以采用鼠笼式结构。
磁场调制型多功率端口永磁电机的内、外转子同时作为电机的转动部件连接到负载，定子电枢绕组通过电机控制器连接到直流电源。该电机将永磁同步电机和永磁齿轮集成在一起，具有两个机械端口，即一个速度较高的内转子和一个经磁力减速的外转子。而电机电枢绕组则作为电功率端口，能量可以是双向流动的，既可以作电动机运行，也可以作为发电机运行。
本发明的有益效果在于:
1.消除了机械接触产生的摩擦损耗和振动噪音等问题，无需保养以及固有的过载保护能力，有利于节能降耗、提高系统效率和系统可靠性。
2.作为低速大转矩运行状态时，具有高转矩密度和高功率因数，可以利用一般永磁同步电机简单成熟的控制系统，克服了传统永磁横向磁链电机的一些缺陷。
3.有三种工作状态，应用在混合动力汽车中替代行星齿轮系，或其他应用场合，可以克服行星齿轮系的缺点，并且结构紧凑，减轻重量，提高效率。
附图说明
图1 是本发明磁场调制型多功率端口永磁电机的一种结构示意图；
图2 是内转子结构的举例示意图。其中图（a）内转子为表面式结构，图（b）、（c）和（d）内转子为内置式结构；
图3 是鼠笼式内转子铁芯示意图；
图4 是外转子的结构举例示意图。其中图（a）外转子铁芯的内表面为光滑表面，图（b）外转子铁芯沿圆周方向开槽；
图5 是本发明电机三种运行状态示意图，其中图（a）处于永磁齿轮驱动和发电机状态，图（b）电机处于永磁齿轮驱动和电动机状态，图（c）处于纯电动机运行状态。
具体实施方式
参照图1，本发明的磁场调制型多功率端口永磁电机包括由内转子铁芯1和内转子永磁体2构成的内转子，由定子铁芯3和电枢绕组4构成的定子，由外转子永磁体5和外转子铁芯6构成的外转子，定子铁芯3沿圆周方向开槽，电枢绕组4设置在定子铁芯3槽内，图示实例中，内转子为表面式结构，内转子永磁体2粘贴在内转子铁芯1外表面，外转子铁芯6的内表面为光滑表面，外转子永磁体5粘贴在外转子铁芯6的内表面。
本发明中，电机内转子也可为内置式结构，如图2的（b）、（c）和（d）所示，这里四个内转子永磁体嵌在内转子铁芯中。
本发明中，对于内置式结构的内转子，其内转子铁芯可以采用鼠笼式结构，如图3所示，这样可使磁场调制型多功率端口永磁电机具有自启动能力。对于图2（b）和（c）所示的内转子铁芯也可以采用鼠笼式结构（图中未画鼠笼结构）。
本发明中，电机外转子也可如图4的（b）所示，外转子铁芯6沿圆周方向开槽，外转子永磁体5嵌在外转子铁芯6的槽内。
磁场调制型多功率端口电机驱动系统共有三种典型运行状态，三种运行状态如图5所示。
第一种运行状态即为永磁齿轮驱动和发电机运行状态（见a图），原动机通过内转子输入功率，外转子联接负载，定子绕组作为电功率端口通过AC/DC模块联接电池；第二种运行状态为永磁齿轮驱动和电动机状态（见b图），原动机通过内转子输入功率，外转子联接负载，定子绕组作为电功率端口通过DC/AC模块联接电池。在第一种运行状态下，如果驱动功率P in 保持不变，负载所需功率P out 低于驱动功率P in ，则集成于永磁齿轮内部的定子绕组通过AC/DC模块对电池充电，即处于发电机状态，将能量储存于电池中，如果负载所需P out 高于驱动功率P in ，则进入第二种运行状态，集成于永磁齿轮内部的定子绕组作为电功率端口通过DC/AC模块吸收电池中的能量而处于电动状态，补偿负载所需的能量，可以称之为可以发电的永磁齿轮，工作状态类似于丰田PRIUS的混合动力系统中的行星齿轮系。第三种状态为纯电动运行状态（见c图），内外转子分别联接负载，定子绕组作为电功率端口通过DC/AC模块联接电池。在运行过程中，集成于永磁齿轮内部的定子绕组作为电功率端口通过DC/AC模块吸收电池中的能量驱动内、外转子，即作为双机械端口电机运行，如果内转子处于空载状态，则在外转子实现低速大转矩驱动。
本发明的磁场调制型多功率端口电机驱动系统区别于现有的各种永磁齿轮和电机的集成驱动系统。其多运行状态的特点使其能够作为永磁齿轮应用，或作为低速大转矩电机应用，还可以作为替代混合动力汽车中的行星齿轮系的一种选择。其应用范围和前景十分广阔。
Claims (6)
1.磁场调制型多功率端口永磁电机，其特征在于包括由内转子铁芯（1）和内转子永磁体（2）构成的内转子，由定子铁芯（3）和电枢绕组（4）构成的定子，由外转子永磁体（5）和外转子铁芯（6）构成的外转子，定子铁芯（3）沿圆周方向开槽，电枢绕组（4）设置在定子铁芯（3）槽内，内转子是表面式结构，其内转子永磁体（2）粘贴在内转子铁芯（1）外表面，或者内转子是内置式结构，其内转子永磁体（2）嵌在内转子铁芯（1）中，外转子铁芯（6）的内表面为光滑表面，其外转子永磁体（5）粘贴在外转子铁芯（6）的内表面，或者外转子铁芯（6）沿圆周方向开槽，其外转子永磁体（5）嵌在外转子铁芯（6）的槽内。
2.根据权利要求1所述的磁场调制型多功率端口永磁电机，其特征在于定子铁芯（3）槽为闭口槽、开口槽或半开口槽。
3.根据权利要求1所述的磁场调制型多功率端口永磁电机，其特征在于电枢绕组（4）为双层分布绕组或单层分布绕组。
4.根据权利要求1所述的磁场调制型多功率端口永磁电机，其特征在于所述电枢绕组（4）为三相绕组或多相绕组。
5.根据权利要求1所述的磁场调制型多功率端口永磁电机，其特征在于所述内转子永磁体（2）极对数p i 、定子铁芯（3）的齿数Z和外转子永磁体（5）的极对数p o 满足Z=p i + p o 。
6.根据权利要求1所述的磁场调制型多功率端口永磁电机，其特征在于内置式结构的内转子铁芯（1）为鼠笼式结构。
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