CN102868268A - 新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机 - Google Patents

Abstract

新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机，是一种高转速气隙旋转磁场通过磁场电磁调制而直接实现低转速大力矩输出的新型直接驱动电机，可应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动等需要直接驱动的传动领域。其特征是：电机由极数为2p_s的定子、电磁调制式空心双鼠笼转子、极数为2p_r的永磁转子组成，三者之间呈径向同心式结构且存在两个气隙，分别对应两种同步转速不同的气隙旋转磁场；运行时，定子铁芯4中的定子绕组3流过三相对称交变电流，产生极数为2p_s的少极数高速气隙旋转磁场，经空心双鼠笼转子的导磁鼠笼13、导电鼠笼联合电磁调制后，成为极数为2p_r的多极数低速高次谐波旋转磁场，从而以低转速大力矩驱动永磁转子。

Description

新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机

技术领域

本发明是一种新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机，是一种高转速气隙旋转磁场通过磁场电磁调制而直接实现低转速大力矩输出的新型直接驱动永磁电机，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。

背景技术

根据旋转电机理论，要使电机获得持续稳定的负载运行能力，产生电磁感应的定子磁场和转子磁场必须保持相对静止，这就要求构成电机的定子和转子必须保持相同极数，为了节约原材料，电机往往设计成少极数的高速电机，但许多传动领域往往又需要低转速大力矩的输出，这使得常规电机在需要宽广的恒功率调速范围的应用受到很大限制，必须得借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，从而使得系统传动效率低、噪声大、可靠性差，整个传动系统体积大。长期以来机械齿轮传动技术的基本形式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等，尽管可以采用油脂润滑技术，但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，而且机械式齿轮传动的理论效率最多也只能达到85％，固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求。

近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国工程师从理论和样机的具体实践上完成了一种新型径向磁场磁性齿轮的设计工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域；但是，英国人提出的径向磁场磁性齿轮结构仅仅单纯地利用磁性材料的异极性相吸引原理来构建导磁鼠笼，这样的磁性齿轮传递的功率大小仅仅决定于磁性材料的磁能积大小，所以传递的力矩和能量虽有提高但还是受到磁能积的限制。2010年国内的上海大学在承接的国家“863”高科技项目(2007AA05Z233)中也提出了把磁性齿轮传动技术与永磁电机融为一体的设计方案并试制出首台复合电机的原形样机，但该设计方案也仅仅是把磁性齿轮和永磁电机在结构上进行了简单的一体化组合，从电磁场理论来看还是把永磁电机磁路与磁性齿轮磁路物理上分开设计的，使得复合电机具有3个气隙磁场，从而增加了昂贵的稀土材料的单位消耗量，从电机驱动来讲以上技术构思和设计还是仅仅单纯地把磁性材料作磁极的同步驱动概念，使得磁性传动所传递的功率大小仅仅决定于磁性材料的磁能积大小，还没考虑到在结构设计中借助于异步电机那种转子鼠笼自感应电流引入异步转矩来增加磁性齿轮所传递的功率。

发明内容

针对现有旋转电机技术、机械式齿轮传动技术在应用上存在的问题，以及最新的磁性传动技术的不足之处，本技术发明打破旋转电机定转子磁极极数必须保持相等以使产生电磁感应的定转子磁场保持相对静止的理论束缚，提供了一种高转速气隙旋转磁场通过磁场电磁调制而直接实现低转速大力矩输出的新型直接驱动永磁电机新结构。本发明的基本构思是：电机由极数为2p_s的定子、电磁调制式空心双鼠笼转子、极数为2p_r的永磁转子组成，三者之间呈径向同心式结构且存在两个气隙，分别对应两种同步转速不同的气隙旋转磁场；运行时，定子铁芯中的定子绕组流过三相对称交变电流，产生极数为2p_s的少极数高速气隙旋转磁场，经空心双鼠笼转子的导磁鼠笼、导电鼠笼联合电磁调制后，成为极数为2p_r的多极数低速高次谐波旋转磁场，从而以低转速大力矩驱动永磁转子。

以下结合图1和图2来说明这种新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的技术特征，图中：项1为后端盖，项2为定子机壳，项3为定子绕组，项4为定子铁芯，项5为导电铜条，项6为短路端环，项7为前端盖，项8为输出转轴，项9为转子永磁体，项10为转子铁芯，项11为滚动轴承I，项12为前内端盖，项13为导磁鼠笼，项14为后内端盖，项15为滚动轴承II；另外，图中字母符号标识：N表示极性N的永磁体，S表示极性S的永磁体，Z_S表示定子铁芯槽数，Zg表示空心双鼠笼转子的导磁栅齿数，n_r表示永磁转子转速，n_g表示空心双鼠笼转子转速，n_s表示定子气隙旋转磁场同步转速，2p_r表示永磁转子永磁体分布极数，2p_s表示定子气隙旋转磁场极数，m表示定子绕组相数，A、X分别表示A相定子绕组首端、末端，B、Y分别表示B相定子绕组首端、末端，C、Z分别表示C相定子绕组首端、末端。

(一)、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机由极数为2p_s的少极数的定子、电磁调制式空心双鼠笼转子、极数为2p_r的多极数的永磁转子组成，三者之间呈径向同心式结构，且在轴向两端由前端盖7、后端盖1、定子机壳2支撑固定，电磁调制式空心双鼠笼转子两边存在两个气隙，两气隙分别对应两种同步转速不同的气隙旋转磁场；

(二)、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的定子与电磁调制式空心双鼠笼转子间的气隙旋转磁场是极数为2p_s、同步转速为n_s的高速旋转磁场，由嵌装于定子铁芯4上Z_S个槽中的、相数m为3相、极数为2p_s的定子绕组3中流过的交变频率为f_s的三相对称交流电流产生，并满足以下关系约束：

$n_s=\frac{60\×f_s}{p_s};$

(三)、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的永磁转子与电磁调制式空心双鼠笼转子间的气隙旋转磁场是极数为2p_r、同步转速为n_r的低速高次谐波旋转磁场，由安装于转子铁芯10表面的、极数为2p_r的转子永磁体9产生，其中极数2p_r相对于极数2p_s为多极，且极对数p_r为正奇数；

(四)、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的电磁调制式空心双鼠笼转子中穿过的磁场是由定子绕组3产生的少极数高速旋转磁场与转子永磁体9产生的多极数低速旋转磁场而合成，该合成磁场通过空心双鼠笼转子的具有Zg个导磁栅齿的导磁鼠笼13、具有Zg个导电铜条5和两端的短路端环6构成的导电鼠笼联合调制；定子旋转磁场同步速度n_s、空心双鼠笼转子转速n_g和永磁转子转速n_r之间满足以下关系约束：

Z_g＝p_r+p_s；

$s=\frac{n_s-n_g}{n_s}\×100\%;$

$\frac{n_r}{n_s}=\frac{|p_r-s\×Z_g|}{p_r};$

当空心双鼠笼转子固定不动时为最大传动比，即n_g＝0，s＝1时，有：

$\frac{n_r}{n_s}=\frac{|p_r-Z_g|}{p_r}=\left|\frac{p_s}{p_r}\right|.$

采用上述技术方案所达到的技术经济效果：

与传统的电机与机械式齿轮传动所组成的驱动系统相比，本发明涉及的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机具有如下明显的优势：

①结构简单、节省材料和安装空间：以最简单的结构实现了低速大力矩的直接驱动，可直接取代许多传统的齿轮变速机构，简化系统结构，节省安装空间，对于风力发电机组、舰艇直接驱动具有实际应用价值。

②能量损耗小，传动效率高：由于消除了普通机械式齿轮传动的接触摩擦，驱动损耗仅仅只有电机损耗，理论上最高驱动效率可比传统的带机械齿轮传动机构的驱动系统普遍提高10％以上。

③可靠性高、寿命长、震动小、噪声低：由于无机械齿轮传动的机械接触摩损，无需润滑，清洁、无油污、防尘防水等；同时，也不存在机械齿轮传动时因齿部啮合接触而产生的震动和噪音；对于长期水下航行的舰船降低本体噪音具有重要意义。

④恒功率调速范围宽广：改变调节空心双鼠笼转子的转速n_g，即可在较大转速范围实现无级变速的传动要求，从而可直接取消常规机械变速系统常见的换档离合机构，这对混合动力汽车、电动汽车以及电动摩托车的无级变速实现具有实用价值。

⑤调节控制简单：通过正弦脉宽调制技术SPWM控制、逆变变频控制等成熟技术，就可以方便地实现调压、调频从而调节电机输出工况的要求，无须常规直流无刷方波电机的位置反馈回路，根据负载状况采用简单的开环控制即可满足绝大多数的应用场合。

与目前已知的磁性齿轮传动和永磁电机组合的复合电机驱动系统相比，本发明也具有如下优势：

⑥由于结构上增加了导电鼠笼，不仅增加了系统的调速手段和调速范围，还为复合永磁电机引入了传递异步功率的能力，使得单位永磁材料所传递的力矩和功率提高。

⑦传送相同的功率或力矩，采用本发明技术可极大地节省昂贵的稀土永磁材料消耗，从而降低电机成本，这对目前国内庞大的轮毂式电动车走出稀土永磁材料价格困境、节约国家稀缺战略资源也具有现实的应用意义。

附图说明

图1是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的径向平面全剖面图。

图2是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的轴向立体结构复合剖面图。

图3是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的定子绕组端部接线示意图。

图4是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的电磁调制式空心双鼠笼转子立体结构复合剖面图。

图5是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的永磁转子立体结构图。

以上图中：项1为后端盖，项2为定子机壳，项3为定子绕组，项4为定子铁芯，项5为导电铜条，项6为短路端环，项7为前端盖，项8为输出转轴，项9为转子永磁体，项10为转子铁芯，项11为滚动轴承I，项12为前内端盖，项13为导磁鼠笼，项14为后内端盖，项15为滚动轴承II；

另外，图中字母符号标识：N表示极性N的永磁体，S表示极性S的永磁体，Z_S表示定子铁芯槽数，Zg表示空心双鼠笼转子的导磁栅齿数，n_r表示永磁转子转速，n_g表示空心双鼠笼转子转速，n_s表示定子气隙旋转磁场同步转速，2p_r表示永磁转子永磁体分布极数，2p_s表示定子气隙旋转磁场极数，m表示定子绕组相数，A、X分别表示A相定子绕组首端、末端，B、Y分别表示B相定子绕组首端、末端，C、Z分别表示C相定子绕组首端、末端。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明涉及的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的内部结构关系特征做进一步的说明：

(一)、图1所示实施例是本发明所述的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的径向平面全剖面图，图2是本发明所述的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的轴向立体结构复合剖面图。新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机由极数为2p_s的少极数的定子、电磁调制式空心双鼠笼转子、极数为2p_r的多极数的永磁转子组成，三者之间呈径向同心式结构，且在轴向两端由前端盖7、后端盖1、定子机壳2支撑固定，电磁调制式空心双鼠笼转子两边存在两个气隙，两气隙分别对应两种同步转速不同的气隙旋转磁场；本实施例中定子气隙旋转磁场的极数为2p_s＝4极，定子铁芯槽数Z_s＝18，永磁转子磁极数为2p_r＝34极，电磁调制式空心双鼠笼转子的导磁栅齿数Z_g＝19，转速最大传动比 $\frac{n_r}{n_s}=\frac{p_s}{p_r}=\frac{2}{17}=\frac{1}{8.5};$

(二)、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的定子由定子铁芯4、定子绕组3和定子机壳2组成，定子铁芯由导磁的硅钢板冲压加工成冲片形状并多片叠压组焊成一整体；定子铁芯内圆周均匀分布有Zs个槽，槽中安放有Zs个双层结构的定子绕组3，定子绕组3采用可克服齿槽效应的、削弱高次谐波成分的分数槽分布的、短矩、双层叠绕组形式，并在端部接成相数m为3相、每相串联极数为2p_s的三相对称Y型绕组，图3是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的定子绕组端部接线示意图。在定子三相对称Y型绕组中通以交变频率为f_s的三相对称交流电流就会在定子与电磁调制式空心双鼠笼转子间的气隙中产生极数为2p_s、同步转速为n_s的高速旋转磁场；在本案实例中，定子绕组极数为2p_s＝4极，定子铁芯槽数Z_s＝18，定子气隙旋转磁场的极矩跨槽数为

定子绕组短矩跨槽数为4，定子绕组每极每相槽数为分数槽

在f_s＝60Hz的交流电流流过时，其定子气隙旋转磁场的同步转速是1800r/min。

(三)、在定子和永磁转子之间安装有电磁调制式空心双鼠笼转子，电磁调制式空心双鼠笼转子由两个空心鼠笼、前内端盖12、后内端盖14以及滚动轴承I11所组成；起内外气隙磁场调制作用的两个空心鼠笼，其一是具有Z_g个导磁栅齿的导磁鼠笼13，其二是具有Z_g个导电铜条5和两端的短路端环6所组成的导电鼠笼；导磁鼠笼13上沿圆周弧面上均匀分布有Z_g个长条形孔，长条形孔之间就是起导磁作用的Z_g个均匀分布的导磁栅齿，导磁鼠笼13由导磁的薄钢板经冲压成形，再经多片卷绕、叠压、铆焊成一整体；导磁鼠笼13的导磁栅齿之间长条形孔中装配有导电铜条5，并在导磁鼠笼13两端面与短路端环6焊接为一整体，从而构成径向对称的导电鼠笼绕组，导电鼠笼与导磁鼠笼交错排列形成空心双鼠笼转子结构；前内端盖12、后内端盖14与导磁鼠笼13之间采用紧配合连接。图4是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的电磁调制式空心双鼠笼转子立体结构复合剖面图。电磁调制式空心双鼠笼转子中穿过的磁场是由定子绕组3产生的少极数高速旋转磁场与转子永磁体9产生的多极数低速旋转磁场而合成，该合成磁场通过空心双鼠笼转子的具有Zg个导磁栅齿的导磁鼠笼13、具有Zg个导电铜条5和两端的短路端环6构成的导电鼠笼联合调制。在本案实例中，导磁栅齿数和导电铜条数Zg＝19，导电鼠笼的导电铜条5和短路端环6的设计根据需要的调速范围要求和转差率s来进行特殊设计。

(四)、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的永磁转子由2p_r个转子永磁体9、转子铁芯10、输出转轴8组成圆柱形状结构，转子永磁体9按N极S极间隔排列分布的方式分布于转子铁芯10的外圆表面，其中转子永磁体极数2p_r相对于定子磁场极数2p_s为多极，且极对数p_r为正奇数；转子铁芯10由导磁的硅钢板经冲压成片状叠压铆焊成一整体并与输出转轴8紧配合连接，永磁转子与定子和电磁调制式空心双鼠笼转子之间分别通过滚动轴承II15和滚动轴承I11连接。图5是新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的永磁转子立体结构图。在本案实例中，在定子绕组中流过60Hz的交流电流，且在空心双鼠笼转子固定不动的状态下，即在f_s＝60Hz，n_g＝0，s＝1时，永磁转子的对外输出转速为n_r＝212r/min，而在设计转差率为s＝0.5时，永磁转子的对外输出转速为n_r＝480r/min。

以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本技术发明原理的前提下，还可以作出若干结构变形和改进(如将本发明展示的“外定子、内转子”结构变形为“外转子、内定子”结构)，这些也应该视为本技术发明的保护范围，这些都不会影响本技术发明实施的效果和实用性。

Claims (4)

1.新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机，其特征是：

一、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机由极数为2p_s的少极数的定子、电磁调制式空心双鼠笼转子、极数为2p_r的多极数的永磁转子组成，三者之间呈径向同心式结构，且在轴向两端由前端盖(7)、后端盖(1)、定子机壳(2)支撑固定，电磁调制式空心双鼠笼转子两边存在两个气隙，两气隙分别对应两种同步转速不同的气隙旋转磁场；

二、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的定子与电磁调制式空心双鼠笼转子间的气隙旋转磁场是极数为2p_s、同步转速为n_s的高速旋转磁场，由嵌装于定子铁芯(4)Z_S个槽中的、相数m为3相、极数为2p_s的定子绕组(3)中流过的交变频率为f_s的三相对称交流电流产生，并满足以下关系约束：

$n_s=\frac{60\×f_s}{p_s};$

三、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的永磁转子与电磁调制式空心双鼠笼转子间的气隙旋转磁场是极数为2p_r、同步转速为n_r的低速高次谐波旋转磁场，由安装于转子铁芯(10)表面的、极数为2p_r的转子永磁体(9)产生，其中极数2p_r相对于极数2p_s为多极，且极对数p_r为正奇数；

四、新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机的电磁调制式空心双鼠笼转子中穿过的磁场是由定子绕组(3)产生的少极数高速旋转磁场与转子永磁体(9)产生的多极数低速旋转磁场而合成，该合成磁场通过空心双鼠笼转子的具有Zg个导磁栅齿的导磁鼠笼(13)、具有Zg个导电铜条(5)和两端的短路端环(6)构成的导电鼠笼联合调制；定子旋转磁场同步速度n_s、空心双鼠笼转子转速n_g和永磁转子转速n_r之间满足以下关系约束：

Z_g＝p_r+p_s；

$s=\frac{n_s-n_g}{n_s}\×100\%;$

$\frac{n_r}{n_s}=\frac{|p_r-s\×Z_g|}{p_r};$

当空心双鼠笼转子固定不动时为最大传动比，即n_g＝0，s＝1时，有：

$\frac{n_r}{n_s}=\frac{|p_r-Z_g|}{p_r}=\left|\frac{p_s}{p_r}\right|.$

2.根据权利要求1所述的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机，其特征是：在定子和永磁转子之间安装有电磁调制式空心双鼠笼转子，电磁调制式空心双鼠笼转子由两个空心鼠笼、前内端盖(12)、后内端盖(14)以及滚动轴承I(11)所组成；起内外气隙磁场调制作用的两个空心鼠笼，其一是具有Z_g个导磁栅齿的导磁鼠笼(13)，其二是具有Z_g个导电铜条(5)和两端的短路端环(6)所组成的导电鼠笼；导磁鼠笼(13)上沿圆周弧面上均匀分布有Z_g个长条形孔，长条形孔之间就是起导磁作用的Z_g个均匀分布的导磁栅齿，导磁鼠笼(13)由导磁的薄钢板经冲压成形，再经多片卷绕、叠压、铆焊成一整体；导磁鼠笼(13)的导磁栅齿之间长条形孔中装配有导电铜条(5)，并在导磁鼠笼(13)两端面与短路端环(6)焊接为一整体，从而构成径向对称的导电鼠笼绕组，导电鼠笼与导磁鼠笼交错排列形成空心双鼠笼转子结构；前内端盖(12)、后内端盖(14)与导磁鼠笼(13)之间采用紧配合连接。

3.根据权利要求1所述的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机，其特征是：永磁转子由2p_r个转子永磁体(9)、转子铁芯(10)、输出转轴(8)组成圆柱形状结构，转子永磁体(9)按N极S极间隔排列分布的方式分布于转子铁芯(10)的外圆表面，转子铁芯(10)由导磁的硅钢板经冲压成片状叠压铆焊成一整体并与输出转轴(8)紧配合连接，永磁转子与定子和电磁调制式空心双鼠笼转子之间分别通过滚动轴承II(15)和滚动轴承I(11)连接。

4.根据权利要求1所述的新型双鼠笼结构的气隙磁场电磁调制式永磁电机，其特征是：定子由定子铁芯(4)、定子绕组(3)和定子机壳(2)组成，定子铁芯由导磁的硅钢板冲压加工成冲片形状并多片叠压组焊成一整体；定子铁芯内圆周均匀分布有Zs个槽，槽中安放有Zs个双层结构的定子绕组(3)，定子绕组(3)在端部接成相数m为3相、每相串联极数为2p_s的三相对称Y型绕组，三相对称Y型绕组中通以交变频率为f_s的三相对称交流电流；定子绕组(3)采用可克服齿槽效应的、削弱高次谐波成分的分数槽分布的、短矩、双层叠绕组形式。

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