CN103441651A

CN103441651A - 一种多端口能量转换装置

Info

Publication number: CN103441651A
Application number: CN2013103956972A
Authority: CN
Inventors: 付兴贺; 李红艳; 林明耀
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103441651B

Abstract

一种多端口能量转换装置包括由低速侧转子轭（1）和位于低速侧转子轭（1）内测的低速侧永磁体（2）组成的低速侧转子，高速侧转子轭（6）和位于高速侧转子轭（6）内侧的高速侧永磁体（5）组成的高速侧转子，以及由电枢绕组（4）和位于电枢绕组（4）两侧的调磁铁块（3）组成的调磁机构；低速侧转子和高速侧转子分别位于调磁机构两侧，与调磁机构之间留有空气间隙，且与调磁机构同轴；低速侧转子和高速侧转子分别连接低速转轴和高速转轴，转轴可自由旋转。该转换装置具有两个机械端口和一个电气端口，实现机械能和电能之间的多方向多输出转换。

Description

一种多端口能量转换装置

技术领域

本发明涉及一种多端口能量转换装置，适用于非接触式变速驱动、多向能量转换等场合，属于特种电磁装备领域。

背景技术

作为一种速度转换装置，机械齿轮在工农业生产、国防、航空、航天等领域有着广泛应用。但是，机械齿轮存在着诸如噪音大、维护多、寿命短、不隔离等问题。永磁齿轮是一种非接触式的传动装置，具有可靠性好、传动平稳、寿命长，无摩擦能耗、无需润滑、无油污，输入与输出隔离，自动过载保护等优点。因此，在众多领域可由永磁齿轮可代替传统的机械齿轮，以减小维护工作量、降低噪音、污染、以及出现问题和故障的概率。

尽管永磁齿轮能较好地实现速度转换，但其所能传递的转矩密度较小、效率较低，这一问题使永磁齿轮的应用受到了限制，进而促使人们不断改进传统永磁齿轮的基本结构。近期，基于磁场调制原理的永磁齿轮拓扑结构问世，大大提升了永磁齿轮所传递的转矩和效率。基于磁场调制原理的永磁齿轮与传统永磁齿轮的区别在于两个动子间加入了调磁机构，实现了气隙磁场的调制，增加了能量转换效率。这种结构的永磁齿轮在电气化飞机引擎、船舶电力推进和风力发电等场合有着巨大的优势和应用前景。

现有基于磁场调制原理的永磁齿轮只能实现机械能到机械能的传递，能量转换模式单一。拓展永磁齿轮的能量转换模式是一种极具挑战性的工作，具有实际意义和应用价值。例如，风力发电领域一直追求变速恒频并网运行，通过使用具有调速功能的永磁齿轮则可在变风速下满足这一要求；另外，遇到强风时风力发电领域要弃风运行以保证机组安全，通过使用具有多能量转换模式的永磁齿轮即可保证发电机组的正常运行，还可以将多余机械能转换成电能从另外的电气端口对外输出，丰富了系统的能量转换模式，提高了风能的利用率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种多端口能量转换装置，旨在通过将永磁齿轮和电机技术进行有效组合，实现多个方向机电能量的转换及速度和功率控制。

技术方案：本发明的多端口能量转换装置包括由低速侧转子轭和位于低速侧转子轭内测的低速侧永磁体组成的低速侧转子，高速侧转子轭和位于高速侧转子轭内测的高速侧永磁体组成的高速侧转子，以及由电枢绕组和位于电枢绕组两侧的调磁铁块组成的调磁机构；低速侧转子和高速侧转子分别位于调磁机构两侧，与调磁机构之间留有空气间隙，且与调磁机构同轴；低速侧转子和高速侧转子分别连接低速转轴和高速转轴，转轴可自由旋转。

所述的调磁铁块的数量Z、高速侧转子永磁体极对数P_h和低速侧转子永磁体极对数P_l三者满足Z=P_h+P_l。

低速侧转子、高速侧转子以及调磁机构的工作转速满足P_ln_l+P_hn_h＝Zn_s，其中：n_l为低速侧转子的转速、n_h为高速侧转子的转速、n_s为调磁装置的转速。

当调磁机构固定时，转速n_s为零，此时高低速转子的转速比G满足

G = \frac{n_{h}}{n_{l}} = \frac{P_{l}}{P_{h}} .

高速侧转子轭、调磁铁块和低速侧转子轭由导磁材料制成。

位于电枢绕组同一侧相邻的调磁铁块之间为空气隙或填充非导磁材料。

低速侧转子永磁体采用表面粘贴式或内嵌式结构固定在低速侧转子轭上；高速侧转子永磁体采用表面粘贴式或内嵌式结构固定在高速侧转子轭上。

固定在调磁机构上的电枢绕组为单相绕组或多相绕组。

固定在调磁机构上的电枢绕组为双层绕组或单层绕组。

高速侧转子永磁体（5）和低速侧转子永磁体（2）采用轴向充磁方式，沿转子圆周方向排列。

该装置内的磁通依次经过高速（或低速）侧永磁体N极、气隙、调磁铁块、气隙、低速（或高速）侧永磁体S极、低速（或高速）侧转子轭、低速（或高速）侧永磁体N极、气隙、调磁铁块、高速（或低速）侧永磁体S极、高速（或低速）侧转子轭，最后至高速（或低速）侧永磁体N极闭合。

该装置完成机械能到机械能的转换时，电枢绕组开路，机械功率从高速侧转子（或低速侧转子）输入，高速侧转子（或低速侧转子）和其永磁体产生的磁场旋转，与低速侧转子（或高速侧转子）磁场耦合后，带动低速侧转子（或高速侧转子）同向旋转，机械功率从低速侧转子（或高速侧转子）输出，此时装置可视为一台具有磁场调制能力的永磁齿轮。

该装置完成机械能到电能的转换时，电枢绕组两端接负载，机械功率从高速侧转子（或低速侧转子）输入，高速侧转子（或者低速侧转子）和其永磁体产生的磁场以一定角速度旋转，在调磁块中产生调磁波磁场，与电枢绕组产生切相对运动发出电能，电能从电枢绕组中输出。

该装置完成电能到机械能的转换时，电枢绕组通入一定频率的交流电，产生一定角速度的旋转磁场，与高速侧转子或者低速侧转子磁场耦合后，带动高速侧转子（或者低速侧转子）旋转，机械功率从低速侧转子（或高速侧转子）输出。

有益效果：

1）实现转速变化的同时消除了机械式齿轮箱的摩擦损耗和振动噪音等问题；

2）实现了无接触动力传动，无需润滑油和定期维护保养；

3）具有自动过载保护能力，提高了系统的可靠性；

4）能够实现机械能到机械能，机械能到电能以及电能到机械能的一种或多种转换。

附图说明

图1为本发明的轴向展开结构示意图。

图2为本发明的调磁铁块和电枢绕组结构示意图。

图3为本发明的磁钢内嵌式的转子结构示意图。

图4为本发明的磁钢表面粘贴式的转子结构示意图。

图5为本发明沿径向剖开后的平面展开结构示意图。

图6为本发明的四种运行状态示意图。其中(a)处于永磁齿轮驱动状态；（b）处于永磁齿轮驱动和发电机运行状态；（c）处于永磁齿轮驱动和电动机状态；（d）处于纯电动运行状态。

图中有：低速侧转子轭1、低速侧永磁体2、调磁铁块3、电枢绕组4、高速侧永磁体5、高速侧转子轭6。

具体实施方式

多端口能量转换装置包括高速侧转子、低速侧转子和调磁机构，高速和低速侧转子分居在调磁机构两侧，与调磁机构之间留有空气间隙，空间上关于调磁机构对称，轴线与调磁机构的轴线重合。低速侧转子和高速侧转子上分别安装永磁体，高速侧和低速侧转子分别与高速和低速转轴相连，两转轴可自由旋转。调磁铁块由导磁材料制成，调磁铁块上放置有电枢绕组（如图2所示）。

调磁铁块的数量Z、高速侧转子永磁体5极对数P_h和低速侧转子永磁体2极对数P_l满足Z=P_h+P_l。

所述的高速侧转子和低速侧转子均采用表贴磁钢结构（如图3所示），转子轭为圆盘无槽结构。N极和S极永磁体粘贴在转子轭上，永磁体轴向充磁。沿转子圆周方向，N极和S极永磁体交错排列，两者间留有空气隙。

或者，所述的高速侧转子和低速侧转子均采用内嵌式磁钢结构（如图4所示），转子轭为有槽结构，槽中放置永磁体。转子轭上的N极和S极永磁体轴向充磁。沿转子圆周方向，高速侧转子（或者低速侧转子）永磁体的S极和N极相向相邻交错排列。

或者，所述的高速侧转子采用表贴磁钢结构（如图3所示），低速侧转子采用内嵌式磁钢结构（如图4所示）。

或者，所述的高速侧转子采用内嵌式磁钢结构（如图4所示），低速侧转子采用表贴磁钢结构（如图3所示）。

所述的调磁机构中相邻的调磁铁块间留有空气隙，利用非导磁材料将各调磁铁块固定在一起，并与其它机构相连、固定。或者，所述的调磁机构中相邻的调磁铁块间采用环氧树脂或其他非导磁材料填充，再将所有填充材料和调磁铁块固定在一起与其它机构相连、固定。

所述的调磁机构中相邻的调磁铁块采用开槽结构，槽中放置电枢绕组。或者，所述的调磁机构中相邻的调磁铁块为无槽结构，电枢绕组直接绕在调磁铁块表面。

所述的电枢绕组可为单相绕组或多相绕组。

根据能量流动方向的不同，多端口能量转换装置的工作状态可分为四种，如图6所示。

状态一完成机械能到机械能的转换（所图6（a）所示），此时电枢绕组开路，机械功率从高速侧转子（或低速侧转子）输入，经变换后从低速侧转子（或高速侧转子）输出，整套装置可视为一台具有磁场调制能力的永磁齿轮。

状态二完成机械能到机械能和电能的转换（所图6（b）所示），此时电枢绕组4两端接负载，机械功率从高速侧转子（或低速侧转子）输入，经变换后从低速侧转子（或高速侧转子）输出，电功率则从电枢绕组4两端输出。

状态三完成机械能和电能到机械能的转换（所图6（c）所示），此时电枢绕组两端接电源，机械功率从高速侧转子（或低速侧转子）输入，经变换后从低速侧转子（或高速侧转子）输出。通过调节电源电压或电流的大小，调节输出侧转子的转速，进而调节输出功率。

状态四完成电能到机械能的转换（所图6（d）所示），此时电枢绕组两端接电源，机械功率从高速侧转子和低速侧转子输出，整套装置可视为一台双转子电动机。通过调节电源电压或电流的大小，调节转子的转速和输出功率。

本发明的多端口能量转换装置采用轴向磁场结构，通过在调磁机构上增加电枢绕组，引入了能控制能量传递方向的独立变量，极大地丰富了换能装置的工作模式。

高速侧转子永磁体和低速侧转子永磁体由钕铁硼、钐钴或者其它永磁材料制成。

高速侧转子永磁体5和低速侧转子永磁体2为一体式结构或分块式结构。

调磁机构可固定或旋转。

调磁铁块3为开槽结构或不开槽结构。

高速侧转子的内外径等于、大于或小于低速侧转子的内外径。

Claims

1.一种多端口能量转换装置，其特征在于该装置包括由低速侧转子轭（1）和位于低速侧转子轭（1）内侧的低速侧永磁体（2）组成的低速侧转子，高速侧转子轭（6）和位于高速侧转子轭（6）内侧的高速侧永磁体（5）组成的高速侧转子，以及由电枢绕组（4）和位于电枢绕组（4）两侧的调磁铁块（3）组成的调磁机构；低速侧转子和高速侧转子分别位于调磁机构两侧，与调磁机构之间留有空气间隙，且与调磁机构同轴；低速侧转子和高速侧转子分别连接低速转轴和高速转轴，转轴可自由旋转。

2.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：所述的调磁铁块（3）的数量Z、高速侧转子永磁体（5）极对数P_h和低速侧转子永磁体（2）极对数P_l三者满足Z=P_h+P_l。

3.根据权利要求2所述的多端口能量转换装置，其特征在于：低速侧转子、高速侧转子以及调磁机构的工作转速满足P_ln_l+P_hn_h＝Zn_s，其中：n_l为低速侧转子的转速、n_h为高速侧转子的转速、n_s为调磁装置的转速。

4.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：当调磁机构固定时，转速n_s为零，此时高低速转子的转速比G满足

5.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：高速侧转子轭（6）、调磁铁块（3）和低速侧转子轭（1）由导磁材料制成。

6.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：位于电枢绕组（4）同一侧相邻的调磁铁块（3）之间为空气隙或填充非导磁材料。

7.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：低速侧转子永磁体（2）采用表面粘贴式或内嵌式结构固定在低速侧转子轭（1）上；高速侧转子永磁体（5）采用表面粘贴式或内嵌式结构固定在高速侧转子轭（6）上。

8.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：固定在调磁机构上的电枢绕组（4）为单相绕组或多相绕组。

9.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：固定在调磁机构上的电枢绕组（4）为双层绕组或单层绕组。

10.根据权利要求1所述的多端口能量转换装置，其特征在于：高速侧转子永磁体（5）和低速侧转子永磁体（2）采用轴向充磁。