CN103915973A - 盘式磁场调制型交流永磁减速电机 - Google Patents

Abstract

盘式磁场调制型交流永磁减速电机，包括依次并同轴安装的励磁定子组件、调制盘组件和永磁盘组件，相邻两个组件之间留有间隙；励磁定子组输入一定频率的三相交流电，产生旋转磁场，输出端为调制盘组件或永磁盘组件；盘式磁场调制型交流永磁减速电机有两种工作模式，工作模式一：励磁定子组件和调制盘组件固定，永磁盘组件为输出转子；工作模式二：励磁定子组件和永磁盘组件固定，调制盘组件为输出转子。本发明原理科学、设计独特、结构紧凑、体积大大减小、易于制造、成本低廉，可以直接输出低速大转矩，实现了减速装置的非接触运动传递，实用性极强，易于推广应用。

Description

盘式磁场调制型交流永磁减速电机

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种盘式磁场调制型交流永磁减速电机。

背景技术

现阶段工业应用中，人们往往是通过将电动机与机械齿轮减速箱配套使用来获得低速大转矩，这样不仅整套设备得体积大，且机械齿轮啮合存在着摩擦、磨损、振动、噪音，以及润滑等问题。英国学者D.Howe等人曾提出过一种基于磁场调制原理的永磁齿轮，主从动轮依靠磁场力的耦合作用实现非接触式传动，很好的解决了机械齿轮啮合的上述问题。但永磁齿轮还需与电动机配合使用。

为此，各国学者相继提出过将永磁齿轮与电动机复合，直接输出低速大转矩的设备，例如浙江大学的沈建新等人曾提出过一款磁场减速型低速大转矩永磁无刷直流电机，为径向磁场调制型。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种盘式磁场调制型交流永磁减速电机，该电机将盘式交流电动机与盘式永磁减速器一体化，直接输出低速大转矩，既使原动机与传动装置结构十分紧凑，体积大为减小，又实现了减速装置的非接触运动传递。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：盘式磁场调制型交流永磁减速电机，包括依次并同轴安装的励磁定子组件、调制盘组件和永磁盘组件，相邻两个组件之间留有间隙，励磁定子组件与调制盘组件之间的间隙称为一次气隙，调制盘组件和永磁盘组件之间的间隙称为二次气隙；

盘式磁场调制型交流永磁减速电机有两种工作模式，工作模式一：励磁定子组件和调制盘组件固定，永磁盘组件为输出转子；工作模式二：励磁定子组件和永磁盘组件固定，调制盘组件为输出转子。

所述励磁定子组件由励磁铁芯1.1和励磁绕组1.2组成；励磁铁芯1.1由圆形薄板磁轭、3n ₁个圆柱形铁芯和3n ₁个扇形薄板磁轭组合而成，n ₁为正整数；励磁绕组1.2缠绕在圆柱形铁芯上，所有励磁绕组1.2的匝数和缠绕方向均相同，每三个相邻的励磁绕组1.2称为一个励磁组，励磁组的个数为n ₁，每一个励磁组的三个励磁绕组1.2依次称为A绕组、B绕组和C绕组，且所有励磁组中的励磁绕组1.2排序均相同；励磁绕组1.2的数量与圆柱形铁芯的数量相同，均为3n ₁个；圆形薄板磁轭、圆柱形铁芯和扇形薄板磁轭均由导磁材料制成。

所述调制盘组件由调制盘2.1、调制磁极2.2组成，调制磁极2.2数量为n ₂个，n ₂为正整数，调制磁极2.2沿调制盘2.1的中心周向均布镶嵌在调制盘2.1上，调制盘2.1由绝磁材料制成，调制磁极2.2由导磁材料制成。

所述永磁盘组件由永磁磁极3.1和圆盘形磁轭3.2组成，永磁磁极3.1数量为2n ₃，n ₃为正整数，永磁磁极3.1的扇形角为360°/2n ₃，永磁磁极3.1沿圆盘形磁轭3.2中心周向均布于圆盘形磁轭3.2一侧的表面上，永磁磁极3.1和圆盘形磁轭3.2相互之间紧密贴合；永磁磁极3.1的轴向磁化，即每个永磁磁极3.1的N、S极连线与磁轭3.2的轴线平行，相邻两个永磁磁极3.1的N、S极方向相反，构成一个磁极对，永磁盘组件上共有n ₃个磁极对，圆盘形磁轭3.2由导磁材料制成。

所述的n ₁、n ₂、n ₃满足数量关系：n ₁+n ₃=n ₂。

所述励磁绕组1.2的A相、B相、C相分别接至三相交流电的A相、B相和C相上，当通入频率为f的三相交流电时，在励磁定子组件与调制盘组件之间的一次气隙内形成转速为 的旋转磁场，，其中，f的单位为Hz，的单位为r/min。

所述工作模式一永磁盘组的输出转速为，式中的 “−”表示和的旋转方向相反；工作模式二调制盘组件的输出转速为。

采用上述技术方案，本发明在工作使用时，将励磁组的绕组A、绕组B和绕组C分别接至频率为f的三相交流电的A相、B相和C相。当通入三相交流电后，励磁组的三个励磁绕组将在励磁铁芯与调制盘组件之间的一次气隙内形成一个转速为的旋转磁场，。

四个励磁组在一次气隙内形成的旋转磁场转速相同，且相互叠加。经调制磁极调制后，在二次气隙内形成极对数为n ₃的旋转磁场。

在工作模式一的状态下：励磁定子组件和调制盘组件固定，永磁盘组件为输出端。这时，二次气隙内的调制磁场转速为（式中的“-”代表和的旋转方向相反）。二次气隙内的旋转调制磁场与永磁盘组件上永磁磁极的磁场产生耦合作用，驱动永磁盘组件以转速旋转，从而实现降低输出转速，增大输出转矩的目的。

在工作模式2的状态下：励磁定子组件和永磁盘组件固定，调制盘组件为输出端。这时二次气隙内形成的调制磁场若要与永磁盘组件的产生磁场耦合，也将固定，则永磁盘组件需要以转速旋转，旋转速度为，同样实现降低输出转速，增大转矩的目的。

本发明中励磁定子组输入一定频率的三相交流电，产生旋转磁场，输出端为调制盘组件或永磁盘组件。若要获得不同的输出转速和转矩，可通过改变三相交流电的频率f或调整n ₁、n ₂、n ₃（改变减速比）来实现。

综上所述，本发明原理科学、设计独特、结构紧凑、体积大大减小、易于制造、成本低廉，可以直接输出低速大转矩，实现了减速装置的非接触运动传递，实用性极强，易于推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明在工作模式一状态下的结构示意图；

图3是本发明在工作模式二状态下的结构示意图；

图4是本发明中励磁定子组件的结构示意图；

图5是本发明中励磁铁芯的结构示意图；

图6是本发明中励磁绕组的结构示意图；

图7是本发明中励磁绕组的分布图以及励磁绕组中电流方向（绕组外周箭头）的示意图；

图8是本发明中调制盘组件的结构示意图；

图9是本发明中调制盘的结构示意图；

图10是本发明中调制磁极的结构示意图；

图11是本发明中调制磁极在调制盘上的分布图；

图12是本发明中永磁盘组件的结构示意图；

图13是本发明中单个永磁磁极的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图13所示，本发明的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，包括依次并同轴安装的励磁定子组件、调制盘组件和永磁盘组件，相邻两个组件之间留有间隙，励磁定子组件与调制盘组件之间的间隙称为一次气隙，调制盘组件和永磁盘组件之间的间隙称为二次气隙；盘式磁场调制型交流永磁减速电机有两种工作模式，如图2所示的工作模式一：励磁定子组件和调制盘组件固定，永磁盘组件为输出转子，图2中箭头指向为动力输出方向；如图3所示的工作模式二：励磁定子组件和永磁盘组件固定，调制盘组件为输出转子，图3中箭头指向为动力输出方向。

励磁定子组件由励磁铁芯1.1和励磁绕组1.2组成；励磁铁芯1.1由圆形薄板磁轭、3n ₁个圆柱形铁芯和3n ₁个扇形薄板磁轭组合而成，n ₁为正整数；励磁绕组1.2缠绕在圆柱形铁芯上，所有励磁绕组1.2的匝数和缠绕方向均相同，每三个相邻的励磁绕组1.2称为一个励磁组，励磁组的个数为n ₁，每一个励磁组的三个励磁绕组1.2依次称为A绕组、B绕组和C绕组，且所有励磁组中的励磁绕组1.2排序均相同；励磁绕组1.2的数量与圆柱形铁芯的数量相同，均为3n ₁个；圆形薄板磁轭、圆柱形铁芯和扇形薄板磁轭均由导磁材料制成。

调制盘组件由调制盘2.1、调制磁极2.2组成，调制磁极2.2数量为n ₂个，n ₂为正整数，调制磁极2.2沿调制盘2.1的中心周向均布镶嵌在调制盘2.1上，调制盘2.1由绝磁材料制成，调制磁极2.2由导磁材料制成。

永磁盘组件由永磁磁极3.1和圆盘形磁轭3.2组成，永磁磁极3.1数量为2n ₃，n ₃为正整数，永磁磁极3.1的扇形角为360°/2n ₃，永磁磁极3.1沿圆盘形磁轭3.2中心周向均布于圆盘形磁轭3.2一侧的表面上，永磁磁极3.1和圆盘形磁轭3.2相互之间紧密贴合；永磁磁极3.1的轴向磁化，即每个永磁磁极3.1的N、S极连线与磁轭3.2的轴线平行，相邻两个永磁磁极3.1的N、S极方向相反，构成一个磁极对，永磁盘组件上共有n ₃个磁极对，圆盘形磁轭3.2由导磁材料制成。

所述的n ₁、n ₂、n ₃满足数量关系：

（1）

盘式磁场调制型交流永磁减速电机的工作原理如下：

所述励磁绕组1.2的A相、B相、C相分别接至三相交流电的A相、B相和C相上，当通入频率为f的三相交流电时，n ₁个励磁组在一次气隙内形成的旋转磁场转速相同，且相互叠加，在励磁定子组件与调制盘组件之间的一次气隙内形成转速为的旋转磁场，

（2）

式中，f的单位为Hz， 的单位为r/min。

该旋转磁场经过调制磁极调制后，在二次气隙内形成谐波次数为的旋转调制磁场：

（3）

磁密谐波的转速：

（4）

式中； ； 为正整数；为调制盘组件转速。

当m=1，k=-1时，磁密谐波幅值最大，对应的谐波次数为。该磁密谐波与永磁盘组件磁场的谐波次数相同，并相互耦合，且永磁盘组件的转速：

（5）

工作模式一：调制盘组件固定，即=0。则永磁盘组件的转速为：

（6）

式中，“-”说明和的旋转方向相反。

工作模式二：永磁盘组件，即=0。则调制盘组件的转速为：

（7）

本发明在工作使用时，将励磁组的绕组A、绕组B和绕组C分别接至频率为f的三相交流电的A相、B相和C相。当通入三相交流电后，励磁组的三个励磁绕组1.2将在励磁铁芯1.1与调制盘组件之间的一次气隙内形成一个转速为的旋转磁场，。

四个励磁组在一次气隙内形成的旋转磁场转速相同，且相互叠加。经调制磁极2.2调制后，在二次气隙内形成极对数为n ₃的旋转磁场。

在工作模式一的状态下：励磁定子组件和调制盘组件固定，永磁盘组件为输出端。这时，二次气隙内的调制磁场转速为（式中的“-” 代表和的旋转方向相反）。二次气隙内的旋转调制磁场与永磁盘组件上永磁磁极3.1的磁场产生耦合作用，驱动永磁盘组件以转速旋转，从而实现降低输出转速，增大输出转矩的目的。

在工作模式2的状态下：励磁定子组件和永磁盘组件固定，调制盘组件为输出端。这时二次气隙内形成的调制磁场若要与永磁盘组件的产生磁场耦合，也将固定，则永磁盘组件需要以转速旋转，旋转速度为，同样实现降低输出转速，增大转矩的目的。

按照附图中的结构，n ₁ =4， n ₂=23， n ₃=19。若三相交流电频率f=50Hz，则工作模式1的输出转速为=157.89r/min；工作模式2的输出转速为=130.43r/min。

励磁定子组输入一定频率的三相交流电，产生旋转磁场，输出端为调制盘组件或永磁盘组件。若要获得不同的输出转速和转矩，可通过改变三相交流电的频率f或改变减速比来实现。

上述实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：包括依次并同轴安装的励磁定子组件、调制盘组件和永磁盘组件，相邻两个组件之间留有间隙，励磁定子组件与调制盘组件之间的间隙称为一次气隙，调制盘组件和永磁盘组件之间的间隙称为二次气隙；

盘式磁场调制型交流永磁减速电机有两种工作模式，工作模式一：励磁定子组件和调制盘组件固定，永磁盘组件为输出转子；工作模式二：励磁定子组件和永磁盘组件固定，调制盘组件为输出转子。

2.根据权利要求1所述的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：所述励磁定子组件由励磁铁芯（1.1）和励磁绕组（1.2）组成；励磁铁芯（1.1）由圆形薄板磁轭、3n ₁个圆柱形铁芯和3n ₁个扇形薄板磁轭组合而成，n ₁为正整数；励磁绕组（1.2）缠绕在圆柱形铁芯上，所有励磁绕组（1.2）的匝数和缠绕方向均相同，每三个相邻的励磁绕组（1.2）称为一个励磁组，励磁组的个数为n ₁，每一个励磁组的三个励磁绕组（1.2）依次称为A绕组、B绕组和C绕组，且所有励磁组中的励磁绕组（1.2）排序均相同；励磁绕组（1.2）的数量与圆柱形铁芯的数量相同，均为3n ₁个；圆形薄板磁轭、圆柱形铁芯和扇形薄板磁轭均由导磁材料制成。

3.根据权利要求2所述的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：所述调制盘组件由调制盘（2.1）、调制磁极（2.2）组成，调制磁极（2.2）数量为n ₂个，n ₂为正整数，调制磁极（2.2）沿调制盘（2.1）的中心周向均布镶嵌在调制盘（2.1）上，调制盘（2.1）由绝磁材料制成，调制磁极（2.2）由导磁材料制成。

4.根据权利要求3所述的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：所述永磁盘组件由永磁磁极（3.1）和圆盘形磁轭（3.2）组成，永磁磁极（3.1）数量为2n ₃，n ₃为正整数，永磁磁极（3.1）的扇形角为360°/2n ₃，永磁磁极（3.1）沿圆盘形磁轭（3.2）中心周向均布于圆盘形磁轭（3.2）一侧的表面上，永磁磁极（3.1）和圆盘形磁轭（3.2）相互之间紧密贴合；永磁磁极（3.1）的轴向磁化，即每个永磁磁极（3.1）的N、S极连线与磁轭（3.2）的轴线平行，相邻两个永磁磁极（3.1）的N、S极方向相反，构成一个磁极对，永磁盘组件上共有n ₃个磁极对，圆盘形磁轭（3.2）由导磁材料制成。

5.根据权利要求4所述的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：所述的n ₁、n ₂、n ₃满足数量关系：n ₁+n ₃=n ₂。

6.根据权利要求5所述的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：所述励磁绕组（1.2）的A相、B相、C相分别接至三相交流电的A相、B相和C相上，当通入频率为f的三相交流电时，在励磁定子组件与调制盘组件之间的一次气隙内形成转速为 的旋转磁场，其中，f的单位为Hz，的单位为r/min。

7.根据权利要求6所述的盘式磁场调制型交流永磁减速电机，其特征在于：所述工作模式一永磁盘组的输出转速为，式中的 “−”表示和的旋转方向相反；工作模式二调制盘组件的输出转速为。