CN103997174B - 基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，包括外转子、永磁体、定子、电枢绕组、支撑轴以及轴承。外转子内环上设置有等距排列的外转子凸极并通过轴承与电机支撑轴转动连接；定子通过电机支撑轴固定设置；永磁体贴于定子的定子齿的表面并与外转子相对设置，外转子凸极与永磁体之间有气隙；电枢绕组绕制于定子的定子齿上并通交流电。该凸极式转子上无永磁体，电机磁场由贴于定子齿表面的永磁体与绕制于定子齿上的励磁绕组产生，一方面提高了电机的可靠性，另一方面也改进了传统永磁电机磁场不可调的缺陷，具有混合励磁型电机低速增磁、高速弱磁的优点。

Description

基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机

技术领域

本发明涉及一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，属于新型特种电机技术领域，适用于对可靠性、调速性能要求较高的低速大转矩直驱应用场合。

背景技术

工业生产中有许多需要变速驱动的场合，常采用的变速机械齿轮箱存在固有缺陷：噪声大、机械磨损较严重、需要定期维护等。磁齿轮作为一种新型的依靠磁场耦合传递转矩的非接触式齿轮结构，有效地改进了传统机械齿轮的缺陷，具有噪声低、可靠性高、免维护、过载自动保护的优点。对比其他磁齿轮拓扑结构，基于调磁谐波原理的同轴磁齿轮在工作时，所有的永磁体都参与转矩传递，有效提高了永磁体利用率、转矩密度。将同轴磁齿轮与永磁无刷外转子电机相整合构成的永磁复合电机通过磁齿轮进行变速驱动，完成转矩传递，是一种适用于低速大转矩直驱应用场合的新型电机。

传统的基于磁齿轮的永磁复合电机主要可分为以下三种拓扑结构：

(1)三气隙结构，即简单地将电动机定子嵌入共轴磁齿轮内转子的中空部分，由内至外排列分别为电动机内定子、电动机外转子、磁齿轮内转子、调磁环、磁齿轮外转子。其结构极为复杂，加工工艺难度大，永磁体用量大，空间利用率低。

(2)双气隙结构，在三气隙结构的基础上，省却了电动机外转子与磁齿轮内转子，减小了永磁体用量，简化了结构，提高了空间利用率。

(3)单气隙结构，在双气隙结构的基础上，进一步用定子齿代替调磁环调制磁场，不仅使电机结构更为紧凑，转矩密度增大，且提高了定子的功能密度。

目前，上述传统的基于磁齿轮的永磁复合电机已被广泛学者运用到电动汽车、风力发电等低速大转矩驱动场合。但分析发现，无论采用上述哪种结构，电动机外转子在旋转时都易发生永磁体脱落情况，影响运行可靠性，降低了转子的机械强度，限制了电机应用场合。另外，由于传统永磁电机仅由永磁体单独励磁，气隙磁场无法调节，限制了电机的调速范围、转矩输出与容错运行能力。

因此，有必要提出一种新型的电机拓扑结构来解决上述问题。

发明内容

发明目的：针对现有基于磁齿轮的永磁复合电机拓扑结构的缺陷，提出一种具有较高转子机械强度的新型电机拓扑结构。

技术方案：一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，该电机包括外转子、永磁体、定子、电枢绕组、支撑轴以及轴承；

所述外转子内环上设置有等距排列的外转子凸极；

所述外转子通过轴承与电机支撑轴转动连接；

所述定子通过电机支撑轴固定设置；

所述永磁体贴于定子的定子齿的表面；

所述永磁体采用径向磁化方式，且每一块永磁体的大小、形状相同，相邻永磁体磁化方向相反；

所述电枢绕组绕制于定子的定子齿上并通交流电；

所述永磁体与外转子相对设置，所述外转子凸极与永磁体之间有气隙；

所述外转子的凸极个数Nr、定子的定子齿个数Nt、电枢绕组产生空间磁场的极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2。

作为本发明的改进，电机还包括励磁绕组，所述励磁绕组绕制于定子的定子齿上并通直流电，相邻槽内的励磁绕组电流方向相反。

进一步的，所述定子的定子齿采用平行齿结构。

进一步的，所述永磁体材料为钕铁硼，所述外转子和定子材料为硅钢片。

进一步的，所述电枢绕组为三相双层分布式绕组。

有益效果：该电机基于磁齿轮原理，实现将电枢绕组的高速磁场转换为转子侧的低速旋转磁场，实现了自减速功能，省去了传统机械变速齿轮箱。因此，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；同时也提高了电机转速，减小电机的体积，重量和制造成本，使电机能在低转速下提供较大的转矩；

该电机采用定子励磁型结构，永磁体贴于定子的定子齿表面，转子上无永磁体，相较传统转子永磁型结构电机而言，该结构能够避免电动机外转子在旋转时发生永磁体脱落的情况；同时，其转子加工工艺简单，节约了成本，转子的机械强度也更高；定子齿上表贴式永磁体的设计，使电机漏磁减少，从而减少了损耗；该电机以外转子的凸极齿代替传统磁齿轮中的调磁环结构，既实现了磁场调制功能，具有传统磁齿轮复合电机的优点，也使得电机结构更简单，结构更紧凑。

该电机利用转子的凸极结构将静止永磁体产生的磁场调制为定子侧的谐波旋转磁场。电枢绕组产生的旋转磁场经调制可转换为转子侧的谐波旋转磁场。转子凸极个数Nr、定子铁芯齿数Nt、电枢绕组极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2，利用最大幅值谐波磁场，在电枢绕组中感应出最大谐波电动势，使电机具有较高的转矩传递能力。

每个定子齿上都绕制有励磁绕组，通过调节励磁电流的大小与方向可以实现低速增磁、高速弱磁的磁场调节作用。较传统永磁电机而言，其转矩输出、调速能力更强，容错能力也有所提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中有：外转子1、永磁体2、定子3、励磁绕组4、电枢绕组5、支撑轴6、轴承7、外转子凸极8、定子齿9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，包括外转子1、永磁体2、定子3、励磁绕组4、电枢绕组5、支撑轴6以及轴承7。外转子1材料为硅钢片并通过轴承7与电机支撑轴6转动连接，外转子1内环上设置有等距排列的外转子凸极8。定子3材料为硅钢片并通过电机支撑轴6固定设置，定子3的定子齿9采用平行齿结构。永磁体2材料为钕铁硼，并贴于定子3的定子齿9表面；永磁体2采用径向磁化方式，且每一块永磁体的大小、形状相同，相邻永磁体磁化方向相反。电枢绕组5为三相双层分布式绕组，绕制于定子3的定子齿9上并通交流电；励磁绕组4同时也绕制于定子3的定子齿9上并通直流电，相邻槽内的励磁绕组4电流方向相反。永磁体2与外转子1相对设置，外转子凸极8与永磁体2之间有气隙。其中，外转子1的凸极8个数Nr、定子3的定子齿9个数即永磁体2的块数Nt、电枢绕组5产生空间磁场的极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2。

本发明的基本原理为磁齿轮的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，该电机既可以运行在发电状态，也可以运行在电动状态。当电机运行在发电状态时，转子凸极8代替了传统磁齿轮的调磁环，将静止永磁体2产生的磁场调制为定子侧的旋转谐波磁场。外转子1的凸极8个数Nr、定子3的定子齿9个数即永磁体2的块数Nt、电枢绕组5产生空间磁场的极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2时，利用最大幅值谐波磁场，在电枢绕组5中感应出最大谐波电动势。当外转子1以机械角速度w2旋转时，产生的定子侧旋转磁场机械角速度为w1，w1/w2＝Nr/(Nr-Nt/2)。根据应用场合，可以通过选取不同的Nt和p来得到不同的速度变比。因此，该电机适用于风力发电等低速发电场合。

当电机运行在电动状态时，定子电枢绕组5内通一定频率的三相正弦交流电，在定子侧产生p对极的旋转磁场。当外转子1的凸极8个数Nr、定子3的定子齿9个数即永磁体2的块数Nt、电枢绕组5产生空间磁场的极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2时，永磁体产生的静止磁场通过转子凸极8的调磁作用，可感应出与电枢绕组5对应的旋转磁场。根据磁阻最小原理，凸极外转子在旋转磁场作用下转动，实现转矩输出，且其对应极对数为Nr。因此可以通过选取不同的Nt和p来得到不同的速度变比以应用于不同需要的低速直驱场合。

无论是电动运行还是发电运行，都可通过改变励磁绕组电流大小和方向以实现增、弱磁效果。在永磁体退磁时，还可通过励磁绕组进行补偿容错。

与传统的基于磁齿轮的永磁电机相比，基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机的转子采用凸极式无永磁体结构，提高了转子机械强度与可靠性，简化结构、加工方便、成本低；该电机采用了定子混合励磁型结构，定子上既有永磁体又有励磁绕组，可实现低速增磁、高速弱磁的功能，提高了电机的转矩输出能力，拓宽了调速范围，也提高了电机的容错性。因此，该电机极适用于对可靠性、调速性能要求高的低速大转矩直驱场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，其特征在于：该电机包括外转子(1)、永磁体(2)、定子(3)、电枢绕组(5)、支撑轴(6)以及轴承(7)；

所述外转子(1)内环上设置有等距排列的外转子凸极(8)；

所述外转子(1)通过轴承(7)与电机支撑轴(6)转动连接；

所述定子(3)通过电机支撑轴(6)固定设置；

所述永磁体(2)贴于定子(3)的定子齿(9)的表面；

所述永磁体(2)采用径向磁化方式，且每一块永磁体的大小、形状相同，相邻永磁体磁化方向相反；

所述电枢绕组(5)绕制于定子(3)的定子齿(9)上并通交流电；

所述永磁体(2)与外转子(1)相对设置，所述外转子凸极(8)与永磁体(2)之间有气隙；

所述外转子(1)的凸极(8)个数Nr、定子(3)的定子齿(9)个数Nt、电枢绕组(5)产生空间磁场的极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2。

2.根据权利要求1所述的基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，其特征在于：电机还包括励磁绕组(4)，所述励磁绕组(4)绕制于定子(3)的定子齿(9)上并通直流电，相邻槽内的励磁绕组(4)电流方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，其特征在于：所述定子(3)的定子齿(9)采用平行齿结构。

4.根据权利要求1或2所述的基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，其特征在于：所述永磁体(2)材料为钕铁硼，所述外转子(1)和定子(3)材料为硅钢片。

5.根据权利要求1或2所述的基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，其特征在于：所述电枢绕组(5)为三相双层分布式绕组。