CN104393727B - 径向磁场电磁行星齿轮变速器 - Google Patents
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Abstract
径向磁场电磁行星齿轮变速器，属于汽车电机领域，本发明为解决已有双转子电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护的问题。本发明电机的定子固定在壳体的内侧壁上，调磁转子固定在调磁转子输出轴上，永磁转子在定子与调磁转子之间，调磁转子输出轴与壳体和永磁转子转动连接，永磁转子输出轴的一端固定在永磁转子上，且与壳体转动连接；定子通电形成2p极磁场；永磁转子的2n个永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列在永磁转子上，永磁转子旋转形成2n极磁场；调磁转子上设置有q突起单元；且p＝|hn+kq|。
Description
技术领域
本发明涉及一种双转子电机构成的变速器，属于汽车电机领域。
背景技术
双转子电机具有两个转速彼此独立的转子以及转轴，可实现双轴独立驱动，因此在电动汽车、风力发电、鱼雷推进等场合具有广阔的应用前景。
目前已有的双转子电机实现双轴驱动的普遍方法是将传统电机的转子仍作为一个转子，并连接一个转轴，将传统电机的定子旋转起来作为另一个转子，并连接另一个转轴。其中，一个转轴与原动机相连作为能量的输入端，另一个转轴与负载相连作为能量的输出端，通过调节旋转的定子绕组中电流的频率，使输入轴和输出轴运行在不同转速下，从而实现原动机与负载之间的能量流动。但这种电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，这样会导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。
发明内容
本发明目的是为了解决已有双转子电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护的问题，提供了一种径向磁场电磁行星齿轮变速器。
本发明所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，它包括壳体、定子、永磁转子、调磁转子、调磁转子输出轴和永磁转子输出轴，
定子固定在壳体的内圆表面上，定子内部由外向内依次设置有永磁转子和调磁转子；调磁转子固定在调磁转子输出轴上，调磁转子输出轴的一端通过第二轴承和第四轴承与永磁转子转动连接，调磁转子输出轴的另一端从壳体的一个端盖伸出，且通过第一轴承与壳体转动连接；
永磁转子位于定子与调磁转子之间，永磁转子输出轴的一端固定在永磁转子上，永磁转子输出轴的另一端从壳体的另一个端盖伸出，且通过第三轴承与壳体转动连接；
永磁转子和定子之间存在径向气隙L1；永磁转子与调磁转子之间存在径向气隙L2；调磁转子输出轴和永磁转子输出轴的轴线重合；
定子由定子铁心和m相定子绕组构成，定子绕组通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；
永磁转子为极对数为n的转子，n为正整数；
调磁转子由调磁转子铁心和q个突起单元构成，q个突起单元沿圆周方向均匀分布排列，q为正整数；
且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
本发明的优点：本发明的径向磁场电磁行星齿轮变速器具有两个转轴，这两个转轴的转速彼此独立且转速可调，两个转轴输出的转矩具有一定的转矩比，这样可以使一个转轴实现高速小转矩运行，另一个转轴实现低速大转矩运行。因此，本发明特别适合应用在电动汽车、风力发电、鱼雷推进等场合，而且在这些场合中应用，可以省去齿轮箱，从而使整个系统的体积减小、成本降低、可靠性增加。
本发明属于无刷结构，定子的电枢绕组不需要旋转，克服了采用电刷滑环馈电结构所导致的运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。
附图说明
图1是实施方式二所述径向磁场电磁行星齿轮变速器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是实施方式三所述径向磁场电磁行星齿轮变速器的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图；
图5是实施方式四所述径向磁场电磁行星齿轮变速器的结构示意图；
图6是图3的C-C剖视图；
图7原理说明示意图；
图8是中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机的磁路示意图；
图9是实施方式二所述径向磁场电磁行星齿轮变速器的磁路示意图；
图10是中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机的外气隙磁场波形示意图；
图11是中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机的内气隙磁场波形示意图；
图12是实施方式二所述径向磁场电磁行星齿轮变速器的外气隙磁场波形示意图；
图13是实施方式二所述径向磁场电磁行星齿轮变速器的内气隙磁场波形示意图；
图14是中国专利CN101951090A和实施方式二的反电势波形对比示意图；图中实线波形为实施方式二的反电势波形，虚线波形为中国专利CN101951090A的反电势波形。
图15是中国专利CN101951090A和实施方式二的调磁转子的电磁转矩波形对比示意图；图中实线波形为实施方式二的调磁转子的电磁转矩波形，虚线波形为中国专利CN101951090A的调磁转子的电磁转矩波形。
图16是中国专利CN101951090A和实施方式二的永磁转子的电磁转矩波形对比示意图，图中实线波形为实施方式二的永磁转子的电磁转矩波形，虚线波形为中国专利CN101951090A的永磁转子的电磁转矩波形。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图3和图5说明本实施方式，本实施方式所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，它包括壳体4、定子5、永磁转子6、调磁转子7、调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9，
定子5固定在壳体4的内圆表面上，定子5内部内外向内依次设置有永磁转子6和调磁转子7；调磁转子7固定在调磁转子输出轴1上，调磁转子输出轴1的一端通过第二轴承3和第四轴承10与永磁转子6转动连接，调磁转子输出轴1的另一端从壳体4的一个端盖伸出，且通过第一轴承2与壳体4转动连接；
永磁转子6位于定子5与调磁转子7之间，永磁转子输出轴9的一端固定在永磁转子6上，永磁转子输出轴9的另一端从壳体4的另一个端盖伸出，且通过第三轴承8与壳体4转动连接；
永磁转子6和定子5之间存在径向气隙L1；永磁转子6与调磁转子7之间存在径向气隙L2；调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9的轴线重合；
定子5由定子铁心5-2和m相定子绕组5-1构成，定子绕组5-1通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；
永磁转子6为极对数为n的转子，n为正整数；
调磁转子7由调磁转子铁心7-1和q个突起单元7-2构成，q个突起单元7-2沿圆周方向均匀分布排列，q为正整数；
且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
定子铁心5-2为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线围绕调磁转子输出轴1均匀分布，定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕组。
调磁转子铁心7-1和突起单元7-2选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
调磁转子铁心7-1和q个突起单元7-2为一体件或分立件，突起单元7-2的形状随意。
具体实施方式二：下面结合图1、2、7～16说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，永磁转子6包括转子支架6-1、n个第一永磁体单元6-2和n个第二永磁体单元6-3，转子支架6-1沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元6-2和第二永磁体单元6-3，n个第一永磁体单元6-2的充磁方向相同，n个第二永磁体单元6-3的充磁方向相同，第一永磁体单元6-2和第二永磁体单元6-3充磁方向相反。
第一永磁体单元6-2的充磁方向为径向充磁。
第二永磁体单元6-3的充磁方向为径向充磁。
为了说明本发明的工作原理，本实施方式以图1所示结构为例进行说明，具体原理图参见图7，调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9中，被原动机拖动的轴为输入轴，另一个则为输出轴，至于谁为输入轴，谁为输出轴，根据工作中的具体要求来定，本实施例以调磁转子输出轴1为输入轴，永磁转子输出轴9为输出轴。
首先原动机通过调磁转子输出轴1以驱动转矩T驱动调磁转子7逆时针旋转，其旋转速度为Ωm；
为了使调磁转子7所受力矩平衡，此时将定子5的定子绕组5-1中通入m相对称交流电流，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生2p极数的定子旋转磁场，所述定子旋转磁场的旋转速度为Ωs；
所述定子旋转磁场通过调磁转子7的磁场调制作用，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生与永磁转子6相同极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的永磁转矩TPM作用在永磁转子6上，且永磁转矩TPM的方向为逆时针方向；同时永磁转子输出轴9以永磁转矩TPM驱动负载；
又根据作用力与反作用力的原理可知，存在与永磁转矩TPM大小相等且方向相反的力矩T'PM同时作用在调磁转子7上，T'PM的方向为顺时针方向；
同时，以速度ΩPM旋转的永磁转子6产生的永磁转子旋转磁场通过调磁转子7的磁场调制作用，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转磁场相互作用，可产生定子转矩Ts，并作用在定子5上，且定子转矩Ts方向为逆时针方向；
根据作用力与反作用力的原理可知，存在与定子转矩Ts大小相等且方向相反的力矩Ts'同时作用在调磁转子7上，且方向为顺时针方向；
因此，调磁转子7的转矩Tm满足条件：Tm＝Ts'+T'PM＝-(Ts+TPM)，且方向为顺时针方向；由上述分析可知，作用在调磁转子7上的转矩Tm与驱动转矩T的方向是相反的；当二者大小相等时，调磁转子7处于稳定状态。
由此可以看出，调磁转子7的转矩Tm是永磁转矩TPM与定子转矩Ts的合成转矩。因此，调磁转子7的转矩Tm将大于永磁转子6的输出转矩TPM，并且二者具有一定的变比。
本发明的径向磁场电磁行星齿轮变速器是根据磁场调制原理工作的，由磁场调制原理可推导出，定子旋转磁场的旋转速度Ωs、调磁转子7的旋转速度Ωm和永磁转子6的旋转速度ΩPM满足关系式(1)：
定子旋转磁场的旋转速度Ωs是由通入定子绕组5-1的电流频率f决定的，因此，可以通过调节通入定子绕组5-1的电流频率f来调节双转子电机转速，下面具体分析几种特殊情况及其产生的原理：
1、在永磁转子6静止不动的情况下，即ΩPM＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：
其产生的原理为：
在永磁转子6静止不动的情况下，此时定子绕组5-1通m相对称交流电流产生定子旋转磁场以旋转速度Ωs旋转，而调磁转子7在原动机的驱动下以旋转速度Ωm旋转，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及定子旋转磁场的极对数p、永磁转子6的旋转磁场极对数n和调磁转子7中铁心突起单元数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：当永磁转子6静止不动时，则定子旋转磁场的旋转速度Ωs和调磁转子7的旋转速度Ωm满足关系式(2)，由此可知定子旋转磁场的旋转速度Ωs与调磁转子7的旋转速度Ωm具有一定的变比关系，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化。
2、通入定子绕组5-1的电流的频率f＝0，即定子绕组5-1通入直流电流时，产生的定子磁场为恒定磁场，不旋转，Ωs＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：
其产生的原理为：
当定子绕组5-1通入直流电流时，产生恒定磁场，同时调磁转子7在原动机的驱动下以旋转速度为Ωm旋转，而此时并不对永磁转子6进行固定，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的另一种工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及定子旋转磁场的极对数p、永磁转子6的旋转磁场极对数n和调磁转子7中铁心突起单元数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：永磁转子6将会以一定的速度进行旋转，永磁转子6旋转速度ΩPM和调磁转子7的旋转速度Ωm将满足关系式(3)，由此可知永磁转子6的旋转速度ΩPM与调磁转子7的旋转速度Ωm具有一定的变比，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化；
下面进行说明公式(1)的产生原理，若此时使定子5产生的恒定磁场“旋转起来”，即当定子绕组5-1通入对称交流电流产生定子旋转磁场时，根据磁场调制原理可推导出，定子旋转磁场的旋转速度Ωs与永磁转子6的旋转速度ΩPM和调磁转子7的旋转速度Ωm满足关系式(1)。因此，当内层调磁转子7的速度Ωm不变的情况下，调节定子旋转磁场的旋转速度Ωs，可以实现永磁转子6的旋转转速ΩPM的调节。由此可以看出，永磁转子6的旋转速度ΩPM是由调磁转子7的旋转速度Ωm和定子旋转磁场的旋转速度Ωs共同决定的。
综上，本发明所述的变速器根据公式(1)调节通入定子绕组5-1的电流的频率f来调节转速。
通过上述分析可知，径向磁场电磁行星齿轮变速器为径向调磁型无刷双转子电机，具有的两个转子可实现变速功能。此外，式(1)可表示成
而在传统的机械行星齿轮中有如下关系，
式(5)中，ΩSG、Ωc和Ωr分别是机械行星齿轮中太阳轮转速、行星架转速和齿圈转速；R和S分别是齿圈齿数和太阳轮齿数。通过式(4)和式(5)对比可知，径向调磁型无刷双转子电机可实现机械行星齿轮的调速功能(只需通过设定h、k、n、q参数即可实现)，而且径向调磁型无刷双转子电机是通过电磁能量转换方式实现的行星齿轮调速功能，它不存在机械行星齿轮中因齿轮接触导致的磨损、定期维护、机械故障等问题。因此，将径向调磁型无刷双转子电机做为径向磁场电磁行星齿轮变速器。
中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机与本实施方式的径向磁场电磁行星齿轮变速器采用的工作原理有一定的相似性，但两个方案在机械结构、磁路结构、电机性能方面是不同的，表现如下：
1.在机械结构上，CN101951090A方案的调制环转子位于定子和永磁转子之间，而且调制环转子是由导磁块和非导磁块间隔构成，相邻两个导磁块之间不允许通过导磁材料做成一体使其连通，这样才能实现磁场调制功能，进而保证电机的电磁性能。因此，现有方案面临的重要问题是如何兼顾电机电磁性能同时又保证调制环转子因间隔设置导磁块和非导磁块带来的机械强度问题。
本申请方案，调磁转子位于最里层，多个导磁功能的突起单元7-2同样实现了磁场调制功能，而且磁路上这些突起单元7-2需要用导磁材料使其连接才能更有利于电机主磁路磁通闭合(见图9中主磁路路径)，从而保证电机电磁性能。因此，从结构上，只需要采用同样的导磁材料做成具有多个突起单元7-2的一体化调磁转子，即可实现调磁转子7的调磁功能。而且更重要的是，这样的结构使调磁转子7的机械强度显著增强，从而解决了现有方案中的电机性能和机械强度不能兼顾的问题。
根据本实施方式之前的原理描述可知，调磁转子7的转矩Tm将大于永磁转子6的输出转矩TPM；CN101951090A中也记载了“调制环转子6的输出转矩T3将大于永磁转子7的输出转矩T1”这一技术特征，即二者均要求调磁的转矩大于永磁的转矩，这就要求调磁转子的强度要大于永磁转子的强度，电机的结构才合理，效率才会更高，本实施方式的电机结构恰恰符合这一特征，因此本实施方式的电机结构更合理，效率更高。
2.在磁路结构上，CN101951090A的永磁体漏磁路只经过了一层气隙(内层气隙L2)即可闭合(参见图8)，相比之下，本实施方式的永磁体漏磁路需要经过两层气隙(内层气隙L2和外层气隙L1)才能闭合(参见图9)，因此，本实施方式的电机比CN101951090A漏磁少。以同样极对数关系的CN101951090A和本实施方式为例(CN101951090A：定子极对数为4，永磁体极对数为17，导磁块数为21；本实施方式：定子极对数为4，永磁体极对数为17，导磁突起单元7-2数为21)，两个方案中的内外层气隙L2中的磁场波形分别如图10-图13.对比这4张图，可以看出由于两个方案中的漏磁路径不同，使得本实施方式中外层气隙的磁场波形明显不同于CN101951090A中外层气隙的磁场波形，而且本实施方式中外层气隙的磁场幅值也明显大于CN101951090A中外层气隙的磁场幅值。因此，基于本实施方式在磁路方面的优势，本实施方式比CN101951090A有更优越的电磁性能。仍以上述的两个具体模型为例，对CN101951090A和本实施方式的关键技术指标(反电势、电磁力矩)进行了仿真分析，仿真结果如图14-图16。从仿真结果可以看出，本实施方式的反电势幅值明显大于CN101951090A的反电势幅值；本实施方式中调磁转子的平均电磁转矩明显大于CN101951090A中调制环转子的平均电磁转矩；本实施方式中永磁转子的平均电磁转矩明显大于CN101951090A中调制环转子的平均电磁转矩。因此，相比CN101951090A，本实施方式可以获得更高的转矩密度和功率密度。
具体实施方式三：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，永磁转子6包括转子支架6-1、n个第一永磁体单元6-2和n个永磁转子铁心6-4，转子支架6-1沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元6-2和永磁转子铁心6-4，n个第一永磁体单元6-2的充磁方向相同。
第一永磁体单元6-2的充磁方向为径向充磁。
永磁转子铁心6-4为硅钢片或实心铁。
本实施方式的优点是在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。
具体实施方式四：下面结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，永磁转子6包括转子支架6-1、n个第一永磁体单元6-2、n个第二永磁体单元6-3和n个永磁转子铁心6-4，转子支架6-1沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元6-2和第二永磁体单元6-3，任意相邻两个第一永磁体单元6-2和第二永磁体单元6-3之间设置一个永磁转子铁心6-4；n个第一永磁体单元6-2的充磁方向相同，n个第二永磁体单元6-3的充磁方向相同，第一永磁体单元6-2和第二永磁体单元6-3充磁方向相反。
第一永磁体单元6-2的充磁方向为切向充磁。
第二永磁体单元6-3的充磁方向为切向充磁。
本实施方式中永磁转子6属于聚磁结构，在永磁转子6相邻永磁体的并联作用下，使得在每极磁场下有两块永磁体对气隙提供磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。
Claims (12)
1.径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，它包括壳体(4)、定子(5)、永磁转子(6)、调磁转子(7)、调磁转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)，
定子(5)固定在壳体(4)的内圆表面上，定子(5)内部由外向内依次设置有永磁转子(6)和调磁转子(7)；调磁转子(7)固定在调磁转子输出轴(1)上，调磁转子输出轴(1)的一端通过第二轴承(3)和第四轴承(10)与永磁转子(6)转动连接，调磁转子输出轴(1)的另一端从壳体(4)的一个端盖伸出，且通过第一轴承(2)与壳体(4)转动连接；
永磁转子(6)位于定子(5)与调磁转子(7)之间，永磁转子输出轴(9)的一端固定在永磁转子(6)上，永磁转子输出轴(9)的另一端从壳体(4)的另一个端盖伸出，且通过第三轴承(8)与壳体(4)转动连接；
永磁转子(6)和定子(5)之间存在径向气隙L1；永磁转子(6)与调磁转子(7)之间存在径向气隙L2；调磁转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)的轴线重合；
定子(5)由定子铁心(5-2)和m相定子绕组(5-1)构成，定子绕组(5-1)通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；
永磁转子(6)为极对数为n的转子，n为正整数；
调磁转子(7)由调磁转子铁心(7-1)和q个突起单元(7-2)构成，q个突起单元(7-2)沿圆周方向均匀分布排列，q为正整数；
且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
2.根据权利要求1所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，定子铁心(5-2)为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线围绕调磁转子输出轴(1)均匀分布，定子绕组(5-1)分别嵌入所述槽内形成m相绕组。
3.根据权利要求1所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，调磁转子铁心(7-1)和突起单元(7-2)均选用软磁复合材料。
4.根据权利要求3所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，调磁转子铁心(7-1)和q个突起单元(7-2)为一体件。
5.根据权利要求1所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，调磁转子铁心(7-1)和突起单元(7-2)均选用硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
6.根据权利要求5所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，调磁转子铁心(7-1)和q个突起单元(7-2)为一体件。
7.根据权利要求1所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，永磁转子(6)包括转子支架(6-1)、n个第一永磁体单元(6-2)和n个第二永磁体单元(6-3)，转子支架(6-1)沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)，n个第一永磁体单元(6-2)的充磁方向相同，n个第二永磁体单元(6-3)的充磁方向相同，第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)充磁方向相反。
8.根据权利要求7所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)的充磁方向为径向充磁。
9.根据权利要求1所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，永磁转子(6)包括转子支架(6-1)、n个第一永磁体单元(6-2)和n个永磁转子铁心(6-4)，转子支架(6-1)沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元(6-2)和永磁转子铁心(6-4)，n个第一永磁体单元(6-2)的充磁方向相同。
10.根据权利要求9所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，第一永磁体单元(6-2)的充磁方向为径向充磁。
11.根据权利要求1所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，永磁转子(6)包括转子支架(6-1)、n个第一永磁体单元(6-2)、n个第二永磁体单元(6-3)和n个永磁转子铁心(6-4)，转子支架(6-1)沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)，任意相邻两个第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)之间设置一个永磁转子铁心(6-4)；n个第一永磁体单元(6-2)的充磁方向相同，n个第二永磁体单元(6-3)的充磁方向相同，第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)充磁方向相反。
12.根据权利要求11所述径向磁场电磁行星齿轮变速器，其特征在于，第一永磁体单元(6-2)和第二永磁体单元(6-3)的充磁方向为切向充磁。
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