CN105429407A - 一种速比连续可调的磁齿轮电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种速比连续可调的磁齿轮电机，包括：励磁转子、永磁转子、定子。所述励磁转子由转轴、内转子铁芯以及励磁绕组构成；所述永磁转子包括永磁转子铁芯、内嵌于铁芯内部或者表贴于铁芯内外表面的永磁体；所述定子由定子铁芯以及定子内表面开槽放置的电枢绕组构成。本发明公布的速比连续可调的磁齿轮电机，通过控制励磁绕组中的电流频率即可连续调节电机的速比，根据不同工况采用不同的速比，实现不同运行环境下电能的平稳输出。该电机能够实现非接触式变速及转矩传输，减少了接触损耗，提高电机的功率密度，减小系统体积和重量，降低制造成本。

Description

一种速比连续可调的磁齿轮电机
技术领域
本发明提出了速比连续可调的磁齿轮电机，本发明涉及电工、电机领域，可用于风力发电、潮汐能发电、波浪发电系统等新能源开发利用领域。
背景技术
可再生能源开发利用过程中，永磁电机日益受到关注。风能、潮汐能以及波浪发电，能量来源均为不稳定、可调性差、低速运动的自然能源，若通过永磁电机将其化为电能，低速电机设计不可避免地存在多极、体积大、成本高、系统效率低等问题。
发明内容
技术问题：本发明提供一种将低速电机运行与高速电机设计结合，能直接捕获低速且不稳定的风能、潮汐能、波浪能，使得整个发电系统的体积质量减小，成本降低、效率提高的速比连续可调的磁齿轮电机。
技术方案：本发明的速比连续可调的磁齿轮电机，包括由内之外依次设置的励磁转子、永磁转子、定子，所述励磁转子包括转轴、位于所述转轴外侧的内转子铁芯以及在内转子铁芯外表面开槽中放置的励磁绕组；所述永磁转子包括永磁转子铁芯、内嵌于所述永磁转子铁芯内部或者表贴于永磁转子铁芯内外表面的永磁体；所述定子包括定子铁芯和设置在所述定子铁芯的内表面开槽的电枢绕组；所述励磁转子和永磁转子之间形成第一层气隙；永磁转子和定子之间形成第二层气隙。励磁转子、永磁转子和定子构成以下任一种结构形式：圆形旋转结构、直线型平板式结构、直线型圆筒式结构。
进一步的，本发明电机中，所述励磁绕组用于产生和励磁电流对应的旋转磁场，所述电枢绕组是能量转换部件，向负载提供电能；
进一步的，本发明电机中，所述励磁绕组产生的旋转磁场与永磁转子形成的磁场相互作用，第一层气隙中蕴含的磁场能量推动永磁转子高速旋转；所述第二层气隙中，永磁转子形成的高速运行的磁场切割电枢绕组。
进一步的，本发明电机中，可调频率的三相交流电通过滑环通入励磁绕组，产生速度为Nf的旋转磁场，励磁转子自身以速度N1旋转，永磁转子运行速度满足N2＝N1+Nf，N2为永磁转子运行速度。
本发明电机中，所述励磁转子通过滑环和外部的三相交流电源连接，接通电源后形成的圆形旋转磁场以同步速Nf运动，同时，励磁转子通过转轴与外部驱动装置连接，驱动速度为N1；通过控制流入励磁绕组中的三相交流的电流频率f，即可改变励磁绕组所产生的旋转磁场同步转速Nf＝60f/p，永磁转子运行速度按照变速Gr＝1+60f/pN1增长，其中p为永磁磁极对数。
所述励磁绕组和电枢绕组均采用分数槽分数极距绕组，其优点有：①削弱磁极磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势；②有效地削弱齿谐波电势的幅值，改善电动势的波形；
所述永磁转子的构造方式有两种：其一为永磁体内嵌于铁芯内部，其二为永磁体分别表贴于转子铁芯的内、外表面；永磁体N极与S极交替沿圆周方向均匀分布；
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机同轴并联耦合。
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机铁心由普通硅钢片材料制成。
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机中永磁体采用钕铁硼。
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机的励磁绕组和电枢绕组采用双层绕组。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)永磁齿轮具有非接触性的特点，具有无机械磨损、低噪音、活动部件之间物理绝缘和固有的过负载保护等优势。永磁齿轮的主动转子和随动转子之间通过磁场传递转矩及速度，无需机械齿轮等中间传动机构，消除了由此带来的损耗。其过负载保护功能体现在：当负荷超过永磁齿轮的最大输出转矩时，主动转子随驱动装置继续运行，随动转子经过一个动态过程速度渐变为零，避免过负荷时对设备造成损害。
(2)采用低速电机运行与高速电机设计，通过磁齿轮的变速效应，使得永磁转子具有高速运行模式，克服了由于电机运行速度低所造成的装置体积庞大、功率密度较低的缺点，减小了系统整体的体积。传统电机一般与低速运动的驱动装置连接，不可避免地采用多极的发电机结构，造成电机体积过于庞大。若将永磁同步电机和磁齿轮的设计相结合，允许电机采用高速电机设计，达到减小电机乃至整个发电系统体积的目的。
(3)和传统低速设计的永磁同步电机相比，速比连续可调的磁齿轮电机具有低成本、高效率、高功率密度的优势。以波浪发电例，以往均采用低速的永磁同步电机设计，如果将此类电机用于波浪发电，由发电机(能量转化装置)与浮筒(能量俘获装置)构成的发电系统存在功率密度低、效率低、成本高等问题，不利于波浪发电的商业化推广。若通过磁齿轮的变速效应，实现由励磁转子的低速运动到永磁转子高速运行的增速模式，就能克服劣势，形成功率密度更大、发电效率更高的系统。
(4)通过控制励磁绕组电流频率即可控制电机两转子的速比，根据工况灵活连续地调节速比，实现不同工况均能提供高质量电能。已有的磁齿轮复合电机，高、低速转子放置不同极对数的永磁体(高速转子永磁体极对数为N1、低速转子永磁体极对数为N2，且N1<N2)，两转子的速比由Gr＝N2/N1决定，速比不能调节。本发明中的速比连续可调的磁齿轮电机通过控制励磁绕组中三相电流的频率，即可连续调节励磁绕组形成的旋转磁场的同步转速，从而达到调节电机励磁转子(低速转子)与永磁转子(高速转子)速比的目标。
附图说明
图1为本发明的圆形旋转结构速比连续可调的磁齿轮电机示意图；
图中标号，1-励磁转子；2-永磁转子；3-定子；11-转轴；12-内转子铁芯；13-励磁绕组；21-永磁转子铁芯；22-永磁体；31-定子铁芯；32-电枢绕组。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明提供的速比连续可调的磁齿轮电机结构由内之外依次为励磁转子1、永磁转子2、定子3。所述励磁转子1包括转轴11、位于所述转轴11外侧的内转子铁芯12以及在内转子铁芯12外表面开槽中放置的励磁绕组13；所述永磁转子2包括永磁转子铁芯21、内嵌于所述永磁转子铁芯21内部或者表贴于永磁转子铁芯21内外表面的永磁体22；所述定子3包括定子铁芯31和设置在所述定子铁芯31的内表面开槽的电枢绕组32。所述励磁转子1和永磁转子2之间形成第一层气隙；永磁转子2和定子3之间形成第二层气隙。励磁转子1和永磁转子2分别作为速比连续可调的磁齿轮电机的低速和高速转子。通过控制励磁绕组13中三相电流的频率，即可连续调节励磁绕组形成的旋转磁场的同步转速，从而达到调节电机速比的目标。
通过控制励磁绕组13中的电流频率即可改变旋转磁场的转速Nf＝60f/p，永磁转子运行速度按照速比Gr相应发生变化。通过控制励磁绕组电流频率即可对电机的速比进行连续调节，根据不同工况采用不同的速比，实现不同运行环境下高质量电能的平稳可靠输出。
所述励磁转子1通过滑环和外部的三相交流电源连接，接通电源后形成的旋转磁场以同步速Nf运动，同时，励磁转子通过转轴与外部驱动装置连接，励磁转子速度为N1；通过控制流入励磁绕组中的三相交流的电流频率f，即可改变励磁绕组所产生的旋转磁场同步转速Nf＝60f/p。
所述永磁转子2有两种构造方式：其一为永磁体22内嵌于永磁转子铁芯21内部，永磁体用量少，永磁体22N极与S极交替沿永磁转子2圆周方向均匀分布，制造成本相对低，其二为永磁体22分别表贴于永磁转子铁芯21的内、外表面，永磁体N极与S极交替放置，磁体用量大，但漏磁少，功率密度高。
所述定子3包括定子铁芯31和设置在所述定子铁芯31的内表面开槽的电枢绕组32。所述电枢绕组32是能量转换部件，将永磁转子2的高速机械能转化为电能向负载输出。
励磁转子1运行速度为N1；通过控制励磁绕组13中三相交流的电流频率f，即可改变励磁绕组所产生的旋转磁场同步转速Nf＝60f/p，则永磁转子2运行速度为N2＝N1+Nf。永磁转子高速转子与励磁转子低速转子的速比为Gr＝1+60f/pN1，其中p为永磁磁极对数。调节励磁绕组中的电流频率f，从而达到灵活连续地调节电机速比的目标。
永磁转子2以高速磁场N2切割定子绕组，产生较普通永磁同步电机更高幅值的输出电压，通过控制励磁绕组电流频率f即可控制电机的速比Gr，根据工况灵活调节速比，实现不同工况均能提供高质量电能。
速比连续可调的磁齿轮电机所述励磁转子1、永磁转子2和定子3构成以下任一种结构形式：圆形旋转结构、直线型平板式结构、直线型圆筒式结构。
速比连续可调的磁齿轮电机可以看作是共用永磁转子的两台永磁同步电机的同心并联耦合。
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机铁芯由普通硅钢片材料叠压制成。
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机中永磁体采用钕铁硼。
优选的，速比连续可调的磁齿轮电机的励磁绕组和电枢绕组均采用双层分数槽分数极距绕组。
上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种速比连续可调的磁齿轮电机，其特征在于，该电机包括由内之外依次设置的励磁转子(1)、永磁转子(2)、定子(3)，所述励磁转子(1)包括转轴(11)、位于所述转轴(11)外侧的内转子铁芯(12)以及在内转子铁芯(12)外表面开槽中放置的励磁绕组(13)；所述永磁转子(2)包括永磁转子铁芯(21)、内嵌于所述永磁转子铁芯(21)内部或者表贴于永磁转子铁芯(21)内外表面的永磁体(22)；所述定子(3)包括定子铁芯(31)和设置在所述定子铁芯(31)的内表面开槽的电枢绕组(32)；所述励磁转子(1)和永磁转子(2)之间形成第一层气隙；永磁转子(2)和定子(3)之间形成第二层气隙。
2.根据权利要求1所述的速比连续可调的磁齿轮电机，其特征在于，所述励磁转子(1)、永磁转子(2)和定子(3)构成以下任一种结构形式：圆形旋转结构、直线型平板式结构、直线型圆筒式结构。
3.根据权利要求1所述的速比连续可调的磁齿轮电机，其特征在于，所述励磁绕组(13)用于产生和励磁电流对应的旋转磁场，所述电枢绕组(32)是能量转换部件，向负载提供电能。
4.根据权利要求1、2或3所述的速比连续可调的磁齿轮电机，其特征在于，所述励磁绕组(13)产生的旋转磁场与永磁转子(2)形成的磁场相互作用，第一层气隙中蕴含的磁场能量推动永磁转子(2)高速旋转；所述第二层气隙中，永磁转子(2)形成的高速运行的磁场切割电枢绕组(32)。
5.根据权利要求1、2或3所述的速比连续可调的磁齿轮电机，其特征在于：可调频率的三相交流电通过滑环通入励磁绕组(13)，产生速度为Nf的旋转磁场，励磁转子(1)自身以速度N1旋转，永磁转子(2)运行速度满足N2＝N1+Nf，N2为永磁转子(2)运行速度。
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