CN106100271B - 轴径向磁通的调磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型轴径向磁通的调磁电机。包括同轴安装在机壳内的绕组定子、两个永磁定子和调磁转子；绕组定子和调磁转子置于机壳内，分别位于外圈和内圈，两个永磁定子分别位于调磁转子两端并对称安装，绕组定子和永磁定子均固定在机壳上，调磁转子固定在转轴上，绕组定子与调磁转子之间存在径向气隙，两个永磁定子与调磁转子之间分别存在轴向气隙。本发明具有自动过载保护功能，与传统调磁电机相比，具有更大的气隙磁密、转矩密度和功率密度，机械可靠性更高，在风力发电、新能源汽车、电动舰船、多电飞机等低速大扭矩应用场合具有广阔的应用前景。

Description

轴径向磁通的调磁电机
技术领域
本发明涉及了一种调磁电机，尤其是涉及了一种具有轴向和径向两个磁通方向的新型调磁电机，优化了传统调磁电机的磁路和机械结构，可广泛用于风力发电、新能源汽车、电动舰船以及多电飞机等低速大扭矩的应用领域。
背景技术
目前90％的低速大扭矩应用场合采用减速齿轮箱对传统电机进行速度和转矩的变换，齿轮箱的存在不仅增加了系统的体积，由于齿轮间的机械摩擦，还不可避免地引入了振动和噪声，并且增加了润滑和维护的成本，更重要的是，机械齿轮在过载条件下发生不可逆的破坏，大大降低了系统的整体可靠性。
永磁电机与电励磁电机相比，采用永磁体进行励磁，没有电励磁带来的能量损耗，具有更高的效率；同时永磁体能够提供较大的气隙磁通密度，因此还具有更高的转矩密度和功率密度。
2001年英国科学家提出了一种基于磁场调制理论的同轴式磁性齿轮，解决了机械摩擦带来的一系列问题。2008年我国学者提出了结合了磁性齿轮与传统电机结构的新型永磁电机结构，称为调磁电机。调磁电机将磁性齿轮与永磁电机巧妙地结合为一体，系统结构更加紧凑，转矩密度大大提高，同时还具有自动过载保护的功能，适用于各种直驱场合
传统的调磁电机多为径向磁通结构，转矩密度有限；与普通永磁电机相比，调磁电机具有三个同轴部件和两个气隙，因此调磁转子多采用杯形结构，增加了制造难度，也降低了机械强度；由于露在定子外部的绕组端部带来了额外的轴向空间无法被充分利用，空间利用率较低。
发明内容
针对现有调磁电机技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种新型轴径向磁通的调磁电机。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括同轴安装在机壳内的绕组定子、两个永磁定子和调磁转子；绕组定子和调磁转子置于机壳内，分别位于外圈和内圈，两个永磁定子分别位于调磁转子两端并对称安装，绕组定子和永磁定子均固定在机壳上，调磁转子固定在转轴上，绕组定子与调磁转子之间存在径向气隙，两个永磁定子与调磁转子之间分别存在轴向气隙，磁场通过径向气隙和轴向气隙形成闭合磁路，利用绕组与永磁体的磁场相互作用实现能量传递。
所述的绕组定子包括绕组铁芯和绕制在绕组铁芯上的励磁绕组；所述的永磁定子包括永磁体铁芯和多块永磁体，多块永磁体沿圆周均布地固定在永磁体铁芯靠近调磁转子一侧的端面上；所述的调磁转子包括固定内圈和多块调磁块，多块调磁块沿圆周间隔均布地固定在固定内圈周围；转轴两端贯穿永磁体铁芯和机壳的中心孔后伸出到机壳外，调磁块和绕组铁芯之间存在径向气隙，永磁体和调磁块之间存在轴向气隙。
所述调磁转子两端的两个永磁定子结构相同，以调磁转子中部端面相对称布置。
每个所述永磁体轴向充磁，每个永磁定子上相邻两块永磁体的充磁方向相反，所述两个永磁定子上的永磁体安装位置相对称，且相对称的两块永磁体的充磁方向相反。
所述的绕组定子上装有三相励磁绕组，励磁绕组采用分布式绕组或集中式绕组，励磁绕组引出端由外部电路供电。
所述永磁定子上以充磁方向相反的相邻两块永磁体为一对，所述永磁定子上共有Pm对永磁体，所述的绕组定子上嵌有极对数为Pw的三相励磁绕组，所述调磁转子周围固定有N块调磁块，励磁绕组极对数Pw、永磁体极对数Pm和调磁块块数N满足以下公式：
N＝Pw+Pm
从而使得绕组励磁的工作频率f和调磁转子的转速Ωt满足以下公式：
所述的绕组铁芯采用整硅钢片叠压而成。
所述的永磁定子上的永磁体通过表面胶粘或者内嵌等方式固定，永磁体铁芯采用整块导磁材料或硅钢片叠压制成。
所述的调磁块采用整块导磁材料或硅钢片叠压而成。
所述的固定内圈、转轴和机壳均采用非导磁材料制成。
本发明的工作原理：一方面，调磁块对永磁体产生的磁场进行调制，获得与绕组极对数相同的磁场谐波分量，以此磁场谐波而非磁场基波进行转矩传输，来实现与机械齿轮一样的减速效果。
另一方面，将永磁体置于调磁块两端而非内侧，能够有效利用端部绕组带来的额外空间，提高了空间利用率。并且轴径向两个磁通方向能够利用聚磁效应提高气隙磁密，进一步提升转矩密度。
本发明的调磁电机利用调磁块对永磁体磁场的调制作用，实现低速大扭矩的能量传输。与传统调磁电机的区别在于，本发明具有径向和轴向两个磁通方向，将永磁体放置在调磁块两端而不是内侧，能够获得更大的空间利用率和转矩密度，并提高机械可靠性。
与普通永磁电机相比，本发明涉及的轴径向磁通的调磁电机具有以下明显优势：
本发明简化了系统结构，去除了减速齿轮箱，结构更加紧凑，没有机械摩擦带来的损耗、噪声和振动等问题，同时不需要机械齿轮中存在的润滑和维护成本。
本发明转矩密度高，是相同体积的传统调磁电机的2.8倍左右。基于磁场调制原理，利用比基波磁场旋转速度慢得多的谐波磁场进行能量传递，具有与机械齿轮一样的减速效果，在功率一定的情况下，能够大大提高输出转矩，轴径向磁通的设计不仅提高了空间利用率，还可以利用聚磁原理进一步提高气隙磁密和输出转矩。
本发明具有自动过载保护作用，当转矩超过电机的最大可输出转矩时，转子将失去同步发生滑动，而不会出现机械齿轮的卡死和报废等现象。
本发明空间利用率高，永磁体位于调磁转子两端而非内部，能够有效利用端部绕组空间。
本发明机械可靠性高，无需传统调磁电机的杯形转子结构。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的爆炸视图。
图3是本发明的正视剖视图。
图4是本发明的侧视剖视图。
图5是本发明的绕组定子示意图。
图6是本发明的永磁定子示意图。
图7是本发明的调磁转子示意图。
图中：1.绕组定子；2.励磁绕组；3.永磁定子；4.永磁体；5.调磁转子；6.调磁块；7.转轴；8.机壳，9、永磁体铁芯；10、固定内圈；11、绕组铁芯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1～图4所示，本发明包括同轴安装在机壳8内的绕组定子1、两个永磁定子3和调磁转子5；绕组定子1和调磁转子5置于机壳8内，分别位于外圈和内圈，两个永磁定子3分别位于调磁转子5两端并对称安装，绕组定子1和永磁定子3均固定在机壳8上，调磁转子5固定在转轴7上，绕组定子1与调磁转子5之间存在径向气隙，两个永磁定子3与调磁转子5之间分别存在轴向气隙。
如图5所示，绕组定子1包括绕组铁芯11和绕制在绕组铁芯11上的励磁绕组2，绕组定子1上装有三相励磁绕组，励磁绕组2采用分布式绕组或集中式绕组，励磁绕组2引出端由外部电路供电。
如图7所示，调磁转子5包括固定内圈10和多块调磁块6，多块调磁块6沿圆周间隔均布地固定在固定内圈10周围，形成一圈调磁块6。
如图6所示，永磁定子3包括永磁体铁芯9和多块永磁体4，多块永磁体4沿圆周均布地固定在永磁体铁芯9靠近调磁转子5一侧的端面上，形成一圈永磁体4。永磁定子3上的永磁体4通过表面胶粘或者内嵌等方式固定。每个永磁体4轴向充磁，每个永磁定子3上相邻两块永磁体4的充磁方向相反；两个永磁定子3上的永磁体4安装位置关于调磁转子5的中部端面对称，且相对称的两块永磁体4的充磁方向相反。
转轴7两端贯穿永磁体铁芯9和机壳8的中心孔后伸出到机壳8外，调磁块6和绕组铁芯11之间有径向气隙，永磁体4和调磁块6之间有轴向气隙。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
本优选实施例的励磁绕组2的极对数Pw为4；永磁体4的极对数Pm为7；调磁块6的数量N为11。
绕组铁芯11采用硅钢片沿轴向叠压而成，有12个槽，励磁绕组2结构为三相集中绕组，采用直径0.79mm的漆包铜线绕成，每个线圈的匝数为200匝，绕组定子1通过销子固定在机壳8上。
永磁定子3采用复合软磁材料SMC制成，永磁体4采用钕铁硼材料，沿轴向充磁，并通过胶粘的方式贴在永磁定子3上，永磁定子3通过螺丝固定在机壳8上。
固定内圈10采用非导磁不锈钢制成，调磁块6采用复合软磁材料SMC制成并通过胶粘的方式固定在固定内圈10上，固定内圈10通过键与转轴7连接，并通过螺丝进行固定。
机壳8采用非导磁不锈钢制成，通过螺丝固定其两个端盖，
转轴7采用非导磁不锈钢材料加工而成，通过两端的轴承与机壳8连接。
实施例的主要尺寸参数如下：机壳8外径为180mm，轴向长度70mm；绕组定子1外径150mm，内径90mm，轴向长度10mm；每个永磁体铁芯9厚度7.5mm，每块永磁体4厚度5mm，永磁体4展开角度23度；每个调磁块6外径89mm，内径50mm，轴向长度10mm，展开角度20度；固定内圈10外径54mm，内径30mm；所有气隙长度均为0.5mm；转轴总长度120mm，直径10mm。
分析表明，单个永磁定子3的总厚度为12.5mm，而单侧励磁绕组2端部长度约为15mm，正好能够容纳永磁定子3，显著提高了空间利用率；实验结果显示本优选实例的转矩密度约为相同体积传统调磁电机的2.8倍，可见具有明显突出的技术效果。
以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干结构变形和改进，这些也应该视为本技术发明的保护范围，这些都不会影响本技术发明实施的效果和实用性。

Claims (7)

1.一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：包括同轴安装在机壳(8)内的绕组定子(1)、两个永磁定子(3)和调磁转子(5)；绕组定子(1)和调磁转子(5)置于机壳(8)内，分别位于外圈和内圈，两个永磁定子(3)分别位于调磁转子(5)两端并对称安装，绕组定子(1)和永磁定子(3)均固定在机壳(8)上，调磁转子(5)固定在转轴(7)上，永磁定子(3)固定在机壳(8)上，绕组定子(1)与调磁转子(5)之间存在径向气隙，两个永磁定子(3)与调磁转子(5)之间分别存在轴向气隙；
所述的绕组定子(1)包括绕组铁芯(11)和绕制在绕组铁芯(11)上的励磁绕组(2)；
所述的永磁定子(3)包括永磁体铁芯(9)和多块永磁体(4)，多块永磁体(4)沿圆周均布地固定在永磁体铁芯(9)靠近调磁转子(5)一侧的端面上；
所述的调磁转子(5)包括固定内圈(10)和多块调磁块(6)，多块调磁块(6)沿圆周间隔均布地固定在固定内圈(10)周围，所述的固定内圈(10)采用非导磁材料制成；
转轴(7)两端贯穿永磁体铁芯(9)和机壳(8)的中心孔后伸出到机壳(8)外，调磁块(6)和绕组铁芯(11)之间有径向气隙，永磁体(4)和调磁块(6)之间有轴向气隙；
每个所述永磁体(4)轴向充磁，每个永磁定子(3)上相邻两块永磁体(4)的充磁方向相反，所述两个永磁定子(3)上的永磁体(4)安装位置关于调磁转子(5)的中部端面对称，且相对称的两块永磁体(4)的充磁方向相反；
所述永磁定子(3)上以充磁方向相反的相邻两块永磁体(4)为一对，所述永磁定子(3)上共有Pm对永磁体(4)，所述的绕组定子(1)上嵌有极对数为Pw的三相励磁绕组，所述调磁转子(5)周围固定有N块调磁块(6)，励磁绕组(2)极对数Pw、永磁体(4)极对数Pm和调磁块(6)块数N满足以下公式：
N＝Pw+Pm
从而使得绕组励磁(2)的工作频率f和调磁转子(5)的转速Ωt满足以下公式：
2.根据权利要求1所述的一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：所述调磁转子(5)两端的两个永磁定子(3)结构相同，以调磁转子(5)中部端面相对称布置。
3.根据权利要求1所述的一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：所述的绕组定子(1)上装有三相励磁绕组(2)，励磁绕组(2)是分布式绕组或集中式绕组，励磁绕组(2)引出端由外部电路供电。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：所述的绕组铁芯(11)采用硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：所述的永磁定子(3)上的永磁体(4)通过表面胶粘或者内嵌方式固定，永磁体铁芯(9)采用整块导磁材料或硅钢片叠压制成。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：所述的调磁块(6)采用整块导磁材料或硅钢片叠压而成。
7.根据权利要求1所述的一种轴径向磁通的调磁电机，其特征是：所述的转轴(7)和机壳(8)均采用非导磁材料制成。
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