CN108011484A - 一种磁齿轮复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种的磁齿轮复合电机，包括由外到内依次同心嵌套排列的外定子、调制转子和内转子；外定子与调制转子之间、调制转子与内转子之间均具有气隙；外定子开有放置分数槽绕组的梯形槽，槽口嵌有交替极磁钢；调制转子包括多个调磁铁轭和多个嵌有冲孔的非导磁材料，相邻调磁铁轭间嵌有冲孔的非导磁材料；永磁内转子包括由外到内依次同心嵌套的内转子永磁体和内转子铁心；本发明提出的磁齿轮复合电机，通过不同极化方向永磁体的组合，构建磁齿轮电机在定子上的磁路，使得磁路更加高效合理，在实现低速大转矩直驱输出的同时，从而减小了漏磁，提高了复合电机的整体转矩密度和效率。

Description

一种磁齿轮复合电机

技术领域

本发明属于低速大转矩直驱电机领域，更具体地，涉及一种磁齿轮复合电机。

背景技术

磁齿轮复合电机是随着磁场调制型磁力齿轮而逐渐兴起的一种新型电机，是将磁场调制型磁力齿轮同永磁电机进行紧凑复合，以实现低速大转矩输出的一种技术。根据复合电机气隙数目和耦合程度的不同，衍生出不同的形式，包括电机和齿轮磁路分开的三层气隙磁齿轮复合电机，闭口槽定子嵌磁钢的准直驱磁齿轮复合电机等等。这些方案大多存在一些局限性：磁钢用量大、结构复杂、磁齿轮部分或永磁电机部分转矩密度低等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁齿轮复合电机，其目的在于解决现有磁齿轮复合电机转矩密度低的技术问题，本发明通过不同极化方向永磁体的组合，构建磁齿轮结构在电机定子上的磁路，从而简化定子齿的结构，实现复合电机整体转矩密度的显著提升以及损耗的下降。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁齿轮复合电机，包括：

由外到内依次同心嵌套排列外定子、调制转子和内转子；外定子与调制转子之间、调制转子与内转子之间均具有气隙；

其中，外定子铁心内表面开有外定子槽，槽内放置绕组，外定子槽槽口嵌有外定子磁极，外定子磁极包括径向主磁极和分别位于径向主磁极两边的两个切向辅助磁极，主磁极的充磁方向相同，两个切向辅助磁极的充磁方向相反且远离主磁极，使得外定子磁极为交替极结构。

优选地，调制转子包括调磁铁轭和嵌于相邻调磁铁轭之间的非导磁材料；

调磁铁轭包括由多个调磁块和用于连接调磁块的连接桥，调磁铁轭用于调制内转子磁极的极对数和外定子磁极的极对数。

优选地，在非导磁材料上设有通孔，用于通过固定轴同带有输出轴的端盖连接。

优选的，上述的磁齿轮复合电机中，外定子磁极的极对数P_l、调磁铁轭的调磁块数P_m、内转子永磁体的极对数P_h满足公式P_m＝P_l+P_h。

优选的，所述磁齿轮复合电机中，调磁铁轭中调制块为梯形结构，一方面能够便于非导磁材料嵌入，另一方面，通过增加调磁铁轭中调制块靠近连接桥的宽度，增加调磁铁轭的机械强度，进而增大调磁转子机械强度，可以防止调磁转子在离心力作用下发生形变。

优选的，上述的磁齿轮复合电机，其外定子磁极的极对数P_l与外定子槽数Z相等。

优选的，上述的磁齿轮复合电机，其外定子绕组通电产生磁场的极对数与内转子永磁体的极对数P_h相同，从而能够起到传统分数槽绕组永磁电机的作用。

优选地，上述的磁场调制型磁齿轮复合电机的一种应用，固定外定子，内转子空转，仅调制转子输入或输出转矩，作为发电机或电动机使用。作为电动机时，电机绕组产生的电磁转矩驱动内转子，内转子磁极通过与调制转子和外定子磁极形成磁齿轮效应，将内转子上高转速减速传递到调制转子上，最终带动负载旋转，实现低速大转矩输出；作为发电机时，由调制转子输入低速大转矩，转矩经磁齿轮增速传递给内转子后，在电机绕组中感应出三相电流输出电能。

优选地，上述的磁场调制型磁齿轮复合电机的一种应用，固定外定子，内转子和调制转子均作为机械输入或输出端口，构成双机械端口电机。其中一种工况为：电机绕组产生的电磁转矩驱动内转子，内转子的一部分转矩经由内转子端部连接的机械轴输出，另一部分转矩通过磁齿轮减速传递到调制转子，经由调制转子端部连接的另一机械轴输出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的磁齿轮复合电机，相比于现有的磁齿轮复合电机结构，通过不同极化方向永磁体的组合，构建磁齿轮电机在外定子上的磁路，使得磁路更加高效合理，从而减小了漏磁，提高了复合电机的整体转矩密度。具体表现为：

通过在梯形槽槽口嵌有外定子磁极，且外定子磁极采用交替极结构，即主磁极的充磁方向相同，外定子齿极化为另一极，构成磁齿轮结构的外定子。由于外定子齿的磁阻比永磁体的磁阻更小，减少了永磁电机结构的磁路的磁阻，提高空载反电势，进而提高永磁电机结构的转矩密度。

切向的辅助磁极引导磁齿轮结构的磁路从调制环导磁部分至径向主磁极，并沿切向辅助磁极至外定子齿部，减少通过外定子槽部的磁路，显著缩短了磁齿轮部分的磁通路径，提高外气隙上的磁场强度，从而提高磁齿轮结构的传递转矩，同时不影响永磁电机结构的磁路，不影响永磁电机结构的电磁转矩，从而提高磁齿轮复合电机整体的转矩密度。

(2)本发明提供的磁齿轮复合电机，外定子磁极中包含径向主磁极和两个切向辅助磁极，通过对径向主磁极和切向辅助磁极的比例进行优化，可使外定子磁极产生的气隙磁场相较仅含径向主磁极时更为正弦，从而降低电机输出转矩波动。

(3)本发明提供的磁齿轮复合电机，通过在电机外定子槽内嵌入交替极永磁体，实现磁齿轮和永磁电机的紧凑复合，提高了复合电机的功率密度和转矩密度。

(4)本发明提供的磁齿轮复合电机，未改变外定子齿形状和槽开口，仅通过不同极化方向永磁体的组合，构建磁齿轮结构在外定子上的磁路，实现永磁电机结构的磁路和磁齿轮结构的磁路互不干扰，能够保证不影响永磁电机结构的电磁转矩，同时提高磁齿轮结构的传递转矩，进而提高磁齿轮复合电机整体的转矩密度和效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的外定子和电机绕组，以及槽口嵌放的外定子磁极细部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的调制转子结构示意图；

图4为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的内转子结构示意图；

图5为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机中外定子磁路与未采用切向辅助磁极的外定子磁路对比图，图5(a)为采用切向辅助磁极后的外定子磁路，图5(b)为采用切向辅助磁极后的外定子磁路；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构；

其中：1—外定子铁心，2—外定子绕组导体，3—外定子磁极，4—调磁环冲孔非导磁材料，5—调磁环梯形调磁块，6—内转子永磁体，7—内转子铁心。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的结构示意图；实施例的磁齿轮复合电机包括外定子、调制转子和内转子；外定子、调制转子和内转子由外到内依次同心嵌套排列，外定子与调制转子之间、调制转子与内转子之间均具有气隙。

如图2所示是本实施例提供的磁齿轮复合电机的外定子的结构示意图；本实施例中，外定子包括由硅钢片叠压而成的外定子铁心1，外定子铁心1的内表面开有梯形槽，槽内放置有铜导体2，铜导体2依据分数槽绕组方式绕制成电机绕组；定子槽口嵌有定子磁极3，定子磁极3包括径向主磁极磁钢和位于径向主磁极磁钢两边的两个切向辅助磁极磁钢。且两个切向辅助磁极的充磁方向相反，均远离径向主磁极，辅助磁极用于辅助主磁极和外定子齿形成永磁转子和调制转子之间磁力传动的磁路。外定子铁心内表面开有用于放置绕组和永磁体的梯形槽，槽数为30；铜导体2形成双层30槽14极的分数槽绕组结构，通三相电流时可在气隙中产生相对外定子旋转的7对极磁场；槽口嵌放的外定子磁极3为交替极结构，用于产生相对于外定子静止的30对极磁场。

如图3所示是实施例提供的磁齿轮复合电机的调制转子的结构示意图；本实施例中，调制转子包括沿环形均匀分布的37个冲孔非导磁材料4，以及由硅钢片叠成的环形调磁铁轭5，调磁铁轭上沿圆周环向均匀分布有37块梯形调磁块，由连接桥连接梯形调制块，且在两个相邻的梯形调磁块嵌入有非导磁材料，调磁铁轭用于调制内转子永磁体磁场极对数和外定子磁极的极对数。在非导磁材料上设有通孔，用于通过固定轴同带有输出轴的端盖连接。

如图4所示是本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的内转子结构示意图；本实施例中，内转子包括表贴式内转子永磁体6和由硅钢片叠成的内转子铁心7；其中，内转子永磁体6由沿圆周环向均匀分布的14块独立的径向极化的永磁体构成，N极和S极永磁体交替排列以在圆周上产生7对极磁场。

本实施例中，内转子永磁体的极对数P_h与外定子分数槽绕组的极对数相同，均为7对极；且内转子永磁体的极对数P_h、外定子磁极的极对数P_l、调制转子铁轭块数P_m满足以下式(1)：

P_m＝P_l+P_h (1)

本发明提供的磁齿轮复合电机的工作原理如下：

由外定子绕组和内定子构成永磁电机结构，当外定子绕组上通入电流后，内转子永磁体的极对数P_h与外定子分数槽绕组的极对数相同，电机绕组产生的电磁转矩驱动永磁内转子旋转。

由外定子磁极、旋转的内转子以及调制转子构成磁齿轮结构，旋转的内转子在调制转子的作用下，使得永磁内转子极对数P_h、外定子磁极的极对数P_l、调制转子铁轭块数P_m满足公式(1)，形成磁齿轮效应，内永磁转子上的电磁转矩通过与调制环转子和外定子磁极形成磁齿轮效应，将内永磁转子上高速低转矩减速传递到调制环转子上，最终带动负载旋转，实现低速大转矩输出。

而本发明中，通过在梯形槽槽口嵌有外定子磁极，且外定子磁极采用交替极结构，即主磁极的充磁方向相同，外定子齿极化为另一极，构成磁齿轮的永磁外定子。由于外定子齿的磁阻比永磁体的磁阻更小，减少了永磁电机结构的磁路的磁阻，提高空载反电势，进而提高永磁电机结构的转矩密度。

图5为本发明实施例提供的磁齿轮复合电机中外定子磁路与未采用切向辅助磁极的外定子磁路对比图，由于切向辅助磁极的存在，切向的辅助磁极引导磁齿轮结构的磁路从调制环导磁部分至径向主磁极，并沿切向辅助磁极至外定子齿部，减少通过外定子槽部的磁路，显著缩短了磁齿轮部分的磁通路径，提高外气隙上的磁场强度，从而提高磁齿轮结构的传递转矩，同时不影响永磁电机结构的磁路，不影响永磁电机结构的电磁转矩，提高磁齿轮复合电机的转矩密度和效率。

作为本发明提供的磁齿轮复合电机的应用，本实施例中，调制转子作为磁齿轮复合电机的输出轴，外部连接低速大转矩负载；内转子未连接外部负载，保持空转；外定子与内转子形成传统的同步分数槽绕组电机，外定子的30槽14极分数槽绕组通入频率为f_h的三相电流，从而在气隙上产生以角速度旋转的磁场，该磁场可驱动内转子以同步速Ω_h旋转。

外定子与调制转子、内转子形成交替极磁场调制型磁齿轮，内转子永磁体产生的极对数为P_h的磁场经过均匀周向分布的P_m个调磁块的调制作用后，产生|P_m-P_h|对极的磁场，从而与外定子磁极产生的P_l对极磁场耦合，通过磁场实现功率由内转子向调制转子的传递；内转子转速Ω_h与调制转子转速Ω_m满足以下关系：

在本实施例中，内转子作为磁齿轮复合电机减速驱动的关键，同时受到外定子绕组施加的电磁转矩以及来自调制转子所带负载的机械转矩，两个转矩大小相等方向相反，从而实现内转子的稳定空转；外定子绕组的电磁转矩T_h与调制转子负载上的机械转矩T_m满足以下关系：

在本实施例中，磁齿轮复合电机的交流电流频率f_h、电机的极对数P_h以及输出转速Ω_m满足以下关系：

由上式可以看出，本实施例的磁齿轮复合电机的输出转速与电枢频率的关系相比传统永磁同步电机多了一个减速比例项P_h/P_m；磁齿轮复合电机通过使内转子空转，调制转子带负载，实现了电机的低速大转矩输出，增加了电机的功率密度；在本实施例中，调制转子铁轭块数P_m为37，内转子永磁体的极对数P_h为7，由此获得减速比为37/7＝5.29。

与现有的磁齿轮复合电机拓扑相比，本发明实施例提供的磁齿轮复合电机，通过不同极化方向永磁体的组合，构建磁齿轮电机在外定子上的磁路，在电机外定子槽口形成优化的磁场回路，不仅有效利用了槽口空间和外定子齿空间，同时显著减少了定子上的漏磁，增加了气隙上的工作磁密。本发明实施例提供的磁齿轮复合电机的转矩波动在1.22％，转矩密度达到85kN/m³，实现了更小的转矩波动的和更高的转矩密度。

在同样的体积和永磁体用量下，本发明实施例相比传统的径向交替极磁齿轮复合电机，通过在主磁极两侧增加辅助磁极实现不同极化方向永磁体的组合，可使输出转矩密度增加37％，转矩波动下降30％，外定子损耗下降17％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁齿轮复合电机，其特征在于，包括:

由外到内依次同心嵌套排列外定子、调制转子和内转子；外定子与调制转子之间、调制转子与内转子之间均具有气隙；

其中，外定子铁心内表面开有外定子槽，槽内放置绕组，外定子槽槽口嵌有外定子磁极，外定子磁极包括径向主磁极和分别位于径向主磁极两边的两个切向辅助磁极，主磁极的充磁方向相同，两个切向辅助磁极的充磁方向相反且远离主磁极，使得外定子磁极为交替极结构。

2.如权利要求1所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，调制转子包括调磁铁轭和嵌于相邻调磁铁轭之间的非导磁材料；

调磁铁轭包括由多个调磁块和用于连接调磁块的连接桥，调磁铁轭用于调制内转子磁极的极对数和外定子磁极的极对数。

3.如权利要求1或2所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，在非导磁材料上设有通孔，用于通过固定轴同带有输出轴的端盖连接。

4.如权利要求2或3所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，所述磁齿轮复合电机中，外定子磁极的极对数P_l、调磁铁轭的调磁块数P_m、内转子永磁体的极对数P_h满足公式P_m＝P_l+P_h。

5.如权利要求2至4任一项所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，所述磁齿轮复合电机中，调磁铁轭中调制块为梯形结构，便于非导磁材料嵌入和加强调制转子的强度。

6.如权利要求1至5任一项所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，所述的磁齿轮复合电机，外定子磁极的极对数P_l与外定子槽数Z相等。

7.如权利要求1至6任一项所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，所述的磁齿轮复合电机，外定子绕组通电产生磁场的极对数与内转子永磁的极对数P_h相同。

8.如权利要求1至7任一项所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，外定子固定，调制转子作为输出轴承受机械负载，内转子空转。

9.如权利要求1至7任一项所述的磁齿轮复合电机，其特征在于，外定子固定，内转子和调制转子均承受机械负载，构成双机械端口电机。