CN109768681B - 一种永磁齿轮复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于磁场调制原理的特殊拓扑结构永磁复合电机，包括高速永磁转子、低速永磁转子及定子，所述高速永磁转子包括高速永磁转子铁芯和p_i对极对数的高速永磁体；所述低速永磁转子包括低速永磁转子铁芯和p_o对极对数的低速永磁体；所述定子为环状，设于所述高速永磁转子及所述低速永磁转子外侧，且所述定子内环沿周向方向均匀设有p_t个调制齿槽；所述高速永磁体、低速永磁体、调制齿槽间的数量满足：p_t＝p_i+p_o。本发明结构简单、集成度高，实现了低速大扭矩直接驱动。

Description

一种永磁齿轮复合电机

技术领域

本发明涉及一种复合电机，特别涉及一种永磁齿轮复合电机。

背景技术

现在许多传动领域需要电机低速运行，并能够输出足够大的扭矩。目前在大多数的工业应用中都是以高速电机与减速器相结合的来改变系统速度和转矩的。尽管机械齿轮可以实现减速提高转矩的目的，但是其结构尺寸增大，整个系统的重量增加，传动效率低。而且机械传动过程中存在噪声、振动、润滑等问题，导致使用维护极其繁琐。

避免由于机械齿轮减速所带来的噪音、振动、可靠性、润滑等问题的一个有效途径是采用低速大转矩直接驱动电机。若采用直接驱动的低速大转矩电机，就可取消体积较大的减速系统，有利于节能增效和提高驱动系统的可靠性，因而在风电、电梯、电动车、工业机器人等新能源、先进制造业等领域拥有广泛的应用前景。然而，为了实现低速大扭矩，永磁同步电机一般体积较大，这限制了它的应用场合。

专利《双转子导磁谐波式交流永磁复合电机》(WO2015096105A1)中提出一种双转子磁导谐波式交流复合电机，将定子绕组产生的旋转磁场经过低速磁导波转子分解成特定频率的磁导谐波，用来驱动低速转子。若空心永磁转子或者凸极磁导波转子固定，实现固定减速比的电机减速传动工作状态；若空心永磁转子输入一定的转速和转矩，永磁转子的低速旋转磁场也会经凸极磁导波转子形成谐波，与定子高速旋转磁场合成运动输出，然而其结构复杂，永磁用量大，成本较高。

专利《一种双气隙永磁复合电机》(CN205960816U)中采用外定子结构，在定子上开有放置绕组的梯形槽，槽口嵌有交替极磁钢，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。在调制块中嵌入电机绕组，中间定子结构在制造上比较难，且不利于电机绕组散热；在磁齿轮基础去除内转子，即用内定子替代内转子，会导致转矩密度和功率因数降低。

专利《一种磁齿轮复合电机》(专利号CN 201711308185.2)在传统磁齿轮的基础上利用静止的电枢绕组同交流电产生旋转磁场来提到永磁旋转磁场，使得机械结构简化、永磁用量少且转子设置灵活。因为是单层气隙，电机的结构比较简单，但是转矩密度较低。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了解决机械式传动、旋转永磁电机技术在应用上存在的问题，提出了一种基于磁场调制原理的特殊拓扑结构永磁复合电机。

本发明提供的一种永磁齿轮复合电机，包括高速永磁转子、低速永磁转子及定子，

所述高速永磁转子包括高速永磁转子铁芯和p_i对极对数的高速永磁体；

所述低速永磁转子包括低速永磁转子铁芯和p_o对极对数的低速永磁体；

所述定子为环状，设于所述高速永磁转子及所述低速永磁转子外侧，且所述定子内环沿周向方向均匀设有p_t个调制齿槽；

所述高速永磁体、低速永磁体、调制齿槽间的数量满足：p_t＝p_i+p_o。

进一步地，所述调制齿槽中嵌有电枢绕组，且所述电枢绕组沿所述定子直径对称布置。

进一步地，所述高速永磁转子设于所述低速永磁转子内侧，且所述高速永磁体沿所述高速永磁转子铁芯的周向方向均匀布置，所述低速永磁体设于所述低速永磁转子铁芯上沿周向方向均匀布置的容置槽内。

更进一步地，所述高速永磁体为径向充磁的永磁体，所述低速永磁体为切向充磁的永磁体。

更进一步地，所述定子的定子铁芯和所述低速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合；

所述低速永磁转子和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合。

或者，进一步地，所述低速永磁转子设于所述高速永磁转子内侧，且所述低速永磁体沿所述低速永磁转子铁芯的周向方向均匀布置，所述高速永磁体设于所述高速永磁转子铁芯上沿周向方向均匀布置的容置槽内。

更进一步地，所述低速永磁体为径向充磁的永磁体，所述高速永磁体为切向充磁的永磁体。

更进一步地，所述定子的定子铁芯和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合；

所述低速永磁转子和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合。

进一步地，所述高速永磁转子连接高速转轴，所述低速永磁转子连接低速转轴。

更进一步地，所述高速转轴为小扭矩输出，所述低速转轴为大扭矩输出。

本发明提供的技术方案具有如下优点：

(1)本发明提出的永磁齿轮复合电机结构可以分解成一个游标电机和一个永磁无刷电机，结构简单、集成度高，实现了低速大扭矩直接驱动，可以直接取代机械减速装置，应用在风电、电梯、电动车、工业机器人等新能源、先进制造业等领域。

(2)切向充磁的永磁体，与径向充磁的永磁体结合，可以构建电机在外定子上的磁路，减小漏磁，提高复合电机的整体转矩密度。

(3)切向充磁的永磁体和定子调制齿会产生p_i次和p_o谐波磁场，次谐波磁场与电枢绕组耦合后驱动外转子，提高电机的输出力矩。

(4)本发明在未改变电机定子结构的前提下，实现双机械功率端口输出，例如，高速小扭矩输出，可以配备抱闸机械起到刹车制动的作用，所用的制动装置不用像低速大扭矩电机一样需要很多的制动力矩；低速大扭矩输出，可以直接与负载相连接，不需要机械减速器。

附图说明

包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了符合本发明的装置和方法的实施方案，并与详细描述一起用于解释符合本发明的优点和原理。在附图中：

图1是本发明提供的永磁齿轮复合电机的轴向剖面结构示意图；

图2是本发明提供的永磁齿轮复合电机的径向剖面结构示意图。

附图标记说明

1-定子；

2-高速永磁转子；

3-低速永磁转子；

4-低速转轴；

5-高速转轴；

6-机壳；

7-端盖；

8-端盖；

9-电枢绕组；

10-高速永磁体；

11-低速永磁体。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，本发明并不局限于以下描述的实施方式。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合，且本发明的技术理念可以与其他公知技术或与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

实施方式一

参照图1-2所示，本实施方式提供的一种永磁齿轮复合电机，包括高速永磁转子2、低速永磁转子3及定子1，所述高速永磁转子2包括高速永磁转子铁芯和p_i对极对数的高速永磁体10；所述低速永磁转子3包括低速永磁转子铁芯和p_o对极对数的低速永磁体11；所述定子1为环状，设于所述高速永磁转子2及所述低速永磁转子3外侧，且所述定子1内环沿周向方向均匀设有p_t个调制齿槽；所述高速永磁体、低速永磁体、调制齿槽间的数量满足：p_t＝p_i+p_o。

调制齿槽中嵌有电枢绕组9，且所述电枢绕组9沿所述定子1直径对称布置。

高速永磁转子2设于所述低速永磁转子3内侧，且所述高速永磁体10沿所述高速永磁转子2铁芯的周向方向均匀布置，所述低速永磁体11设于所述低速永磁转子3铁芯上沿周向方向均匀布置的容置槽内。

高速永磁体10为径向充磁的永磁体，所述低速永磁体11为切向充磁的永磁体。

更进一步地，所述定子1的定子铁芯和所述低速永磁转子3之间存在气隙，并通过气隙进行耦合；所述低速永磁转子3和所述高速永磁转子2之间存在气隙，并通过气隙进行耦合。

在本实施方式中，高速永磁内转子2、低速永磁外转子3、定子1三者之间同轴分布，从内到外依次排布，相互之间通过气隙进行磁场耦合，高速永磁体10、低速永磁体11、调制齿槽间的数量满足：

p_t＝p_i+p_o (1)。

径向充磁的高速内转子永磁体10和切向充磁的低速外转子永磁体11所产生的磁场被定子调制后，在内外气隙中产生空间谐波，

式中，p为永磁体极对数，n_s为转子的极数，Ω_r1为高速内转子的旋转速度，Ω_r2为低速外转子的旋转速度，b_rm为气隙磁场径向分量傅立叶系数，b_θm为气隙切向分量傅里叶系数，λ_rjk为由于磁场调制影响产生的气隙磁场的径向傅立叶系数；λ_θjk为由于磁场调制影响产生的气隙磁场的切向傅立叶系数。

经过推导后

根据上式可得，高速永磁体10、低速永磁体11产生的磁场空间谐波的次数分别为：

n_m,j,k＝mp_i+jn_s+kp_t (6)

n_n,j,k＝np_o+jn_s+kp_t (7)

此时，m,n＝1,3,5L，j,k＝0,±1,±2,±3L

同时，

p_iΩ_r1＝-p_oΩ_r2 (8)

通过在定子齿槽中嵌入电枢绕组9可以实现永磁同步电机，电枢绕组9的极对数与高速内转子永磁体10的极对数可以相同为p_i。

本实施方式中，定子齿槽数为p_t，高速内转子永磁体10极对数为p_i，低速外转子永磁体11极对数为p_o，定子1极对数为p_s，则可以为

p_s＝p_i，

p_t＝p_i+p_o，

值得一提的是，电枢绕组9可以按照需要三相对称分布，不需要每一个槽中都分布。

转子间转速满足：p_iΩ_r1＝-p_oΩ_r2。

本实施方式中的电机参数可以为，定子调制齿槽数p_t＝27，高速永磁内转子中高速永磁体10极对数p_i＝4，低速永磁外转子中低速永磁体11极对数p_o＝23，电机绕组9可以设计成27槽的短距绕组，也可以设计成24槽的整矩绕组，若设计成24槽，则第5、14、23槽可以空着，不放置电枢绕组。

此时高速永磁内转子2在内外气隙中主要产生4次(主磁场)、23次、31次、42次以及50次谐波。低速永磁外转子3主要产生4次，23次(主磁场)、31次、42次以及50次谐波。其中低速永磁外转子3产生的4次谐波、电枢绕组产生的4次旋转磁场与高速永磁内转子2磁场相互作用，产生电磁转矩。外气隙谐波最大幅值为23次谐波，与低速外转子永磁体11极对数相等。

进一步地，所述高速永磁转子2连接高速转轴5，所述低速永磁转子3连接低速转轴4。磁齿轮结构置于机壳6内，高速转轴5可以通过轴承与一端盖7连接，低速转轴4可以通过轴承与另一端盖8连接。

更进一步地，所述高速转轴为小扭矩输出，所述低速转轴为大扭矩输出。低速永磁转子可以输出大扭矩，其传动比G_r＝p_o/p_i。

实施方式二

本实施方式提供一种永磁齿轮复合电机,与第一实施方式至少存在以下区别，本实施方式中，所述低速永磁转子设于所述高速永磁转子内侧，且所述低速永磁体沿所述低速永磁转子铁芯的周向方向均匀布置，所述高速永磁体设于所述高速永磁转子铁芯上沿周向方向均匀布置的容置槽内。

低速永磁体为径向充磁的永磁体，所述高速永磁体为切向充磁的永磁体。

定子的定子铁芯和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合；

低速永磁转子和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合。

如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

在以上具体实施例的说明中，方位术语“上”、“下”、”左”、“右”、“顶”、“底”、“竖向”、“横向”和“侧向”等的使用仅仅出于便于描述的目的，而不应视为是限制性的。例如，…。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”“垂直”、“平行”、“底”、“角”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。

Claims (10)

1.一种永磁齿轮复合电机，包括高速永磁转子、低速永磁转子及定子，其特征在于，

所述高速永磁转子包括高速永磁转子铁芯和p_i对极对数的高速永磁体；

所述低速永磁转子包括低速永磁转子铁芯和p_o对极对数的低速永磁体；

所述定子为环状，设于所述高速永磁转子及所述低速永磁转子外侧，且所述定子内环沿周向方向均匀设有p_t个调制齿槽；

所述高速永磁体、低速永磁体、调制齿槽间的数量满足：p_t＝p_i+p_o。

2.根据权利要求1所述的复合电机，其特征在于，所述调制齿槽中嵌有电枢绕组，且所述电枢绕组沿所述定子直径对称布置。

3.根据权利要求1所述的复合电机，其特征在于，所述高速永磁转子设于所述低速永磁转子内侧，且所述高速永磁体沿所述高速永磁转子铁芯的周向方向均匀布置，所述低速永磁体设于所述低速永磁转子铁芯上沿周向方向均匀布置的容置槽内。

4.根据权利要求3所述的复合电机，其特征在于，所述高速永磁体为径向充磁的永磁体，所述低速永磁体为切向充磁的永磁体。

5.根据权利要求4所述的复合电机，其特征在于，所述定子的定子铁芯和所述低速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合；

所述低速永磁转子和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合。

6.根据权利要求1所述的复合电机，其特征在于，所述低速永磁转子设于所述高速永磁转子内侧，且所述低速永磁体沿所述低速永磁转子铁芯的周向方向均匀布置，所述高速永磁体设于所述高速永磁转子铁芯上沿周向方向均匀布置的容置槽内。

7.根据权利要求6所述的复合电机，其特征在于，所述低速永磁体为径向充磁的永磁体，所述高速永磁体为切向充磁的永磁体。

8.根据权利要求7所述的复合电机，其特征在于，所述定子的定子铁芯和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合；

所述低速永磁转子和所述高速永磁转子之间存在气隙，并通过气隙进行耦合。

9.根据权利要求1所述的复合电机，其特征在于，所述高速永磁转子连接高速转轴，所述低速永磁转子连接低速转轴。

10.根据权利要求9所述的复合电机，其特征在于，所述高速转轴为小扭矩输出，所述低速转轴为大扭矩输出。

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