CN112467901B - 一种磁齿轮复合直驱电机及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁齿轮复合直驱电机及其应用，属于低速大转矩直驱电机领域，包括由外到内依次同心嵌套排列的永磁外定子、调制转子、多磁势永磁转子和电枢内定子；永磁外定子与调制转子之间、调制转子与多磁势永磁转子之间，多磁势永磁转子和电枢内定子之间均具有气隙；多磁势永磁转子包括不导磁框架和嵌入框架中的极弧宽度不等的多个径向充磁永磁体，这些永磁体的极弧宽度和充磁方向经设计能在内外层气隙上同时产生两种幅值较大的主要磁势。本发明提出的这种磁齿轮复合直驱电机能实现电机与磁齿轮转子极对数的解耦，提升磁钢利用率和输出转矩密度。

Description

一种磁齿轮复合直驱电机及其应用
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直驱电机及其应用。
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，包括永磁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两层气隙准直驱磁齿轮复合电机等等。以上这些磁齿轮复合电机结构，主要通过设计磁力齿轮少极转子极对数等于永磁电机转子极对数，实现转子结构的复用和转矩直接传递，然后再通过磁力齿轮的调制转子实现转矩的减速放大输出，实现较高的转矩密度。
2018年Stiaan Gerber和Rong-Jie Wang提出了一种经典三气隙磁齿轮复合电机结构，电机和磁齿轮共用一个五对极的无铁心永磁转子，永磁同步电机采用12槽10极分数槽集中绕组，磁力齿轮调磁块数为36，外转子极对数为31，减速比为7.2(S.Gerber and R.-J.Wang,―Comparison of Three Prototype Flux-Modulating Permanent MagnetMachines,”in 2018XIII International Conference on Electrical Machines(ICEM),Sep.2018,pp.2072–2078,doi:10.1109/ICELMACH.2018.8506736)。论文指出该三气隙磁齿轮复合电机能够实现98Nm/L的输出转矩体积密度，比传统直驱电机高2.7倍，比双层气隙的伪直驱型磁齿轮复合电机高40％，是截至目前转矩密度最高的磁齿轮复合电机结构。然而，该方案仍存在一些制约转矩密度提升的问题：1.电机部分采用分数槽集中绕组永磁同步电机，且极对数选择受到磁力齿轮少极转子极对数的制约，小型电机中一般仅能取到6以下，电磁转矩性能不如多极的直驱永磁电机；2.相应的，磁力齿轮内永磁转子的极对数受到电机转子极对数的制约，小型电机中一般需取为4以上，在机械复杂度和加工精度许可的限制下，磁力齿轮外定子多极永磁体极对数很难超过40，因此较高的内转子极对数也限制了磁力齿轮减速比的提升；3.由于转子极数较少，较长的绕组端部增加了电机体积质量，增大了电机铜耗，不利于电机效率的提升。
2018年美国德州农机大学的Matthew和Hamid提出了一种磁齿轮复合直驱电机，其通过在内转子铁心轭的内侧和外侧放置两层不同极对数的永磁体来分别满足直驱电机和磁力齿轮对永磁体极对数的要求，其中内层永磁体20对极，外层永磁体6对极，实现了对磁齿轮复合电机内转子极对数的解耦和优化。(M.Johnson,M.C.Gardner,H.A.Toliyat,S.Englebretson,W.Ouyang,and C.Tschida,―Design,Construction,and Analysis of aLarge-Scale Inner Stator Radial Flux Magnetically Geared Generator for WaveEnergy Conversion,”IEEE Transactions on Industry Applications,vol.54,no.4,pp.3305–3314,Jul.2018,doi:10.1109/TIA.2018.2828383.)这一解决方案的缺点在于内转子需要较厚的铁心实现电机与磁力齿轮磁路的分别闭合，增加了电机系统的质量，同时也限制了永磁直驱电机的体积和输出转矩。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁齿轮复合直驱电机及其应用，旨在通过优化永磁转子结构，减少永磁转子厚度，增大电机定子外径及槽面积，在传统三气隙磁齿轮复合电机的基础上提升转矩密度。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁齿轮复合直驱电机，包括由外到内依次同心嵌套排列的永磁外定子、调制转子、多磁势永磁转子和内定子；永磁外定子与调制转子之间、调制转子与多磁势永磁转子之间、多磁势永磁转子和内定子之间均具有气隙。
其中，永磁定子包括由外向内依次同心嵌套的定子铁轭和径向极化的表贴永磁体；
调制转子的调磁铁轭由多个调磁块和内侧连接桥组成，起到调制永磁外定子和多磁势永磁转子磁场极对数的作用；
多磁势永磁转子包括一个不导磁框架和内嵌于框架内的多个径向极化的永磁体，这些永磁体具有不同的极弧宽度和位置，共同构成能在内外气隙上均产生两个主要磁势的多磁势永磁阵列结构，两个主要磁势分别为多极电机工作磁势Pr，以及少极的磁力齿轮工作磁势Pmg；
内定子包括一个拥有多个齿槽结构的内定子铁心，以及嵌于内定子铁心槽内的铜导线绕制的双层集中绕组。
优选地，上述的磁齿轮复合直驱电机，其多磁势永磁转子采用不均匀分布的多个极弧系数不同的径向极化永磁体，能够在该转子内外侧气隙同时产生两种磁密较高的气隙磁场谐波，磁场极对数分别为Pr和Pmg(Pr>Pmg)，且分别作为内气隙和外气隙的工作磁场。
优选地，上述的磁齿轮复合直驱电机，根据磁场调制原理，内定子绕组通交流电产生磁场的极对数Ps，等于多磁势永磁转子在内气隙产生的多极工作磁场极对数Pr，从而能够起到永磁同步电机的作用。
优选地，上述的磁齿轮复合直驱电机，其多磁势永磁转子在外气隙产生的少极工作磁场，与调制转子及永磁外定子构成磁力齿轮。
优选地，上述的磁齿轮复合直驱电机，根据磁场调制原理，永磁外定子极对数Po，调制转子调制齿个数Nm，以及多磁势永磁转子的少极磁力齿轮工作磁势的极对数Pmg满足以下关系，从而能够起到磁力齿轮的作用：
Nm＝Po+Pmg。
上述的磁齿轮复合直驱电机的一种应用，将永磁外定子固定，调制转子作为输出轴承受机械负载，内转子空转，电机内定子绕组产生的电磁转矩驱动多磁势永磁转子，多磁势永磁转子上的电磁转矩通过与调制转子和永磁外定子永磁体形成的磁齿轮效应，将多磁势永磁转子上的转矩放大传递到永磁外定子上，最终带动负载旋转，实现同方向的低速大转矩输出；
上述的磁齿轮复合直驱电机的一种应用，将调制转子固定，永磁外定子作为输出轴承受机械负载，内转子空转，电机内定子绕组产生的电磁转矩驱动多磁势永磁转子，多磁势永磁转子上的电磁转矩通过与调制转子和永磁外定子永磁体形成的磁齿轮效应，将多磁势永磁转子上转矩放大传递到调制转子上，最终带动负载旋转，实现反方向的低速大转矩输出。
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)本发明提供的新型磁齿轮复合直驱电机，相比于现有的磁齿轮复合电机结构，通过增加永磁电机的工作磁场极对数，减少了绕组端部长度，增加了同等体积和损耗下的电磁输出转矩。
(2)本发明提供的新型磁齿轮复合直驱电机，其通过设计并采用多磁势径向永磁阵列结构，利用同一层永磁体在气隙上产生不同极对数的气隙磁场以分别作为永磁电机和磁力齿轮的工作磁场，省去了转子轭部，减少了永磁体用量，增加了永磁体利用率；
(3)综合来看，本发明提供的新型磁齿轮复合直驱电机，其通过对电机类型、内转子永磁阵列的设计及优化，能够进一步提升传统三气隙磁齿轮复合电机的转矩密度以及效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的永磁外定子结构示意图；
图3为本发明实施例提供的磁齿轮复合直驱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直驱电机的多磁势永磁转子结构示意图，其中包括非导磁框架和极弧系数及排列间距不同的多块径向充磁的永磁体；
图5为本发明实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的电枢内定子结构示意图，其中包括开有闭口槽的内定子铁心，以及定子齿齿间的电枢绕组；
图6为本发明实施例中多磁势永磁转子在内、外气隙上产生的磁场。
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—永磁外定子铁心，2—永磁外定子永磁体，3—调制转子铁心，4—多磁势永磁转子永磁体，5—多磁势永磁转子非导磁框架，6—电枢内定子铁心，7—电枢内定子绕组。
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不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种磁齿轮复合直驱电机，包括由外到内依次同心嵌套排列的永磁外定子、调制转子、多磁势永磁转子和内定子；永磁外定子与调制转子之间、调制转子与多磁势永磁转子之间、多磁势永磁转子和内定子之间均具有气隙。
其中，永磁定子包括由外向内依次同心嵌套的定子铁轭和径向极化的表贴永磁体；
调制转子的调磁铁轭由多个调磁块和内侧连接桥组成，起到调制两边永磁体磁场极对数的作用；
多磁势永磁转子包括一个不导磁框架和内嵌于框架内的多个径向极化的永磁体，这些永磁体具有不同的极弧宽度和位置，共同构成能在内外气隙上均产生两个主要磁势的多磁势永磁阵列结构，两个主要磁势分别为多极的电机工作磁势Pr，以及少极的磁力齿轮工作磁势Pmg；
内定子包括一个拥有多个齿槽结构的内定子铁心，以及嵌于内定子铁心槽内的铜导线绕制的双层集中绕组。
具体地，上述的磁齿轮复合直驱电机，其多磁势永磁转子采用不均匀分布的多个极弧系数不同的径向永磁体，能够在该转子内外侧气隙同时产生两种磁密较高的气隙主磁场，分别为电机工作磁势和磁力齿轮工作磁势，磁场极对数分别为Pr和Pmg(Pr>Pmg)，且分别作为内气隙和外气隙的工作磁场。
具体地，上述的磁齿轮复合直驱电机，根据磁场调制原理，内定子绕组通交流电产生磁场的极对数Ps，等于多磁势永磁转子在内气隙产生的多极电机工作磁场的极对数Pr，从而能够起到永磁同步电机的作用。
具体地，上述的磁齿轮复合直驱电机，其多磁势永磁转子在外气隙产生的少极磁力齿轮工作磁场，与调制转子及永磁外定子构成磁力齿轮。
具体地，上述的磁齿轮复合直驱电机，根据磁场调制原理，永磁外定子极对数Po，调制转子调制齿个数Nm，以及多磁势永磁转子少极磁场的极对数Pmg满足以下关系，从而能够起到磁力齿轮的作用：
Nm＝Po+Pmg。
上述的磁齿轮复合直驱电机的一种应用，将永磁外定子固定，调制转子作为输出轴承受机械负载，内转子空转，电机内定子绕组产生的电磁转矩驱动多磁势永磁转子，多磁势永磁转子上的电磁转矩通过与调制转子和永磁外定子永磁体形成的磁齿轮效应，将多磁势永磁转子上的转矩放大传递到永磁外定子上，最终带动负载旋转，实现同方向的低速大转矩输出；
上述的磁齿轮复合直驱电机的一种应用，将调制转子固定，永磁外定子作为输出轴承受机械负载，内转子空转，电机内定子绕组产生的电磁转矩驱动多磁势永磁转子，多磁势永磁转子上的电磁转矩通过与调制转子和永磁外定子永磁体形成的磁齿轮效应，将多磁势永磁转子上转矩放大传递到调制转子上，最终带动负载旋转，实现反方向的低速大转矩输出。
图1所示为本发明实施例提供的齿轮复合直驱电机的结构示意图，包括永磁外定子、调制转子、多磁势永磁转子及电枢内定子；永磁外定子、调制转子、多磁势永磁转子和内定子由外到内依次同心嵌套排列，永磁外定子与调制转子之间、调制转子与多磁势永磁转子之间、多磁势永磁转子与内定子之间均具有气隙；
如图2所示是本实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的永磁外定子的结构示意图；本实施例中，永磁外定子包括由硅钢片叠压而成的永磁外定子铁心1，以及内表贴于永磁外定子铁心1的永磁外定子永磁体2，由沿圆周环向均匀分布58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外气隙圆周上产生静止的29对极磁场。
如图3所示是实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的调制转子的结构示意图；本实施例中，调制转子包括由硅钢片叠成的环形调磁铁轭3，调磁铁轭上沿圆周环向均匀分布有34块方形调磁块。
如图4所示是实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的多磁势永磁转子结构示意图；本实施例中，多磁势永磁转子包括由非导磁材料制成的一体化框架，以及24块具有不同极弧宽度和充磁方向的永磁体；
如图5所示是实施例提供的磁齿轮复合直驱电机的内定子结构示意图；本实施例中，内定子的槽极配合应能形成集中绕组结构以减小端部长度，内定子槽数设置为Zs＝24，绕组极对数设置为Ps＝16，绕组系数为0.866；
本实施例中，多磁势内永磁转子产生的多极电机工作磁场应能与内定子电枢绕组匹配以实现机电能量转换，即Pr＝Ps＝16；
本实施例中，如图4所示的多磁势永磁转子中的永磁体的充磁方向、极弧宽度以及排列方式均经过定向设计，以在多磁势永磁转子的内外气隙上产生磁密幅值均较大的Pmg＝5对极以及Pr＝16对极的旋转气隙磁场，如图6所示，其中5对极为磁力齿轮工作磁场，16对极为永磁电机工作磁场，且这两种磁场具有相同的机械转速，其他为非工作磁场谐波；
本实施例中，外调制转子作为磁齿轮复合直驱电机的输出轴，外部连接低速大转矩负载；多磁势永磁转子未连接外部负载，保持空转；内定子与多磁势永磁转子构成永磁直驱电机；当内定子的24槽32极分数槽集中绕组通入频率为fs的三相电流时，可在气隙上产生以角速度
Figure BDA0002775610690000081
旋转的磁场，该电枢磁场可与多磁势永磁转子产生的16对极磁场耦合，从而驱动多磁势永磁转子以同步转速Ωr旋转；
多磁势永磁转子在外侧气隙上产生的Pmg＝5对极的磁力齿轮工作磁场与调制转子、永磁外定子构成磁场调制型磁力齿轮；Pmg的磁场经过均匀周向分布的Nm个调磁块的调制作用后，产生|Nm-Pmg|对极的磁场，从而与永磁外定子产生的Po对极的磁场耦合，通过磁场耦合实现功率由永磁转子向调制转子的传递；永磁转子转速Ωr与调制转子转速Ωm满足以下关系：
Figure BDA0002775610690000082
在本实施例中，多磁势永磁转子作为磁齿轮复合直驱电机减速驱动的关键，同时受到内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，从而实现多磁势永磁转子的稳定空转；内定子绕组的电磁转矩Tr与调制转子负载上的机械转矩Tm满足以下关系：
Figure BDA0002775610690000091
综上，在本实施例中，磁齿轮复合直驱电机的交流电流频率fs、电机工作磁场的极对数Pr以及输出转速Ωm满足以下关系：
Figure BDA0002775610690000092
由上式可以看出，本实施例的磁齿轮复合直驱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，为磁齿轮的减速比Pmg/Nm；在本实施例中，调制转子铁轭块数Nm为34，多磁势永磁转子少极磁力齿轮工作磁场的极对数Pmg为5，由此获得磁力齿轮减速比为34/5＝6.8。
与现有的三气隙磁齿轮复合电机拓扑相比，本发明实施例提供的新型磁齿轮复合直驱电机通过解耦永磁电机和磁力齿轮的工作磁场极对数，使得参数设计更为灵活，增加了永磁电机的电磁转矩，减少了端部长度；通过多磁势永磁阵列的设计，在较小的径向尺寸下实现两种极对数的工作气隙磁场，提升了永磁体利用率。综合来看，实现了140Nm/L的磁力齿轮传递转矩密度和120Nm/L的输出转矩密度，较现有转矩密度最高的磁齿轮复合电机拓扑高出20％以上，具有明显的性能优势。
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 (8)

1.一种磁齿轮复合直驱电机，其特征在于，包括由外到内依次同心嵌套排列的永磁外定子、调制转子、多磁势永磁转子和电枢内定子；永磁外定子与调制转子之间、调制转子与多磁势永磁转子之间，多磁势永磁转子和电枢内定子之间均具有气隙；
所述多磁势永磁转子包括一个不导磁框架和内嵌于不导磁框架内的不均匀分布的多个径向极化的永磁体，所述永磁体具有不同的极弧宽度和位置，共同构成能在内外气隙上均产生两个主要磁势的多磁势永磁阵列结构，两个主要磁势分别为多极电机工作磁势，以及少极磁力齿轮工作磁势。
2.如权利要求1所述的磁齿轮复合直驱电机，其特征在于，所述永磁外定子包括由外向内依次同心嵌套的外定子铁轭和径向极化的永磁体。
3.如权利要求1所述的磁齿轮复合直驱电机，其特征在于，所述调制转子的调磁铁轭由多个调磁块和内侧连接桥组成，用于调制永磁外定子和多磁势永磁转子的磁场极对数。
4.如权利要求1所述的磁齿轮复合直驱电机，其特征在于，所述电枢内定子包括一个拥有多个齿槽结构的内定子铁心，以及嵌于内定子铁心槽内的双层集中绕组。
5.如权利要求4所述的磁齿轮复合直驱电机，其特征在于，所述双层集中绕组采用铜导线绕制。
6.如权利要求1所述的磁齿轮复合直驱电机，其特征在于，永磁外定子极对数Po，调制转子调制齿个数Nm，以及多磁势永磁转子的少极磁力齿轮工作磁势的极对数Pmg满足以下关系：
Nm＝Po+Pmg。
7.一种基于权利要求1至6任一项所述的磁齿轮复合直驱电机的应用，其特征在于，将永磁外定子固定，调制转子作为输出轴承受机械负载，多磁势永磁转子空转，电枢内定子绕组产生的电磁转矩驱动多磁势永磁转子，多磁势永磁转子上的电磁转矩通过与调制转子和永磁外定子永磁体形成的磁齿轮效应，将多磁势永磁转子上的转矩放大传递到调制转子上，最终带动负载旋转，实现同方向的转矩输出。
8.一种基于权利要求1至6任一项所述的磁齿轮复合直驱电机的应用，其特征在于，将调制转子固定，永磁外定子作为输出轴承受机械负载，多磁势永磁转子空转，电枢内定子绕组产生的电磁转矩驱动多磁势永磁转子，多磁势永磁转子上的电磁转矩通过与调制转子和永磁外定子永磁体形成的磁齿轮效应，将多磁势永磁转子上转矩放大传递到永磁外定子上，最终带动负载旋转，实现反方向的转矩输出。
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