CN113965037B - 基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式双转子电机 - Google Patents

基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式双转子电机 Download PDF

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Abstract

基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，属于水下无人航行器推进电机领域，本发明为解决已有水下无人航行器推进用对转电机存在绕组发热严重且散热困难问题。本发明包括环形绕组定子、调制环转子和永磁转子，环形绕组定子、调制环转子和永磁转子沿径向由外至内同轴设置；永磁转子设置为分段错位式，形成沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场；调制环转子将沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场调制成沿轴向分布的定子绕组磁场，永磁转子和调制环转子所受的电磁转矩实时大小相等、方向相反；永磁转子的输出轴与对转螺旋桨的正转螺旋桨相连，调制环转子的输出轴与对转螺旋桨的反转螺旋桨相连。

Description

基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式双转子电机
技术领域
本发明涉及一种电机本体结构，属于水下无人航行器推进电机领域。
背景技术
海洋装备作为水下侦查监视、情报收集、水下作战的重要装备，水下无人航行器的创新发展对我国保护海洋主权、开发海洋资源具有巨大战略和经济意义。
水下无人航行器推进系统一般包括单螺旋桨和对转螺旋桨两种推进器。其中与单螺旋桨相比，对转螺旋桨技术不仅能够克服单螺旋桨旋转时产生横滚力矩的不足，还可以吸收前螺旋桨尾流中的旋转动能，减少系统能量损失。对转螺旋桨推进系统的驱动方式主要包括热动力驱动和电动力驱动，其中电动力驱动具有潜航深度大、无航迹、噪声小以及环保等优点。目前，电动力驱动对转螺旋桨推进系统有三种常见实现方式：1)安装两台相同的普通电机分别驱动前、后螺旋桨，该方法简单易实现，但体积过大，成本较高；2)安装一台高速电机，经过复杂的行星齿轮装置实现异向旋转，但该方法使推进系统过于复杂、机械磨损大且鲁棒性与效率低；3)采用对转双转子结构电机直接驱动两个螺旋桨，该结构避免了复杂的对转和传动机构，减小了推进系统体积，是今后水下无人航行器推进电机发展的主要方向。
而常见的对转双转子电机多为有刷式对转电机，此结构具有电刷滑环机构，存在旋转绕组发热严重且散热困难、旋转绕组动平衡难以保证等问题，导致电机运行效率下降、可靠性降低。而现有的无刷对转结构多数又存在双转子同步控制困难的问题亟待解决。因此，水下无人航行器推进用对转电机的无刷化是该领域的研究热点和重要研究方向，同时开发出具有更高转矩密度、更易于控制的新型结构无刷对转电机也成为了领域内的新挑战。
发明内容
本发明目的是为了解决已有水下无人航行器推进用对转电机存在旋转绕组需要电刷滑环馈电、绕组发热严重且散热困难、旋转绕组动平衡难以保证以及双电机驱动方式的双转子同步控制困难等问题，提供了一种基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机。
本发明所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，包括环形绕组定子5、调制环转子6和永磁转子7，环形绕组定子5、调制环转子6和永磁转子7沿径向由外至内同轴设置；
永磁转子7设置为分段错位式，形成沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场；
调制环转子6将沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场调制成与沿轴向分布的定子绕组磁场的极对数相同的调制永磁磁场，永磁转子7和调制环转子6所受的电磁转矩实时大小相等、方向相反；
永磁转子7的输出轴与对转螺旋桨的正转螺旋桨相连，调制环转子6的输出轴与对转螺旋桨的反转螺旋桨相连。
优选地，环形绕组定子5包括定子铁心5-2和环形绕组5-1；环形绕组5-1是一个m相定子绕组，当环形绕组5-1通有m相交流电流时，会产生极对数为ps的轴向电枢磁场，m、ps为正整数。
优选地，环形绕组定子5的槽采取半闭口槽的方式沿轴向等齿宽排列，其中两个端部齿宽是中间齿宽的1/2，定子铁心5-2的半闭口槽的槽口面向永磁转子7，环形绕组5-1嵌在所述半闭口槽中。
优选地，调制环转子6和永磁转子7沿电机圆周方向采用单元电机转子的形式，单元电机数为n，n为正整数；
永磁转子7的极对数为n×pPM，pPM为正整数；
调制环转子6包括n×(pm×pPM)个导磁块6-1、n×(pm×pPM)个非导磁块6-2和转子支撑部分6-3；转子支撑部分6-3上设置pm圈、每圈n×pPM个导磁块6-1和n×pPM个非导磁块6-2，pm为正整数，pm圈导磁块沿轴向阵列排布；
同时满足条件ps＝|ipPM±kpm|，其中i、k是正整数。
优选地，转子支撑部分6-3使用不导磁、不导电材料。
优选地，调制环转子6的n×(pm×pPM)个导磁块6-1分成pPM个调制组6-5，相邻两个调制组6-5周向间距为2π/npPM；每个调制组6-5包括n个调制单元6-4，一个调制组中的两个相邻调制单元6-4之间的周向间距为2π/n；沿任意一个调制单元建立a-c坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；该调制单元pm个导磁块6-1的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
u——该调制单元中第u个导磁块，且1≤u≤pm，u为整数；
l——电机轴向有效长度；
α1、α2——导磁块沿周向和轴向的尺寸系数。
优选地，永磁转子7包括永磁转子铁心7-2和永磁体7-1，n×(pm×2pPM)个永磁体7-1固定在永磁转子铁心7-2的外圆表面上，永磁体7-1的充磁方向为径向充磁，其中永磁体极对数为n×pPM；n×(pm×2pPM)个永磁体7-1沿轴向方向等间距设置pm圈、每圈n×2pPM个永磁体7-1，pm圈永磁体7-1周向依次错位2π/npm，且周向相邻的两块永磁体7-1的充磁方向相反；
优选地，永磁转子7的n×(pm×2pPM)个永磁体7-1分成pPM个永磁体组7-5，相邻两个永磁体组7-5周向间距为2π/npPM；每个永磁体组7-5包括n个永磁体单元7-4，1个永磁体组中的两个相邻永磁体单元7-4之间的周向间距为2π/n；1个永磁体单元7-4由斜向排布的2pm个永磁体7-1构成，且1个永磁体单元7-4斜向等效为1对极，在a-c坐标系中，第一个永磁体单元pm个N极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
wN——该永磁体单元中第wN个N极永磁体，且1≤wN≤pm，wN为整数；
α3、α4——永磁体沿周向和轴向的尺寸系数；
同时该永磁体单元pm个S极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
wS——该永磁体单元中第wS个S极永磁体，且1≤wS≤pm，wS为整数。
优选地，永磁转子7包括n×(pm×pPM)个永磁体7-1、n×(pm×pPM)个铁心凸起单元7-3和永磁转子铁心7-2；n×(pm×pPM)个永磁体7-1和n×(pm×pPM)个铁心凸起单元7-3沿轴向方向阵列排布pm圈，每圈n×pPM个永磁体7-1和n×pPM个铁心凸起单元7-3沿圆周方向均匀交错分布在永磁转子铁心7-2上；n×(pm×pPM)个永磁体7-1的充磁方向相同；永磁体7-1的充磁方向为径向充磁；铁心凸起单元7-3和永磁转子铁心7-2为硅钢片或实心铁。
优选地，还包括机壳4、调制环转子输出法兰轴9-1、调制环转子非输出法兰轴9-2和永磁转子输出轴1；调制环转子输出法兰轴9-1、调制环转子非输出法兰轴9-2和永磁转子输出轴1的轴线重合；永磁转子输出轴1与正转螺旋桨相连，调制环转子输出法兰轴9-1与反转螺旋桨相连；
环形绕组定子5固定在机壳4的内圆表面上，永磁转子7固定在永磁转子输出轴1上，调制环转子6左右两端分别固定在调制环转子输出法兰轴9-1和调制环转子非输出法兰轴9-2，调制环转子输出法兰轴9-1为空心轴，调制环转子输出法兰轴9-1套设在永磁转子输出轴1一端并与其转动连接，调制环转子输出法兰轴9-1从机壳4的侧端盖伸出，并与机壳4的侧端盖转动连接；
永磁转子输出轴1的另一端与调制环转子非输出法兰轴9-2的内端转动连接，并从调制环转子输出法兰轴9-1的空心轴中伸出；调制环转子非输出法兰轴9-2的外端与机壳4另一侧端盖转动连接。
本发明的有益效果：本发明的基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机是基于三维磁场调制原理的新型无刷双转子结构电机，方案中没有电刷滑环机构，两个转轴转速相互独立，转速差可调；同时该方案中，定子仅受轴向力作用，基于角动量守恒定律两个转子所受的电磁转矩实时大小相等、方向相反，避免双转子同步控制困难的问题。因此，本发明特别适合应用于安装对转螺旋桨推进系统的水下无人航行器领域。
本发明电机以磁场调制原理为基础进行工作，与中国专利CN112510952A中提及的基于磁场调制原理的横向错位无刷双转子电机相比，中间调制转子的导磁块排布方式不同；永磁转子的永磁体个数和排布方式也完全不同；本发明电机的永磁体分段错位排布可以有效减小永磁体涡流损耗，提高电机效率。
本发明电机定子绕组采用环形绕组的形式，该绕组形式无端部，与径向或轴向磁场调制型电机方案相比，可节省大量空间，更适合采用极对数较少甚至为1的绕组排布方案，以增加磁场调制型电机的转矩密度。
本发明电机可实现电负荷和磁负荷的解耦，使电机具有较高的设计自由度，并且可以获得更高的转矩密度。
附图说明
图1是实施方式一所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是实施方式二所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图；
图5是单元电机数n＝1时调制环转子的结构示意图，其中图5(a)为展开图，图5(b)为周向排布图；
图6是单元电机数n＝2时调制环转子的结构示意图，其中图6(a)为展开图，图6(b)为周向排布图；
图7是实施方式一所述单元电机数n＝1时永磁转子的结构示意图，其中图7(a)为展开图，图7(b)为周向排布图；
图8是实施方式一所述单元电机数n＝2时永磁转子的结构示意图，其中图8(a)为展开图，图8(b)为周向排布图；
图9是实施方式二所述单元电机数n＝1时永磁转子的结构示意图，其中图9(a)为展开图，图9(b)为周向排布图；
图10是实施方式二所述单元电机数n＝2时永磁转子的结构示意图，其中图10(a)为展开图，图10(b)为周向排布图。
具体实施方式
本发明提供的双转子电机，其中永磁转子设置为分段错位式，形成沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场；
调制环转子将沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场调制成与沿轴向分布的定子绕组磁场的极对数相同的调制永磁磁场，永磁转子和调制转子所受的电磁转矩实时大小相等、方向相反；利用本发明双转子电机输出的两个方向相反的电磁转矩驱动对转螺旋桨，本发明基于三维磁场调制原理去除了传统方案中的电刷滑环机构，来解决绕组发热严重且散热困难的问题，同时利用分段错位式的永磁体设置来减小永磁体涡流损耗，提高电机效率。
具体实施方式一：下面结合图1、图2、图5、图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，它包括机壳4、环形绕组定子5、永磁转子7、永磁转子输出轴1、调制环转子6、调制环转子输出法兰轴9-1、调制环转子非输出法兰轴9-2；永磁转子输出轴1与正转螺旋桨相连，调制环转子输出法兰轴9-1与反转螺旋桨相连；
环形绕组定子5固定在机壳4的内圆表面上，环形绕组定子5内部由外向内依次设置有调制环转子6和永磁转子7；永磁转子7固定在永磁转子输出轴1上，调制环转子6左右两端分别固定在调制环转子输出法兰轴9-1和非输出法兰轴9-2，调制环转子输出法兰轴9-1为空心轴，调制环转子输出法兰轴9-1套设在永磁转子输出轴1一端并通过轴承8与其转动连接，调制环转子输出法兰轴9-1从机壳4的侧端盖伸出，并与机壳4的侧端盖通过轴承10转动连接；
永磁转子输出轴1的另一端与调制环转子非输出法兰轴9-2的内端通过轴承3转动连接，非输出法兰轴9-2为实心轴，借由调制环转子输出法兰轴9-1的空心轴从机壳4的另一侧伸出，调制环转子非输出法兰轴9-2的外端与机壳4另一侧端盖通过轴承2转动连接。
双转子电机的双气隙结构包括：环形绕组定子5与调制环转子6之间的气隙L1；调制环转子6与永磁转子7之间的气隙L2；调制环转子输出法兰轴9-1、非输出法兰轴9-2和永磁转子输出轴1的轴线重合；
环形绕组定子5的槽采取半闭口槽的方式沿轴向等齿宽排列，其中两个端部齿宽是中间齿宽的1/2，定子铁心5-2的半闭口槽的槽口面向调制环转子6，环形绕组5-1嵌在所述半闭口槽中；环形绕组5-1是一个m相定子绕组，当环形绕组5-1通有m相交流电流时，会产生极对数为ps的轴向电枢磁场，m、ps为正整数；
调制环转子6和永磁转子7沿电机圆周方向采用单元电机转子的形式，单元电机数为n，n为正整数；
为了后续表述方便，建立a-c坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；
调制环转子6包括n×(pm×pPM)个导磁块6-1、n×(pm×pPM)个非导磁块6-2和转子支撑部分6-3；转子支撑部分6-3上设置pm圈、每圈n×pPM个导磁块6-1和n×pPM个非导磁块6-2，pm为正整数，pm圈导磁块和非导磁块沿轴向阵列排布；
调制环转子6的n×(pm×pPM)个导磁块6-1分成pPM个调制组6-5，相邻两个调制组6-5周向间距为2π/npPM；每个调制组6-5包括n个调制单元(图5中n＝1，此时一个调制组仅包括1个调制单元6-4；图6中n＝2，此时一个调制组包括2个调制单元6-4-1和6-4-2)，一个调制组中的两个相邻调制单元6-4之间的周向间距为2π/n；一个调制单元由轴向阵列排布的pm个导磁块6-1构成，参见图5，两条虚线之间的pm个导磁块6-1构成一个调制单元，参见图6，两个调制单元，其中调制单元6-4-1和调制单元6-4-2分别包括pm个导磁块6-1，两个调制单元构成一个调制组6-5；沿任意一个调制单元建立a-c坐标系，该调制单元pm个导磁块6-1的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
u——该调制单元中第u个导磁块，且1≤u≤pm，u为整数；
l——电机轴向有效长度；
α1、α2——导磁块沿周向和轴向尺寸系数。
u＝1,2,…,pm，以u＝6为例说明，第6个导磁块6-1的中心位置：c方向上的坐标为a方向上的坐标为/>第6个导磁块6-1的尺寸：c方向上的尺寸为/>a方向上的尺寸为/>
转子支撑部分6-3使用不导磁、不导电材料；
永磁转子7的n×(pm×2pPM)个永磁体7-1可分成pPM个永磁体组7-5，相邻两个永磁体组7-5周向间距为2π/npPM；每个永磁体组7-5包括n个永磁体单元(图7中n＝1，此时一个永磁体组仅包括1个永磁体单元7-4；图8中n＝2，此时一个永磁体组包括2个永磁体单元7-4-1和7-4-2)，一个永磁体组中的两个相邻永磁体单元之间的周向间距为2π/n；一个永磁体单元7-4由斜向排布的2pm个永磁体7-1构成，参见图7，两条虚线之间的2pm个永磁体7-1构成一个永磁体7-4，参见图8，两个永磁体单元，其中永磁体单元7-4-1和永磁体单元7-4-2分别包括2pm个永磁体7-1，两个永磁体单元构成一个永磁体组7-5；1个永磁体单元由斜向排布的2pm个永磁体7-1构成，且1个永磁体单元7-4斜向等效为1对极，在a-c坐标系中，第一个永磁体单元pm个N极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
wN——该永磁体单元中第wN个N极永磁体，且1≤wN≤pm，wN为整数；
α3、α4——永磁体沿周向和轴向尺寸系数；
wN＝1,2,…,pm，以wN＝3为例说明，第3个N极永磁体的中心位置为：c方向上的坐标为a方向上的坐标为第3个N极永磁体的尺寸为：c方向上的尺寸为/>a方向上的尺寸为/>
同时该永磁体单元pm个S极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
wS——该永磁体单元中第wS个S极永磁体，且1≤wS≤pm，wS为整数；
wS＝1,2,…,pm，以wS＝5为例说明，第5个S极永磁体的中心位置为：c方向上的坐标为a方向上的坐标为 第5个S极永磁体的尺寸为：c方向上的尺寸为/>a方向上的尺寸为/>
一个永磁体组2pm个永磁体7-1分别沿着圆周方向阵列，得到pPM个永磁体组7-5，图7中pPM个永磁体组7-5，每个永磁体组7-5中包括一个永磁体单元7-4，一个永磁体单元7-4中包括2pm个永磁体7-1，由于图7(a)为展开图，且永磁体单元中2pm个永磁体为斜向排布，因此部分永磁体单元的2pm个永磁体在图中上侧和下侧分别显示，相邻两个永磁体组之间的周向间距为2π/npPM；图8中pPM个永磁体组7-5，每个永磁体组7-5中包括2个永磁体单元7-4-1和7-4-2，永磁体单元7-4-1中包括2pm个永磁体7-1，另一个永磁体单元7-4-2中也包括2pm个永磁体7-1，两个永磁体单元的周向间距为2π/n＝180度；n×(pm×2pPM)个永磁体7-1固定在永磁转子铁心7-2的外圆表面上，永磁体7-1的充磁方向为径向充磁；
同时满足条件ps＝|ipPM±kpm|，其中i、k是正整数。
为了说明本发明的工作原理，假设pm圈永磁体依次同向旋转(y-1)×2π/npm度，使n×pPM个永磁体单元的永磁体均轴向对齐，其中圈数y为正整数，且y≤pm；同时pm圈导磁块跟随永磁体以相同方向和相同角度进行旋转，得到斜向分布的pPM个调制组。以一个调制组为例，一个调制组同样包括n个调制单元。因此，将一个调制组中n个调制单元的导磁块和参与该组调制的永磁磁场同时投影到圆周方向和轴向方向，此时圆周方向和轴向方向可分别看作1个磁场调制型旋转电机和n个磁场调制型直线电机，其中磁场调制型旋转电机又由n个单元电机组成，圆周方向永磁体极对数是轴向方向永磁体极对数的n倍，下面将分析计算这两个方向的磁场调制效果。
设电机永磁转子极对数为n×pPM，则圆周方向永磁极对数为n×pPM，轴向方向永磁极对数为pPM。当永磁转子与调制环转子发生相对转动时，参与该组调制的永磁磁场既沿圆周方向转动，也沿轴向方向运动。设永磁转子圆周方向初始相位角为θPM，轴向方向初始位置为xPM，则永磁转子在圆周方向和轴向方向所形成的永磁磁动势FcPM(θ,t)和FaPM(x,t)可表示为：
式中下标c、a分别表示圆周方向和轴向方向；
Fci、Fai——圆周方向、轴向方向各次谐波磁动势幅值；
ΩPM、vPM——永磁转子周向旋转角速度和轴向等效运动速度；
i——永磁磁动势谐波次数；
θ——圆周方向机械角；
x——轴向方向位移；
t——时间。
设一个调制组的导磁块数为n×pm，圆周方向初始相位角为θm、轴向方向初始位置为xm，则在一个调制组转子的作用下，圆周方向和轴向方向的空间比磁导λc(θ,t)和λa(x,t)可表示为
式中λc0、λa0——零次谐波比磁导幅值；
λck、λak——各次谐波比磁导幅值；
Ωm、vm——调制环转子周向旋转角速度和轴向等效运动速度；
k——谐波比磁导次数，k＝1,2,3…。
永磁体磁动势在一个调制组导磁块的作用下产生的永磁磁场也可分别投影到圆周方向和轴向方向，且圆周方向永磁磁场BcPM(θ,t)和轴向方向永磁磁场BaPM(x,t)可分别表示为：
式中Bci、Bai——自然谐波磁场幅值，且Bci＝Fciλc0、Bai＝Faiλa0；
Bc(i,k)、Ba(i,k)——调制谐波磁场幅值，且
根据电机实际机械结构，定子环形绕组的结构特点使得调制环转子与定子磁场保持相对静止。因此，式(9)中推导的斜向调制谐波磁场轴向速度和周向转速都要对应减去调制环转子的轴向速度和周向转速，即圆周方向永磁磁场和轴向方向永磁磁场实际表示为：
由式(10)可知，永磁转子和调制环转子的共同作用下将会产生两类磁场。第一类为自然谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁转子磁动势的极对数相同，且它的圆周方向磁场转速、轴向方向磁场等效速度与永磁转子磁动势的圆周方向转速、轴向方向等效速度分别相同，该类磁场的幅值分别为Bci、Bai。第二类为调制谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁转子极对数和一个调制组转子中导磁块数相关，它的圆周方向磁场转速与永磁转子和调制环转子二者的转速相关，它的轴向方向磁场速度与轴向方向永磁磁动势和调制环转子的等效运动速度相关，该类磁场的幅值分别为Bc(i,k)、Ba(i,k)，具体关系如下：
pi,k＝|ipPM+jpm| (11)
j＝0,±1,±2,... (14)
式中pi,k、Ωi,k、vi,k——调制谐波磁场的极对数、圆周方向旋转角速度、轴向方向运动速度。
根据机电能量转换原理可知，只有当两个磁场的极对数、转速或速度相同情况下，才能产生恒定的转矩，从而实现机电能量转换。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计成可产生与调制谐波磁场相同极对数、相同轴向方向速度的电枢磁场。那么，定子环形绕组、调制环转子和永磁转子就构成了基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其具体工作原理圆周方向与径向或轴向磁场调制型电机相似，轴向方向与磁场调制型直线电机相似，两个方向综合分析可得，本发明电机是在调制环转子的作用下，将沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场调制成与沿轴向分布的定子绕组磁场的极对数相同的调制永磁磁场。所以由式(13)和式(14)可以进一步推导出定子电枢磁场频率fis1的表达式如下：
因为定子环形绕组产生的电枢磁场的速度与调制谐波磁场的轴向方向速度相等，所以本发明电机可参考式(15)进行调速。因此，在定子环形绕组、调制环转子和永磁转子相互作用下，调制环转子和永磁转子可以实现转速解耦，且电磁转矩与永磁转子所受电磁转矩大小相等、方向相反。
图1、图2、图5和图7中单元电机数n＝1，永磁转子的极对数n×pPM是6，调制环转子中导磁块数n×(pm×pPM)是42，且导磁块沿轴向阵列分布圈数pm是7，永磁转子中分段错位的永磁体数n×(pm×2pPM)是84，且1个永磁体组包括1个永磁体单元，每个永磁体单元的永磁体数2pm是14。由式(10)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场，其中轴向方向调制谐波磁场起主要作用。这些轴向方向调制谐波磁场当中，通常是i＝1，j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说轴向调制谐波磁场中1对极磁场幅值最大。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计产生1对极轴向电枢磁场，并通过控制定子环形绕组的通电频率使得电枢磁场的运动速度与1对极轴向调制谐波磁场的运动速度相同，从而使定子环形绕组、调制环转子和永磁转子实现机电能量转换。
图6和图8中单元电机数n＝2，永磁转子的极对数n×pPM是12，调制环转子中导磁块数n×(pm×pPM)是84，导磁块沿轴向阵列分布圈数pm是7，永磁转子中分段错位的永磁体数n×(pm×2pPM)是168，且1个永磁体组包括2个永磁体单元，每个永磁体单元的永磁体数2pm是14。同样由式(10)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场，其中轴向方向调制谐波磁场起主要作用。这些轴向调制谐波磁场当中，通常是i＝1，j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说轴向调制谐波磁场中1对极磁场幅值最大。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计产生1对极轴向电枢磁场，并通过控制定子环形绕组的通电频率使得电枢磁场的运动速度与1对极轴向调制谐波磁场的运动速度相同，从而使定子环形绕组、调制环转子和永磁转子实现机电能量转换。
具体实施方式二：下面结合图3、图4、图9和图10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一的不同之处在于，永磁转子7包括n×(pm×pPM)个永磁体7-1、n×(pm×pPM)个铁心凸起单元7-3和永磁转子铁心7-2；n×(pm×pPM)个永磁体7-1和n×(pm×pPM)个铁心凸起单元7-3沿圆周方向均匀交错分布并沿轴向方向分段错位分布在永磁转子铁心7-2上；n×(pm×pPM)个永磁体7-1的充磁方向相同；
永磁体7-1的充磁方向为径向充磁；铁心凸起单元7-3和永磁转子铁心7-2为硅钢片或实心铁。
本实施方式的优点是在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。
本实施方式中永磁体7-1和铁心凸起单元7-3交错设置方式与实施方式一中相同，本实施方式中的永磁体7-1和铁心凸起单元7-3分别和实施方式一中的N极永磁体和S极永磁体相对应，具体为：
建立a-c坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；
永磁转子7的n×(pm×pPM)个永磁体7-1分成pPM个永磁体组7-5，相邻两个永磁体组7-5周向间距为2π/npPM，pm为正整数；每个永磁体组7-5包括n个永磁体单元(图9中n＝1，此时一个永磁体组仅包括1个永磁体单元7-4；图8中n＝2，此时一个永磁体组包括2个永磁体单元7-4-1和7-4-2)，1个永磁体组中的两个相邻永磁体单元7-4之间的周向间距为2π/n；1个永磁体单元7-4由斜向排布的pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3构成，参见图9，两条虚线之间的pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3构成一个永磁体单元7-4，参见图10，两个永磁体单元，其中永磁体单元7-4-1包括pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3，永磁体单元7-4-2同样包括pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3，两个永磁体单元7-4-1和7-4-2构成一个永磁体组7-5；1个永磁体单元由斜向排布的包括pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3构成，且1个永磁体单元7-4斜向等效为1对极，在a-c坐标系中，第一个永磁体单元的pm个永磁体7-1的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中wA——该永磁体单元中周向方向第wA个永磁体，且1≤wA≤pm，wA为整数；
α3、α4——永磁体沿周向和轴向尺寸系数；
wA＝1,2,…,pm，以wA＝3为例说明，第3个永磁体的中心位置为：c方向上的坐标为a方向上的坐标为/> 第3个永磁体的尺寸为：c方向上的尺寸为/>a方向上的尺寸为
同时该永磁体单元pm个铁心凸起单元7-3的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中wB——该永磁体单元中周向方向第wB个铁心凸起单元7-3，且1≤wB≤pm，wB为整数；
wB＝1,2,…,pm，以wB＝5为例说明，第5个铁心凸起单元7-3的中心位置为：c方向上的坐标为a方向上的坐标为第5个铁心凸起单元7-3的尺寸为：c方向上的尺寸为a方向上的尺寸为/>/>
一个永磁体组pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3分别沿着圆周方向交错阵列，得到pPM个永磁体组7-5，图9中pPM个永磁体组7-5，每个永磁体组7-5中包括一个永磁体单元7-4，一个永磁体单元7-4中包括pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3，由于图9(a)为展开图，且永磁体单元中pm个永磁体和pm个铁心凸起单元7-3为斜向排布，因此部分永磁体单元的pm个永磁体在图中上侧和下侧分别显示，相邻两个永磁体组之间的周向间距为2π/npPM；图10中pPM个永磁体组7-5，每个永磁体组7-5中包括2个永磁体单元7-4-1和7-4-2，永磁体单元7-4-1中包括pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3，另一个永磁体单元7-4-2中也包括pm个永磁体7-1和pm个铁心凸起单元7-3，两个永磁体单元的周向间距为2π/n＝180度；n×(pm×2pPM)个永磁体7-1固定在永磁转子支架7-2上，永磁体7-1的充磁方向为径向充磁；永磁转子支架7-2使用不导电材料；
本实施方式的工作原理与实施方式一相同，不再赘述。

Claims (6)

1.基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其特征在于，包括环形绕组定子(5)、调制环转子(6)和永磁转子(7)，环形绕组定子(5)、调制环转子(6)和永磁转子(7)沿径向由外至内同轴设置；
永磁转子(7)设置为分段错位式，形成沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场；
调制环转子(6)将沿圆周均匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场调制成与沿轴向分布的定子绕组磁场的极对数相同的调制永磁磁场，永磁转子(7)和调制环转子(6)所受的电磁转矩实时大小相等、方向相反；
永磁转子(7)的输出轴与对转螺旋桨的正转螺旋桨相连，调制环转子(6)的输出轴与对转螺旋桨的反转螺旋桨相连；
调制环转子(6)和永磁转子(7)沿电机圆周方向采用单元电机转子的形式，单元电机数为n，n为正整数；
永磁转子(7)的极对数为n×pPM，pPM为正整数；
调制环转子(6)包括n×(pm×pPM)个导磁块(6-1)、n×(pm×pPM)个非导磁块(6-2)和转子支撑部分(6-3)；转子支撑部分(6-3)上设置pm圈、每圈n×pPM个导磁块(6-1)和n×pPM个非导磁块(6-2)，pm为正整数，pm圈导磁块沿轴向阵列排布；
同时满足条件ps＝|ipPM±kpm|，其中i、k是正整数；
调制环转子(6)的n×(pm×pPM)个导磁块(6-1)分成pPM个调制组(6-5)，相邻两个调制组(6-5)周向间距为2π/npPM；每个调制组(6-5)包括n个调制单元(6-4)，一个调制组中的两个相邻调制单元(6-4)之间的周向间距为2π/n；沿任意一个调制单元建立a-c坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；该调制单元pm个导磁块(6-1)的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
u——该调制单元中第u个导磁块，且1≤u≤pm，u为整数；
l——电机轴向有效长度；
α1、α2——导磁块沿周向和轴向的尺寸系数；
永磁转子(7)包括永磁转子铁心(7-2)和永磁体(7-1)，n×(pm×2pPM)个永磁体(7-1)固定在永磁转子铁心(7-2)的外圆表面上，永磁体(7-1)的充磁方向为径向充磁，其中永磁体极对数为n×pPM；n×(pm×2pPM)个永磁体(7-1)沿轴向方向等间距设置pm圈、每圈n×2pPM个永磁体(7-1)，pm圈永磁体(7-1)周向依次错位2π/npm，且周向相邻的两块永磁体(7-1)的充磁方向相反；
永磁转子(7)的n×(pm×2pPM)个永磁体(7-1)分成pPM个永磁体组(7-5)，相邻两个永磁体组(7-5)周向间距为2π/npPM；每个永磁体组(7-5)包括n个永磁体单元(7-4)，1个永磁体组中的两个相邻永磁体单元(7-4)之间的周向间距为2π/n；1个永磁体单元(7-4)由斜向排布的2pm个永磁体(7-1)构成，且1个永磁体单元(7-4)斜向等效为1对极，在a-c坐标系中，第一个永磁体单元pm个N极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
wN——该永磁体单元中第wN个N极永磁体，且1≤wN≤pm，wN为整数；
α3、α4——永磁体沿周向和轴向的尺寸系数；
同时该永磁体单元pm个S极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
式中
wS——该永磁体单元中第wS个S极永磁体，且1≤wS≤pm，wS为整数。
2.根据权利要求1所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其特征在于，环形绕组定子(5)包括定子铁心(5-2)和环形绕组(5-1)；环形绕组(5-1)是一个m相定子绕组，当环形绕组(5-1)通有m相交流电流时，会产生极对数为ps的轴向电枢磁场，m、ps为正整数。
3.根据权利要求2所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其特征在于，环形绕组定子(5)的槽采取半闭口槽的方式沿轴向等齿宽排列，其中两个端部齿宽是中间齿宽的1/2，定子铁心(5-2)的半闭口槽的槽口面向永磁转子(7)，环形绕组(5-1)嵌在所述半闭口槽中。
4.根据权利要求1所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其特征在于，转子支撑部分(6-3)使用不导磁、不导电材料。
5.根据权利要求1所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其特征在于，永磁转子(7)包括n×(pm×pPM)个永磁体(7-1)、n×(pm×pPM)个铁心凸起单元(7-3)和永磁转子铁心(7-2)；n×(pm×pPM)个永磁体(7-1)和n×(pm×pPM)个铁心凸起单元(7-3)沿轴向方向阵列排布pm圈，每圈n×pPM个永磁体(7-1)和n×pPM个铁心凸起单元(7-3)沿圆周方向均匀交错分布在永磁转子铁心(7-2)上；n×(pm×pPM)个永磁体(7-1)的充磁方向相同；永磁体(7-1)的充磁方向为径向充磁；铁心凸起单元(7-3)和永磁转子铁心(7-2)为硅钢片或实心铁。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述基于磁场调制原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机，其特征在于，还包括机壳(4)、调制环转子输出法兰轴(9-1)、调制环转子非输出法兰轴(9-2)和永磁转子输出轴(1)；调制环转子输出法兰轴(9-1)、调制环转子非输出法兰轴(9-2)和永磁转子输出轴(1)的轴线重合；永磁转子输出轴(1)与正转螺旋桨相连，调制环转子输出法兰轴(9-1)与反转螺旋桨相连；
环形绕组定子(5)固定在机壳(4)的内圆表面上，永磁转子(7)固定在永磁转子输出轴(1)上，调制环转子(6)左右两端分别固定在调制环转子输出法兰轴(9-1)和调制环转子非输出法兰轴(9-2)，调制环转子输出法兰轴(9-1)为空心轴，调制环转子输出法兰轴(9-1)套设在永磁转子输出轴(1)一端并与其转动连接，调制环转子输出法兰轴(9-1)从机壳(4)的侧端盖伸出，并与机壳(4)的侧端盖转动连接；
永磁转子输出轴(1)的另一端与调制环转子非输出法兰轴(9-2)的内端转动连接，并从调制环转子输出法兰轴(9-1)的空心轴中伸出；调制环转子非输出法兰轴(9-2)的外端与机壳(4)另一侧端盖转动连接。
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