CN115313790A - 增磁式双定子磁齿轮复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种增磁式双定子磁齿轮复合电机，该增磁式双定子磁齿轮复合电机包括外定子、转子、内定子和调磁环，调磁环固定套设于内定子的外侧，外定子固定套设于调磁环的外侧，转子能转动地设置于外定子与调磁环之间，内定子的内部设置有多个绕组；调磁环包括多个调磁块，各调磁块沿内定子的周向间隔排布，以在内定子与转子之间形成对磁场进行调制的环形空间。本发明解决了船舶推进系统结构复杂、能耗高、易损坏的技术问题。

Description

增磁式双定子磁齿轮复合电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种增磁式双定子磁齿轮复合电机。

背景技术

电动机是船舶推进系统中的核心部件。现阶段，船舶推进系统多通过机械齿轮箱将电动机的高转速输出运动方式转换为低速大转矩的运动方式以带动螺旋桨工作，从而产生船舶前进的推动力。由于机械齿轮箱的设置，其需要安装于电机与螺旋桨之间的位置，使整个系统的复杂程度大大增加；另外，机械齿轮箱在工作状态，由于摩擦力的存在会带来额外的能耗，从而降低了驱动效率，而且由于机械齿轮箱内部的各部件为接触传动，在工作过程中易出现损坏的情况，可靠性较差，有可能需要工作人员在短期内频繁对机械齿轮箱进行维修，增加了工作人员的劳动强度，影响船舶的正常作业。

针对相关技术中船舶推进系统结构复杂、能耗高、易损坏的问题，目前尚未给出有效的解决方案。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种增磁式双定子磁齿轮复合电机，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增磁式双定子磁齿轮复合电机，能够提供低速大转矩驱动方式，具有结构紧凑、损耗小、可靠性高的优点，能够提高推进系统的效率，适用范围广，尤其适用于为船舶提供推动力。

本发明可采用下列技术方案来实现的：

本发明提供了一种增磁式双定子磁齿轮复合电机，所述增磁式双定子磁齿轮复合电机包括外定子、转子、内定子和调磁环，其中：

所述调磁环固定套设于所述内定子的外侧，所述外定子固定套设于所述调磁环的外侧，所述转子能转动地设置于所述外定子与所述调磁环之间，所述内定子的内部设置有多个绕组；

所述调磁环包括多个调磁块，各所述调磁块沿所述内定子的周向间隔排布，以在所述内定子与所述转子之间形成对磁场进行调制的环形空间。

在本发明的一较佳实施方式中，所述调磁块由具有导磁性能的多个硅钢片层叠压制成型。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外定子、所述转子和所述内定子均为圆筒状结构，且所述外定子、所述转子、所述内定子和所述调磁环为同轴心设置，所述转子与所述外定子之间、所述转子与所述调磁环之间以及所述调磁环与所述内定子之间均预留有环形的空气气隙。

在本发明的一较佳实施方式中，所述转子与所述外定子之间空气气隙的径向宽度、所述转子与所述调磁环之间的空气气隙的径向宽度以及所述调磁环与所述内定子之间的空气气隙的径向宽度均小于或者等于0.6mm。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内定子的内部沿其周向形成有多个容置腔，且所述内定子的外壁上沿其周向开设有多个开口，各所述开口与对应的所述容置腔相连通，各所述绕组分别设置于对应的各所述容置腔内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述转子包括切向充磁的多个磁钢和具有导磁性能的多个导磁块，各所述磁钢与各所述导磁块沿周向交替排布并连接形成圆筒状结构；

各所述导磁块分别由具有导磁性能的多个硅钢片层叠压制成型。

在本发明的一较佳实施方式中，所述调磁环上所述调磁块的数量满足以下关系式：

P_r+P_s＝Q；

其中：P_r为转子上磁钢的极对数；P_s为内定子的极对数；Q为调磁环上调磁块的数量。

在本发明的一较佳实施方式中，所述转子上各所述磁钢的极对数满足以下关系式：

60f＝P_rΩ；

其中：f为内定子中绕组所通入的交流电频率；P_r为转子上各磁钢的极对数；Ω为转子的转速。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外定子的内壁上沿周向开设有多个凹槽，且所述凹槽的数量满足以下关系式；

Q_o＝Q；

其中：Q_o为凹槽的数量；Q为调磁环上调磁块的数量。

在本发明的一较佳实施方式中，所述调磁环的横截面的中心点与其周向上位于该所述调磁环两侧的相邻两所述凹槽的横截面的中心点之间所形成的夹角满足以下关系式：

α＝n(π/Q)；

其中：α为调磁环的横截面的中心点与其周向上位于该调磁环两侧的相邻两凹槽的横截面的中心点之间所形成的夹角。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述绕组通过输电线路接入直流母线，在所述输电线路上设置有逆变器，所述转子的轴心与输出轴的一端连接，所述输出轴的另一端设置有螺旋桨。

由上所述，本发明的增磁式双定子磁齿轮复合电机的特点及优点是：在内定子的外侧固定套设有调磁环，调磁环的外侧固定套设有外定子，且在外定子与调磁环之间能转动地设置有转子，以在内定子与转子之间形成对磁场进行调制的环形空间，通过调磁环以及外定子的设置，起到对磁场进行调制并产生特定谐波的作用；另外，由于转子磁场与内定子中各绕组所产生的磁场相互作用，能够达到增磁的目的。因此，通过对磁场的调制，本发明的增磁式双定子磁齿轮复合电机可在一定的电频率范围内产生低转速大转矩的输出功率，可省去船舶上传统的机械齿轮箱，提高船舶推进系统的效率和可靠性。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明增磁式双定子磁齿轮复合电机的横截面示意图。

图2：为本发明增磁式双定子磁齿轮复合电机中外定子的横截面示意图。

图3：为本发明增磁式双定子磁齿轮复合电机中转子的横截面示意图。

图4：为本发明增磁式双定子磁齿轮复合电机中内定子的横截面示意。

图5：为本发明增磁式双定子磁齿轮复合电机工作状态下的连接结构示意图。

本发明中的附图标号为：

1、外定子； 101、凹槽；

2、转子； 201、磁钢；

202、导磁块； 3、内定子；

301、容置腔； 302、开口；

4、调磁环； 5、绕组；

6、直流母线； 7、逆变器；

8、输出轴； 9、螺旋桨；

10、输电线路。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图4所示，本发明提供了一种增磁式双定子磁齿轮复合电机，增磁式双定子磁齿轮复合电机包括外定子1、转子2、内定子3和调磁环4，外定子1、转子2和内定子3均为圆筒状结构，调磁环4固定套设于内定子3的外侧，外定子1固定套设于调磁环4的外侧，转子2能转动地设置于外定子1与调磁环4之间，在内定子3的内部设置有多个绕组5；其中，调磁环4包括多个调磁块，各调磁块沿内定子3的周向间隔排布，以在内定子3与转子2之间形成对磁场进行调制的环形空间。通过调磁环4以及外定子1的设置，能够起到对磁场进行调制并产生特定谐波的作用；另外，由于转子2所产生的磁场与内定子3中各绕组5所产生的磁场相互作用，能够达到增磁的目的，使得本发明的增磁式双定子磁齿轮复合电机可在一定的电频率范围内产生低转速大转矩的输出功率，进而可省去船舶上传统的机械齿轮箱，提高船舶推进系统的效率和可靠性。

在本发明的一个可选实施例中，如图5所示，各绕组5通过输电线路10接入直流母线6，在输电线路10上设置有逆变器7，转子2的轴心与输出轴8的一端连接，输出轴8的另一端设置有螺旋桨9。通过逆变器7将直流母线6输出的直流电转换为交流电并供给各绕组5，从而通过内定子3中各绕组5所产生的磁场带动转子2发生转动，进而带动螺旋桨9转动，产生船舶前进所需要的推动力，实现了从电能至机械能的转变。本发明中只有转子2通过输出轴8与螺旋桨9连接，其余部件(即：内定子3、调磁环4和外定子1)均处于固定不动状态，在工作过程中，需要在内定子3的各绕组5上实现能量的交换，电能从绕组5输入，并在转子2上转换为机械能，带动推进器的螺旋桨9旋转，从而推进船舶前进。本发明尤其适用于低速直驱的船舶推进系统，当然本发明也适用于其他高效低转速直驱推进系统中。

进一步的，调磁块由具有导磁性能的多个硅钢片层叠压制成型。

进一步的，绕组5为三相绕组。

具体的，如图1所示，外定子1、转子2、内定子3和调磁环4为同轴心设置，转子2与外定子1之间、转子2与调磁环4之间以及调磁环4与内定子3之间均预留有横截面为圆环形的空气气隙。

优选的，转子2与外定子1之间空气气隙的径向宽度、转子2与调磁环4之间的空气气隙的径向宽度以及调磁环4与内定子3之间的空气气隙的径向宽度均小于或者等于0.6mm。

具体的，如图1、图4所示，内定子3的内部沿其周向形成有多个容置腔301，容置腔301的横截面呈扇形，且内定子3的外壁上沿其周向开设有多个开口302，各开口302与对应的容置腔301相连通，各绕组5分别设置于对应的各容置腔301内。

在本发明的一个可选实施例中，如图1、图3所示，转子2包括切向充磁的多个磁钢201和具有导磁性能的多个导磁块202，各磁钢201与各导磁块202沿周向交替排布并连接形成圆筒状结构。

进一步的，各导磁块202分别由具有导磁性能的多个硅钢片层叠压制成型。

在本发明的一个可选实施例中，调磁环4上调磁块的数量满足以下关系式：

P_r+P_s＝Q；

其中：P_r为转子2上磁钢201的极对数；P_s为内定子3的极对数；Q为调磁环4上调磁块的数量。

进一步的，如图1、图2所示，外定子1的内壁上沿周向开设有多个凹槽101，且凹槽101的数量满足以下关系式；

Q_o＝Q；

其中：Q_o为凹槽101的数量；Q为调磁环4上调磁块的数量。

在本发明的一个可选实施例中，如图1所示，为产生最大电磁转矩，以便能够更好地将潮汐能转换为电能(即：直流母线6中的直流电由潮汐能转化而来)，调磁环4的横截面的中心点与其周向上位于该调磁环4两侧的相邻两凹槽101的横截面的中心点之间所形成的夹角为π/Q的整数倍，尽可能减小转子2上的永磁体(即：磁钢201)所产生的磁动势通过磁路的磁阻，从而可以产生更大的电磁转矩。调磁环4的横截面的中心点与其周向上位于该调磁环4两侧的相邻两凹槽101的横截面的中心点之间所形成的夹角满足以下关系式：

α＝n(π/Q)；

其中：α为调磁环4的横截面的中心点与其周向上位于该调磁环4两侧的相邻两凹槽101的横截面的中心点之间所形成的夹角；n为整倍数。

在本发明的一个可选实施例中，可通过转子2上各磁钢201的极对数确定内定子3中绕组5所通入的交流电频率，进而在该交流电的频率下产生低转速大转矩的输出功率。转子2上各磁钢201的极对数满足以下关系式：

60f＝P_rΩ；

其中：f为内定子3中绕组5所通入的交流电频率；P_r为转子2上各磁钢201的极对数；Ω为转子2的转速。

本发明的增磁式双定子磁齿轮复合电机通过对磁场的调制，可在一定的电频率范围能产生低速大转矩的输出功率，进而可省去船舶推进系统中传统的机械齿轮箱，提高推进系统的效率和可靠性。当船舶在进行减速制动的过程中，螺旋桨9的机械能还可以转换为电能，回馈输入至直流母线6中，该过称为回馈制动模式，该模式有助于回收多余的能量，从而提高船舶的续航能力。

本发明的增磁式双定子磁齿轮复合电机的特点及优点是：

一、该增磁式双定子磁齿轮复合电机通过调磁环4以及外定子1的设置，能够起到对磁场进行调制并产生特定谐波的作用，且转子2所产生的磁场与内定子3中各绕组5所产生的磁场相互作用，以达到增磁的目的，从而产生低转速大转矩的输出功率，可省去船舶上传统的机械齿轮箱，提高船舶推进系统的效率和可靠性。

二、该增磁式双定子磁齿轮复合电机将机械齿轮箱的物理摩擦转换为定子与转子之间的空气阻力摩擦，避免了机械齿轮箱内各传动部件之间的摩擦所需消耗的额外能耗，进而大大降低了不必要的能力损耗，有效提高船舶推进系统的效率。

三、该增磁式双定子磁齿轮复合电机中，外定子1、转子2与内定子3之间均由于没有直接接触，避免了传统机械齿轮箱的机械损坏的问题，进而能够有效延长电机的使用寿命，提高电机的可靠性，适用于长期工作的船舶推进系统中，能够有效降低对电机的维护频率。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述增磁式双定子磁齿轮复合电机包括外定子、转子、内定子和调磁环，其中：

所述调磁环固定套设于所述内定子的外侧，所述外定子固定套设于所述调磁环的外侧，所述转子能转动地设置于所述外定子与所述调磁环之间，所述内定子的内部设置有多个绕组；

所述调磁环包括多个调磁块，各所述调磁块沿所述内定子的周向间隔排布，以在所述内定子与所述转子之间形成对磁场进行调制的环形空间。

2.如权利要求1所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述调磁块由具有导磁性能的多个硅钢片层叠压制成型。

3.如权利要求1所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述外定子、所述转子和所述内定子均为圆筒状结构，且所述外定子、所述转子、所述内定子和所述调磁环为同轴心设置，所述转子与所述外定子之间、所述转子与所述调磁环之间以及所述调磁环与所述内定子之间均预留有环形的空气气隙。

4.如权利要求3所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述转子与所述外定子之间空气气隙的径向宽度、所述转子与所述调磁环之间的空气气隙的径向宽度以及所述调磁环与所述内定子之间的空气气隙的径向宽度均小于或者等于0.6mm。

5.如权利要求1所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述内定子的内部沿其周向形成有多个容置腔，且所述内定子的外壁上沿其周向开设有多个开口，各所述开口与对应的所述容置腔相连通，各所述绕组分别设置于对应的各所述容置腔内。

6.如权利要求1所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述转子包括切向充磁的多个磁钢和具有导磁性能的多个导磁块，各所述磁钢与各所述导磁块沿周向交替排布并连接形成圆筒状结构；

各所述导磁块分别由具有导磁性能的多个硅钢片层叠压制成型。

7.如权利要求6所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述调磁环上所述调磁块的数量满足以下关系式：

P_r+P_s＝Q；

其中：P_r为转子上磁钢的极对数；P_s为内定子的极对数；Q为调磁环上调磁块的数量。

8.如权利要求6或7所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述转子上各所述磁钢的极对数满足以下关系式：

60f＝P_rΩ；

其中：f为内定子中绕组所通入的交流电频率；P_r为转子上各磁钢的极对数；Ω为转子的转速。

9.如权利要求1所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述外定子的内壁上沿周向开设有多个凹槽，且所述凹槽的数量满足以下关系式；

Q_o＝Q；

其中：Q_o为凹槽的数量；Q为调磁环上调磁块的数量。

10.如权利要求9所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，所述调磁环的横截面的中心点与其周向上位于该所述调磁环两侧的相邻两所述凹槽的横截面的中心点之间所形成的夹角满足以下关系式：

α＝n(π/Q)；

其中：α为调磁环的横截面的中心点与其周向上位于该调磁环两侧的相邻两凹槽的横截面的中心点之间所形成的夹角。

11.如权利要求1所述的增磁式双定子磁齿轮复合电机，其特征在于，各所述绕组通过输电线路接入直流母线，在所述输电线路上设置有逆变器，所述转子的轴心与输出轴的一端连接，所述输出轴的另一端设置有螺旋桨。

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