CN116436254B - 一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，该电机主要分为三部分：一级动力部分，二级动力部分以及同心轴。在一级动力部分定子侧采用了“大小齿结构”。定子侧绕组为复合功能绕组，采用了鼓绕组结构，绕组中激励可分为直流激励部分与交流激励部分。转子侧采用单极性弧形永磁体结构，既能降低永磁体用量，还能实现永磁激励与直流激励的耦合。二级动力部分由内层转子、外层转子以及调制环组成，通过同心轴对一级动力部分产生的动力进行放大。此外，内层转子、外层转子中永磁体均为内嵌式单极性结构。该方案具有输出能力强、扭矩放大能力强、容错能力好、永磁体用量少、绕组结构简单、控制灵活等优势。

Description

一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机
技术领域
本发明涉及一种减速电机，具体涉及一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，属于复合激励电机技术领域。
背景技术
随着电动汽车行业的快速发展，永磁电机得到了较为广泛的应用。上世纪80年代，研究人员发现了汝铁硼磁铁（NdFeB），这是一种具有高磁能积的永磁体。该永磁体成本相对较低，加工工艺简单，极大地提升了永磁电机的功率密度、转矩密度以及市场竞争力。但是，应用于电动汽车的常规集中驱动电机一般基于机械齿轮进行减速，因而存在较为明显的机械损耗。在此基础上，为了进一步提升电动汽车驱动系统在低速下的扭矩输出能力，有学者基于传统永磁电机提出了许多变体结构，如复合激励电机等。然而，由于受到材料、结构空间的制约，使得该类电机存在极间漏磁严重，转矩脉动大，功率因数低等缺陷。同时，由于其电负荷较高，需要较大容量的驱动器，因而增加了电驱系统的整体体积和成本。值得强调的是，当激励较强时，还会导致磁路易饱和，因而使得电机的扭矩放大能力受限。这不仅使得电机整体发热问题加剧，还将进一步限制复合激励电机的实际应用范围。除此之外，为了实现低速大扭矩输出，复合激励电机通常会采用较多的永磁体材料，这不仅会增加电机加工成本，同时还会降低永磁体利用率。
综上所述，可知复合激励电机的发展将因上述电磁缺陷和机械缺陷而受到制约。因此，需设计一种新型的复合激励电机，通过特殊的永磁结构和磁路结构来抑制极间漏磁，以提高永磁体利用率，并进一步提升电机相应的电磁性能，如更高的转矩密度，更低的转矩脉动以及更强的扭矩放大能力等。除此之外，还需要使该电机结构具备整体体积小，可靠性高，散热能力强，配套控制器成本低等特点，以适应更加广泛的市场应用环境。
但是，设计具有高转矩密度的复合激励电机在现阶段存在一定的技术困难。首先，高转矩密度复合激励电机的结构分配、设计难度较大。由于单级扭矩放大结构下的永磁电机通常为传统双激励结构，且受限于定、转子空间，因而其扭矩放大的能力有限。新型多激励电机虽能提高转矩密度，但是由于其励磁磁场组成成分较多，且含有较多干扰谐波分量，因而其部分电磁性能较差。在现阶段的很多应用场合中，都对电机的电磁性能有着较为明确的要求，若电机的转矩输出品质较差，则会降低该类电机的市场竞争力。进一步地，新型多激励电机为实现更大的转矩密度，通常具有更高的磁负荷与电负荷，并采用内定子外转子结构，但这将导致如下问题：1）电机永磁体用量增加，使得电机成本增加，并造成电机加工工艺复杂化；2）电机绕组增加将导致电机定、转子发热程度加剧，增加了电机的散热难度，使得电机永磁体出现不可逆退磁的风险加大；3）由于电机中存在多套绕组，将导致绕组结构复杂化，将挤压电机永磁体的设计空间，这便会在一定程度上降低电机的功率密度和转矩密度，并可能造成干扰谐波磁场之间产生耦合。其次，现阶段很难使永磁电机在低速大扭矩状态下同时兼顾其永磁体利用率与功率因数。这是因为，具有低速大扭矩特性的永磁游标电机往往会具有永磁体用量大，永磁体极对数多的特点。虽然永磁体用量较多能够在一定程度上增加磁负荷，但是也会加剧电机的漏磁现象，使得永磁体利用率下降。现有的解决方案有如下两种：1）通过增大电负荷来弥补因磁负荷不足而导致的转矩缺失。但是，这将导致电机的功率因数降低，因而使得其控制系统的容量增加，造成资源浪费，成本增加；2）采用机械齿轮进行进一步增矩，但这将使得电机的复杂程度增加，机械损耗增加，并导致其系统整体的可靠性下降。最后，现阶段永磁电机气隙磁场较为固定且不可调，因而其衍生出的电机结构扭矩放大系数为定值，即不可调整（通常为“单级扭矩放大”或“两级扭矩放大”）。进一步地，若基于应用场合的最高规格来设计电机结构，则可能导致成本浪费。因而，需要通过电机的结构设计使其放大系数可调（电磁调整方式而非机械调整方式），以增加其实际应用时的灵活性。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，本发明所提出的结构所期望达到的效果为：在少稀土与无刷化的前提下，优化电机电磁性能，实现多级扭矩放大效果与多级减速效果，并能够使扭矩放大效果可调控。除此之外，该结构的定子、转子以及绕组结构简单，易于加工。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，所述减速电机包括一级动力部分，二级动力部分和同心轴，其中，一级动力部分用于将电能转换为机械能，二级动力部分用于机械能传递并实现最终输出，同心轴位于在一级动力部分和二级动力部分之间，用于两者之间的动力衔接。其中，一级动力部分从内至外依次为转子，定子和定子铝壳。二级动力部分从内至外依次为内层转子，调制环，外层转子和转子铝壳。
作为本发明的一种改进，定子中的定子齿分为大齿和小齿。在结构尺寸上，大齿略宽于小齿，并略长于小齿。在功能上，大齿主要为复合功能绕组中的交流激励部分构造路径，小齿主要为复合功能绕组中的直流激励部分构造路径。该方案采用了“大小齿结构”，为复合功能绕组中的直流激励部分和永磁体激励部分所产生的励磁磁路提供合理的闭合路径。
作为本发明的一种改进，定子外侧设计有定子铝壳，并通过固定模块进行连接与固定。其中，固定模块中设置有一种燕尾式咬合结构，相邻的固定模块之间相隔了一定的距离，这为鼓绕组在定子外侧的导体预留了空间。
作为本发明的一种改进，定子中只有一套绕组，即复合功能绕组。值得强调的是，复合功能绕组为鼓绕组结构，该绕组的线圈一部分导体在定子槽内，另一部分导体在定子外侧，并以大齿和小齿作为间隔，按顺序绕制在定子的轭部。该绕组端部空间小，因而可减少电机轴向的预设空间，简化安装流程，降低端部绕组铜损，有效增加定子槽空间利用率。除此之外，与传统绕组不同，复合功能绕组中有两种激励即直流激励部分与交流激励部分，具有两种功能。其中，该绕组中的直流激励部分负责对电机的励磁能力进行调节，交流激励部分则负责进行直接转矩输出。不同于常规永磁电机，直流激励部分产生的是静止磁场，转子永磁体产生的是旋转磁场，但二者在能在本电机结构中进行耦合。除此之外，由于复合功能绕组的每极每相槽数大于1，因而能够有效滤除气隙磁场中高阶谐波。
作为本发明的一种改进，转子包括弧形永磁体和铁心，弧形永磁体外侧为弧形结构，内侧为线形结构，该结构能够在不增加永磁体用量的前提下增加电机的磁路聚集能力，即提升永磁体利用率，进一步地，弧形永磁体两侧设有转子隔磁槽口，此外，由于所有弧形永磁体极性相同，因而需要位于其两侧的铁心为其所产生的磁通提供回路。此外，弧形永磁体个数等于转子极对数/>，直流激励的极对数/>为定子齿数/>的二分之一，交流激励的极对数/>则等于/>与/>之差，/>大于/>。
作为本发明的一种改进，二级动力部分从内到外依次为内层转子，调制环，外层转子和转子铝壳。所述转子铝壳通过二级动力部分燕尾式咬合结构与外层转子以间隙装配的形式组合在一起。所述外层转子与内层转子均采用内嵌式永磁结构，中间设置有不可旋转的调制环，调制环由硅钢片叠压后进行激光焊固定。
作为本发明的一种改进，内层转子与外层转子均采用了内嵌式永磁结构。相邻的外层永磁体由外层铁心进行隔离，相邻内层永磁体由内层铁心进行隔离。内层转子与外层转子中的永磁体极性均为单极性，因而能够在保证极对数不变的条件下降低永磁体用量，实现少稀土化。此外，所有的外层永磁体与内层永磁体均为相同极性，因此外层铁心和内层铁心为永磁体构造的磁路能够规避不可逆退磁风险。所有的外层永磁体外侧设有外隔磁槽口，所有的内层永磁体外侧设有内隔磁槽口。该结构能够有效抑制极间漏磁现象，并提升转矩、功率密度。
作为本发明的一种改进，外层转子极对数等于外层永磁体的永磁体个数/>，内层转子极对数/>等于内层永磁体的永磁体个数/>，外层永磁体的永磁体个数/>、内层永磁体的永磁体个数/>以及调制环中的调制块数/>的关系需满足：/>。
作为本发明的一种改进，一级动力部分的转子和二级动力部分的内层转子通过同心轴进行连接，在同心轴轴身上，设有同心轴定位凸起，能够与转子和内层转子中的第一定位槽，第二定位槽进行咬合，从而保证一级动力部分能够向二级动力部分进行有效动力传递。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，
1）能够实现一种较为灵活的“三级扭矩放大”效果。通常的非接触式扭矩放大器的扭矩放大效果为“单级扭矩放大”或“两级扭矩放大”。传统的“单、两级扭矩放大”结构，其原理是通过将定子齿结构和调制块合二为一，或再配上机械行星齿轮，以达到扭矩放大的目的。但是，这将导致电机内部结构过于复杂。同时，“单级扭矩放大”的电机结构通常采用内定子外转子结构，这也不利于进行结构设计。本发明所提出的结构则通过复合功能绕组中的直流激励，“大小齿结构”以及二级动力部分实现三次增矩效果，并去掉了机械传动部分（非接触式），且由于直流绕组中的电流可调，使得电机的扭矩放大能力可控。
2）能够实现一种较为灵活的“自减速”效果。通常的减速器为机械行星齿轮结构,但是，这将导致电机的机械损耗增大，效率降低，并导致其长时间运行下的可靠性下降。本发明所提出的拓扑则基于场调制理论设计而来，通过“大小齿结构”以及二级动力部分实现两次减速效果，去掉了机械传动部分，降低损耗，能够有效缓解变频器的工作压力。
3）在一级动力部分中采用了一种弧形永磁结构，该结构能够在不改变永磁体用量的条件下，优化永磁励磁源，提升永磁体利用率。此外，与常规永磁电机不同，本发明中的所有弧形永磁体极性均相同，即其转子极对数等于永磁体的个数。
4）该电机设计了一套具有复合功能的定子绕组，该绕组激励中同时存在直流激励部分和交流激励部分。值得强调的是，该复合功能绕组采用了一种新型的鼓绕组结构。这样的绕组结构设计既能够使两种激励所产生的磁场有效耦合，同时还能有效降低其端部绕组的体积，简化安装成本，并减少电机轴向长度。
5）一级动力部分中固定模块的内外侧设有一级动力部分燕尾式咬合结构，能够将定子和定子铝壳进行固定。值得强调的是，由于铝壳本身是优秀的隔磁材料，因而该结构可以有效地提升电机的结构刚度，且不会对原有磁路产生任何影响。此外，由于固定模块中各相邻模块之间存在着一定距离，这使得嵌线工作更加容易。同时，还可利用上述空间，通过采取强制风冷等手段对电机进行有效散热，从而解决了其定子侧发热问题。
6）二级动力部分中的外层转子和内层转子中所有永磁体均为同极性（永磁体的个数等于转子的极对数），能降低电机永磁体用量，增加永磁体利用率，并简化该部分加工、组装难度。此外，由于内、外层转子中的永磁体均为同极性，这将有效规避永磁体出现退磁的风险。
7）在一级、二级动力部分中，其转子中的永磁体两侧均设计了隔磁槽口结构，能够有效降低极间漏磁，并达到提升转矩密度的效果。
附图说明
图1为本发明电机结构示意图；
图2为一级动力部分剖面示意图；
图3为一级动力部分复合功能绕组分布示意图；
图4为一定动力部分中复合功能绕组与传统绕组增矩能力对比示意图；
图5为一级动力部分中弧形永磁体具体结构示意图；
图6为二级动力部分剖面示意图；
图7为二级动力部分隔磁槽剖面结构示意图；
图8为外隔磁槽宽度与外层转子转矩输出能力关系示意图；
图9为内隔磁槽宽度与外层转子转矩输出能力关系示意图；
图10为一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机衍生拓扑的一级动力部分剖面结构示意图；
图11为多级扭矩放大自减速电机衍生拓扑的动力衔接部分正面结构示意图；
图12为多级扭矩放大自减速电机衍生拓扑的动力衔接部分背面结构示意图。
其中：1、一级动力部分，1-1、定子，1-2、转子，1-3、复合功能绕组，1-4、大齿，1-5、小齿，1-6、弧形永磁体，1-7、铁心，1-8、转子隔磁槽口，1-9、定子铝壳，1-10、固定模块，1-11、一级动力部分燕尾式咬合结构，1-12、第一定位槽，2、二级动力部分，2-1、外层转子，2-2、调制环，2-3、内层转子，2-4、外层铁心，2-5、内层铁心，2-6、外层永磁体，2-7、内层永磁体，2-8、外隔磁槽口，2-9、内隔磁槽口，2-10、转子铝壳，2-11、二级动力部分燕尾式咬合结构，2-12、第二定位槽，3、同心轴，3-1、同心轴定位凸起，4-1、A相A类绕组，4-2、 A相B类绕组，4-3、D相B类绕组，4-4、D相A类绕组，4-5、B相A类绕组，4-6、B相B类绕组，4-7、E相B类绕组，4-8、E相A类绕组，4-9、C相A类绕组，4-10、C相B类绕组，5-1、仅交流激励，5-2、交流激励和直流激励（传统绕组），5-3、交流激励和直流激励（复合功能绕组）；6-1、宽度为0mm内隔磁槽，6-2、宽度为0.35mm内隔磁槽，6-3、宽度为0.25mm外隔磁槽，6-4、宽度为0mm外隔磁槽，7-1、外转子结构，7-2、内定子结构，8-1、连接二级动力部分内层转子的部分，8-2、连接一级动力部分外转子的部分。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：本发明公布了一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机。在该新型复合激励电机中，主要分为了三部分：一级动力部分1，二级动力部分2以及同心轴3。
首先，对本发明所提出的一级动力部分1进行介绍，如图1和图2所示。由图可知，其主要结构为：定子1-1和转子1-2。
对于定子1-1而言，其采用了新型的“大小齿结构”，大齿1-4为基于五相结构的复合功能绕组1-3中的交流激励部分和永磁体激励部分提供通路，小齿1-5则是为复合功能绕组中的直流激励和永磁体激励提供通路。复合功能绕组1-3采用的是鼓绕组结构，即其一半导体位于定子槽中，另一半导体位于定子外侧，这样能够有效减小电机的端部体积，有利于电机散热，并提升电机效率与可靠性。进一步地，复合功能绕组1-3虽然只有一套绕组，但其内部激励可分为两部分，分别为交流激励部分和直流激励部分。交流激励部分可直接产生有效电磁转矩，而直流激励部分则能够产生一条新的励磁磁路，该磁路和永磁激励所产生的磁路类似于并联关系而非串联关系，因而可有效避免因弱磁而导致永磁体出现不可逆退磁的现象。此外，不同于常规五相结构，复合功能绕组是一种新型的五相绕组，其结构如图3所示。在该绕组中，分为A类五相结构和B类五相结构，其A类五相与B类五相之间的初始角度偏移了一个定子齿距。进一步地，各相A类绕组串接，各相B类绕组串接，且A、B类绕组之间互不干扰。值得说明的是，A类五相绕组与B类五相绕组中所注入的电流幅值完全一致，差异性主要体现在电流角上。综上所述，可知本发明所提出的复合功能绕组1-3能够以一套绕组实现传统永磁电机两套绕组的功能，因而有效地简化了电机绕组的结构。图4展示了在相同电机尺寸以及相同电流密度下，复合功能绕组和传统绕组增矩能力对比示意图。由图可知，在保证匝数相同的条件下，复合功能绕组1-3的增矩能力约为71%，而传统绕组的增矩能力为54%。因此，复合功能绕组1-3的增矩能力比传统绕组高出约31.5%，具有更强的扭矩放大能力。在定子1-1的外侧，设有固定模块1-10和定子铝壳1-9。固定模块1-10内外侧均设有一级动力部分燕尾式咬合结构1-11，能够有效地连接定子1-1和定子铝壳1-9，可增加电机整体结构的稳定性和可靠性。此外，由于相邻的固定模块1-10之间具有一定的距离，因而可以为复合功能绕组1-3在定子外侧的导体提供安装空间，并还能够基于该通道为定子绕组进行散热，有效缓解电机的发热现象。
对于转子1-2而言，其采用了弧形永磁体1-6作为其永磁体结构，如图5所示。由该图可知，该永磁体外侧为弧形结构，内侧为线形结构。因而可知，本发明通过将永磁励磁源在不同圆周位置上的励磁能力进行了优化，使得其所具有的基波分量占比增加，从而有效降低了转矩脉动并提高了永磁体利用率。在转子1-2中的所有弧形永磁体的极性均相同，并在永磁体两侧设有转子隔磁槽口1-8以抑制漏磁现象。与传统永磁结构相比，该结构能够有效降低永磁体用量，优化空载感应电动势波形。在弧形永磁体1-6两侧为铁心1-7，负责为弧形永磁体1-6所产生的磁通提供回路。因此，可知铁心1-7所对应气隙中的磁场方向与弧形永磁体1-6在气隙中所对应的磁场方向是相反的，因而可将铁心1-7看作铁心极，其极性与永磁极相反。但需要强调的是，转子1-2中的铁心极本身并不具备励磁能力（非激励）。转子1-2的内侧设有第一定位槽1-12，与同心轴3连接。
其次，对本发明所提出的二级动力部分2进行介绍，如图1与图6所示。由图可知，该结构主要由三部分组成：外层转子2-1，调制环2-2以及内层转子2-3。
外层转子2-1外侧设有二级动力部分燕尾式咬合结构2-11，能够有效地连接转子铝壳2-10和外层转子2-1，该结构稳定可靠。此外，由于转子铝壳2-10不导磁，因而并不会对整体磁路产生影响。外层转子2-1内侧嵌有永磁体，且各永磁体极性保持一致，并通过外层铁心2-4进行隔离。进一步地，外层永磁体2-6两侧设有外隔磁槽口2-8，如图7所示。该结构的优势是，能够有效降低漏磁现象，使电机永磁体利用率更高。图8为外层转子2-1的转矩输出能力随外隔磁槽口2-8宽度改变的变化规律示意图，图9为外层转子2-1的转矩输出能力随内隔磁槽口2-9宽度改变的变化规律示意图。总体而言，二级动力部分2的整体转矩输出能力将随着隔磁槽口的宽度增加呈增大趋势。但是，其转矩密度会在外隔磁槽口2-8宽度大于0.85mm之后略有下降。因而可知，隔磁槽口对于提升电机的电磁性能有着较为明显的帮助。进一步地，相较于内隔磁槽口2-9，外隔磁槽口2-8对转矩的提升作用更强。值得一提的是，当内、外隔磁槽口宽度分别为0mm和0.85mm时，转矩密度相对更强。该结构此时的平均输出转矩相较于未设计隔磁槽口结构而言，提升了8.2%。综上所述，可知与表贴式永磁结构相比，该永磁结构永磁体用量小，漏磁低，转子结构强度高，转矩密度大，因而能够应用于环境较为复杂多变的场合。
调制环2-2位于外层转子2-1和内层转子2-3之间，为内外层永磁体所产生的磁通提供路径。需要强调的是，调制环为固定结构。
内层转子2-3结构与外层转子2-1的结构类似，其外侧内嵌有永磁体，且各永磁体的极性相同，因而属于同极性，并通过内层铁心2-5进行分隔。内层转子2-3中的永磁体两侧同样设有隔磁槽口，因而能够有效降低内层转子2-3中的漏磁现象。此外，该部分内侧还设有第二定位槽2-12，与同心轴3连接。值得强调的是，二级动力部分2中的外层永磁体2-6与内层永磁体2-7的极性相同，这能够避免该部分中的所有永磁体进入弱磁状态，进而有效避免了永磁体出现不可逆退磁现象。
如图1所示，为本发明所提出的新型电机驱动系统的同心轴3的结构示意图。该部分主要负责一级动力部分1与二级动力部分2之间的传递。轴身上设有同心轴定位凸起3-1，能够与转子1-2以及内层转子2-3内侧的第一定位槽1-12、第二定位槽2-12进行咬合。
总结而言，该基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机具有多级扭矩放大和多级减速的特性，其优势在于：具有更多不同功能的激励。即永磁体激励、直流激励和交流激励，它们之间可以相互配合工作，以较小的永磁体用量获取更大的转矩密度；扭矩放大能力更强，共三级。第一级是基于一级动力部分1的“大小齿结构”，第二级是基于复合功能绕组1-3的直流激励部分，第三级则是基于二级动力部分2。以上三部分共同作用，使得该电机驱动系统的扭矩放大能力更强；自减速能力更强，共两级。第一级是基于一级动力部分1的“大小齿结构”，第二级则是来自于二级动力部分2；该扭矩放大自减速电机结构采用了复合功能绕组1-3，所具备的功能更多，耦合能力更强。此外，由于该绕组采用了鼓绕组结构，因而嵌线过程更简单，槽满率更高；二级动力部分2中采用单极性的（单N极或单S极）永磁结构，这比传统永磁结构（N-S）的永磁体用量更少，永磁体利用率更高。此外，二级动力部分2还设计了外隔磁槽口2-8和内隔磁槽口2-9，能够有效抑制漏磁现象，提升转矩密度；针对于鼓绕组外侧导线较难固定的现象，提出了一种模块组装的思路，该部分主要由定子铝壳1-9和固定模块1-10组合而成。固定模块1-10通过一级动力部分燕尾式咬合结构1-11，将定子1-1与定子铝壳1-9连接，且相邻模块之间存在充分的间隔距离，可为鼓绕组预留出足够的安装空间。这既加强了结构强度，降低了安装难度，同时还提升了系统整体的散热能力。
下面对该种新型结构电机的工作原理进行阐述：
首先，对于一级动力部分1来说，其主要的结构特点是将复合功能绕组1-3中，直流激励所产生的“静止”磁动势和交流激励所产生的“旋转”磁动势结合起来。对于定子侧所产生的“静止”磁动势而言，其在气隙中所产生的磁场表达式为：
（1），
其中，为定子侧“静止”磁动势所产生的非调制谐波磁场，/>为定子侧“静止”磁动势所产生的调制谐波磁场。值得说明的是，定子侧“静止”磁动势所产生的非调制谐波磁场转速与励磁源本身的位置相关，因而属于静止状态，定子侧“静止”磁动势所产生的非调制谐波磁场极对数/>。定子侧“静止”磁动势所产生的调制谐波磁场极对数将满足：
（2），
其中，为定子齿数，/>代表转子极对数，/>和/>则分别为转子磁导和定子磁动势的谐波分量阶数。进一步地，可知定子侧“静止”磁动势的所产生的调制谐波磁场旋转速度/>将满足：
（3），
其中，代表转子旋转的机械速度，/>代表时间，/>代表转子的初始位置。由上式不难发现，如果能够合理利用磁导中的谐波分量，那么由定子所产生的磁场便能够旋转起来。随后，对于转子侧所产生的“旋转”磁动势而言，其在气隙中所产生的磁场表达式为：
（4），
其中，为转子侧“旋转”磁动势所产生的非调制谐波磁场，/>为转子侧“旋转”磁动势所产生的调制谐波磁场。需说明的是，上述两部分均属于旋转磁场。值得说明的是，转子侧“旋转”磁动势所产生的非调制谐波磁场极对数/>，转子侧“旋转”磁动势所产生的非调制谐波磁场转速/>，进一步地，转子侧“旋转”磁动势所产生的调制谐波磁场极对数/>将满足：
（5），
其中，和/>则分别为定子磁导和转子磁动势的谐波分量阶数。随后，可知转子侧“旋转”磁动势所产生的调制谐波磁场旋转速度/>将满足：
（6），
通过对比式(1)、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）以及式（6）,可知上述两类磁场中的调制谐波部分存在着同方向，同转速的旋转磁场。进一步地，为探究其是否能够产生有效的稳定输出。现给出电磁转矩、磁共能/>与磁场强度/>的关系表达式：
（7），
其中，为绝对磁导率，/>为圆周位置，/>表示单位体积。
基于该式可知，上述电机结构的各激励之间能够进行相互作用并产生稳定转矩输出。
其次，值得强调的是，该电机驱动系统的复合功能绕组中注入的是复合电流，该电流的表达式为：
（8），
其中，为直流激励部分的电流值，是常数值，/>是交流激励部分的电流值，是变化值，且该值的表达式为：
（9），
其中，为交流激励部分的电流幅值，/>为交流激励部分的电频率。
随后，考虑到电机的减速比、增矩能力等因素，因而结合上式给出本发明所提出新型电机结构的定子齿数与转子极对数/>之间的关系表达式为：
（10），
其中，为正整数。结合二级动力部分可知该电机驱动系统的增矩能力系数/>为：
（11），
其中，表示复合功能绕组1-3中直流激励的转矩增益系数，/>、/>分别为外、内层转子极对数。相较于传统电机转矩增益能力，该新型电机结构的转矩增益能力更强，且可进行较为灵活的调整。进一步地，该新型电机驱动系统的减速比/>为：
（12），
基于上式可知，该电机的减速能力相较于常规电机更强，能够有效地缓解变频器的工作压力。此外，为了保证电机二级动力部分2能够实现有效的转矩增益效果，还需使其内、外层转子极对数、/>之间的关系满足：
（13），
其中，表示调制环中的调制块数。在本发明所给出的示例中，其/>为29，/>为25，/>为4。这样的关系设计能够有效抑制磁场谐波分量以及不对称磁路对输出转矩的影响。
最后，需强调的是，基于本发明所提出的新型电机结构还具有一定数量的衍生变体结构，如图10所示，基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机衍生拓扑的一级动力部分结构，例如，可将本发明的一级动力部分1的“外定子内转子”结构衍生为“内定子外转子”结构。因此，一级动力部分1与二级动力部分2之间的共轴部分为一级动力部分1中的外转子与二级动力部分2中的内层转子。因此，二级动力部分2在径向尺寸上会更大。进一步地，为了实现有效的动力传递，在本发明中所提出的同心轴3也会由圆柱结构衍生为杯型套筒结构，如图11、12中结构所示，分别展示了多级扭矩放大自减速电机衍生拓扑的动力衔接部分的正面以及背面结构。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，所述电机包括一级动力部分(1)，二级动力部分(2)和同心轴(3)，其中，一级动力部分(1)用于将电能转换为机械能，二级动力部分(2)用于机械能传递，并进行最终输出，同心轴(3)设置在一级动力部分(1)和二级动力部分(2)之间，用于两者之间的动力衔接，其中，一级动力部分(1)从内至外依次为转子(1-2)，定子(1-1)和定子铝壳(1-9)；二级动力部分(2)从内到外依次为内层转子(2-3)，调制环(2-2)，外层转子(2-1)和转子铝壳(2-10)，所述电机具有可调控三级扭矩放大和二级减速的功能；
定子(1-1)中的定子齿分为大齿(1-4)和小齿(1-5)，大齿(1-4)用于为复合功能绕组(1-3)中的交流激励构造路径，小齿(1-5)用于为复合功能绕组(1-3)中的直流激励构造路径；
定子(1-1)中只有一套复合功能绕组(1-3)，复合功能绕组(1-3)为鼓绕组结构，该绕组一部分导体在定子槽内，另一部分导体在定子外侧，绕组以大齿(1-4)和小齿(1-5)作为间隔，按相序绕制在定子(1-1)轭部，复合功能绕组(1-3)中激励分为两部分，分别为直流激励部分和交流激励部分，复合功能绕组(1-3)的每极每相槽数大于1，能够有效滤除气隙磁场高阶谐波分量。
2.根据权利要求1所述的基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，定子(1-1)外侧设计有定子铝壳(1-9)，并通过固定模块(1-10)进行连接与固定，固定模块(1-10)中设置有一级动力部分燕尾式咬合结构(1-11)，相邻的固定模块(1-10)之间设置有间隔距离，为复合功能绕组(1-3)在定子外侧的导体预留了空间。
3.根据权利要求2所述的基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，转子(1-2)包括内嵌式的弧形永磁体(1-6)和铁心(1-7)，弧形永磁体(1-6)外侧为弧形结构，内侧为线形结构，以构造出不均匀的永磁励磁磁动势，增加基波分量占比，弧形永磁体(1-6)两侧设有转子隔磁槽口(1-8)，转子(1-2)中的永磁体为单极性，通过铁心(1-7)构成回路，弧形永磁体个数Np等于转子极对数pr，直流激励的极对数pdc为定子齿数Nst的二分之一，交流激励的极对数pac则等于pr与Nst/2之差，pr大于Nst/2。
4.根据权利要求1所述的基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，转子铝壳(2-10)通过二级动力部分燕尾式咬合结构(2-11)与外层转子(2-1)以间隙装配的形式组合在一起；外层转子(2-1)与内层转子(2-3)均采用内嵌式永磁结构，中间设置有不可旋转的调制环(2-2)，调制环(2-2)由硅钢片叠压后进行激光焊固定。
5.根据权利要求4所述的基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，相邻的外层永磁体(2-6)之间隔有外层铁心(2-4)，相邻的内层永磁体(2-7)之间隔有内层铁心(2-5)，所有的外层永磁体(2-6)与内层永磁体(2-7)均为相同极性，外层永磁体(2-6)两侧设有外隔磁槽口(2-8)，内层永磁体(2-7)两侧设有内隔磁槽口(2-9)，可抑制极间漏磁，提升转矩密度。
6.根据权利要求5所述的基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，外层转子(2-1)极对数po等于外层永磁体(2-6)的永磁体个数No，内层转子(2-3)极对数pi等于内层永磁体(2-7)的永磁体个数Ni，外层永磁体(2-6)的永磁体个数No、内层永磁体(2-7)的永磁体个数Ni以及调制环(2-2)中的调制块数Nm的关系需满足：No+Ni＝Nm。
7.根据权利要求1所述的基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，其特征在于，一级动力部分(1)的转子(1-2)和二级动力部分(2)的内层转子(2-3)通过同心轴(3)进行连接，在同心轴(3)上设有同心轴定位凸起(3-1)，能够与转子(1-2)中第一定位槽(1-12)、内层转子(2-3)中第二定位槽(2-12)进行咬合。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116760252B (zh) * 2023-08-16 2023-10-24 成都理工大学 一种基于轴向双定子/双转子结构的永磁同步电机

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102124632A (zh) * 2009-09-11 2011-07-13 深圳航天科技创新研究院 大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机及其装配方法
CN103346655A (zh) * 2013-07-03 2013-10-09 浙江大学 双转子永磁电机及洗衣机
CN105141109A (zh) * 2015-08-06 2015-12-09 杭州三相科技有限公司 一种磁场调制型同轴磁齿轮
CN105966238A (zh) * 2016-05-18 2016-09-28 山东理工大学 一种电机与双速自动变速器高度集成动力系统
CN105966541A (zh) * 2016-07-01 2016-09-28 武汉千斤智能科技有限公司 自行车用中置电机
CN106961207A (zh) * 2016-01-12 2017-07-18 亓英军 电磁变速器
CN109412386A (zh) * 2018-12-17 2019-03-01 大连交通大学 一种绕线式转子永磁调速装置
CN209516825U (zh) * 2019-01-14 2019-10-18 大连顺泰科技有限公司 一种电动汽车轮内减速电机
CN110460182A (zh) * 2019-05-28 2019-11-15 东南大学 基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机
CN110696605A (zh) * 2019-09-17 2020-01-17 刘俊琦 电磁无级变速器
CN112217336A (zh) * 2020-10-29 2021-01-12 浙江绿源电动车有限公司 一种带离心超越双离合系统的高效散热型中置减速电机
CN112217373A (zh) * 2019-07-11 2021-01-12 江苏金陵永磁产业研究院有限公司 一种二级磁轮传动装置
CN113872407A (zh) * 2021-10-19 2021-12-31 张乃伟 一种多功能电磁变矩器及其构成的混动系统
CN115789438A (zh) * 2022-11-22 2023-03-14 三亚哈尔滨工程大学南海创新发展基地 一种大深度大负载全角度二轴水下云台

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6485102B2 (ja) * 2015-02-20 2019-03-20 スズキ株式会社 回転電機

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102124632A (zh) * 2009-09-11 2011-07-13 深圳航天科技创新研究院 大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机及其装配方法
CN103346655A (zh) * 2013-07-03 2013-10-09 浙江大学 双转子永磁电机及洗衣机
CN105141109A (zh) * 2015-08-06 2015-12-09 杭州三相科技有限公司 一种磁场调制型同轴磁齿轮
CN106961207A (zh) * 2016-01-12 2017-07-18 亓英军 电磁变速器
CN105966238A (zh) * 2016-05-18 2016-09-28 山东理工大学 一种电机与双速自动变速器高度集成动力系统
CN105966541A (zh) * 2016-07-01 2016-09-28 武汉千斤智能科技有限公司 自行车用中置电机
CN109412386A (zh) * 2018-12-17 2019-03-01 大连交通大学 一种绕线式转子永磁调速装置
CN209516825U (zh) * 2019-01-14 2019-10-18 大连顺泰科技有限公司 一种电动汽车轮内减速电机
CN110460182A (zh) * 2019-05-28 2019-11-15 东南大学 基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机
CN112217373A (zh) * 2019-07-11 2021-01-12 江苏金陵永磁产业研究院有限公司 一种二级磁轮传动装置
CN110696605A (zh) * 2019-09-17 2020-01-17 刘俊琦 电磁无级变速器
CN112217336A (zh) * 2020-10-29 2021-01-12 浙江绿源电动车有限公司 一种带离心超越双离合系统的高效散热型中置减速电机
CN113872407A (zh) * 2021-10-19 2021-12-31 张乃伟 一种多功能电磁变矩器及其构成的混动系统
CN115789438A (zh) * 2022-11-22 2023-03-14 三亚哈尔滨工程大学南海创新发展基地 一种大深度大负载全角度二轴水下云台

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