基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，包括外轉子、永磁體、定子、電樞繞組、支撐軸以及軸承。外轉子內環上設置有等距排列的外轉子凸極并通過軸承與電機支撐軸轉動連接；定子通過電機支撐軸固定設置；永磁體貼于定子的定子齒的表面并與外轉子相對設置，外轉子凸極與永磁體之間有氣隙；電樞繞組繞制于定子的定子齒上并通交流電。該凸極式轉子上無永磁體，電機磁場由貼于定子齒表面的永磁體與繞制于定子齒上的勵磁繞組產生，一方面提高了電機的可靠性，另一方面也改進了傳統永磁電機磁場不可調的缺陷，具有混合勵磁型電機低速增磁、高速弱磁的優點。
【專利說明】基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，屬于新型特種電機【技術領域】，適用于對可靠性、調速性能要求較高的低速大轉矩直驅應用場合。
【背景技術】
[0002]工業生產中有許多需要變速驅動的場合，常采用的變速機械齒輪箱存在固有缺陷:噪聲大、機械磨損較嚴重、需要定期維護等。磁齒輪作為一種新型的依靠磁場耦合傳遞轉矩的非接觸式齒輪結構，有效地改進了傳統機械齒輪的缺陷，具有噪聲低、可靠性高、免維護、過載自動保護的優點。對比其他磁齒輪拓撲結構，基于調磁諧波原理的同軸磁齒輪在工作時，所有的永磁體都參與轉矩傳遞，有效提高了永磁體利用率、轉矩密度。將同軸磁齒輪與永磁無刷外轉子電機相整合構成的永磁復合電機通過磁齒輪進行變速驅動，完成轉矩傳遞，是一種適用于低速大轉矩直驅應用場合的新型電機。
[0003]傳統的基于磁齒輪的永磁復合電機主要可分為以下三種拓撲結構:
[0004](I)三氣隙結構，即簡單地將電動機定子嵌入共軸磁齒輪內轉子的中空部分，由內至外排列分別為電動機內定子、電動機外轉子、磁齒輪內轉子、調磁環、磁齒輪外轉子。其結構極為復雜，加工工藝難度大，永磁體用量大，空間利用率低。
[0005](2)雙氣隙結構，在三氣隙結構的基礎上，省卻了電動機外轉子與磁齒輪內轉子，減小了永磁體用量，簡化了結構，提高了空間利用率。
[0006](3)單氣隙結構，在雙氣隙結構的基礎上，進一步用定子齒代替調磁環調制磁場，不僅使電機結構更為緊湊，轉矩密度增大，且提高了定子的功能密度。
[0007]目前，上述傳統的基于磁齒輪的永磁復合電機已被廣泛學者運用到電動汽車、風力發電等低速大轉矩驅動場合。但分析發現，無論采用上述哪種結構，電動機外轉子在旋轉時都易發生永磁體脫落情況，影響運行可靠性，降低了轉子的機械強度，限制了電機應用場合。另外，由于傳統永磁電機僅由永磁體單獨勵磁，氣隙磁場無法調節，限制了電機的調速范圍、轉矩輸出與容錯運行能力。
[0008]因此，有必要提出一種新型的電機拓撲結構來解決上述問題。
【發明內容】
[0009]發明目的:針對現有基于磁齒輪的永磁復合電機拓撲結構的缺陷，提出一種具有較高轉子機械強度的新型電機拓撲結構。
[0010]技術方案:一種基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，該電機包括外轉子、永磁體、定子、電樞繞組、支撐軸以及軸承；
[0011]所述外轉子內環上設置有等距排列的外轉子凸極；
[0012]所述外轉子通過軸承與電機支撐軸轉動連接；
[0013]所述定子通過電機支撐軸固定設置；
[0014]所述永磁體貼于定子的定子齒的表面；[0015]所述永磁體采用徑向磁化方式，且每一塊永磁體的大小、形狀相同,相鄰永磁體磁化方向相反；
[0016]所述電樞繞組繞制于定子的定子齒上并通交流電；
[0017]所述永磁體與外轉子相對設置，所述外轉子凸極與永磁體之間有氣隙；
[0018]所述外轉子的凸極個數Nr、定子的定子齒個數Nt、電樞繞組產生空間磁場的極對數P滿足關系式:Nr±p = Nt/2。
[0019]作為本發明的改進，電機還包括勵磁繞組，所述勵磁繞組繞制于定子的定子齒上并通直流電，相鄰槽內的勵磁繞組電流方向相反。
[0020]進一步的，所述定子的定子齒采用平行齒結構。
[0021]進一步的，所述永磁體材料為釹鐵硼，所述外轉子和定子材料為硅鋼片。
[0022]進一步的，所述電樞繞組為三相雙層分布式繞組。
[0023]有益效果:該電機基于磁齒輪原理，實現將電樞繞組的高速磁場轉換為轉子側的低速旋轉磁場，實現了自減速功能，省去了傳統機械變速齒輪箱。因此，不存在齒輪箱的機械磨損、維護和噪音問題，提高了裝置可靠性；同時也提高了電機轉速，減小電機的體積，重量和制造成本，使電機能在低轉速下提供較大的轉矩；
[0024]該電機采用定子勵磁型結構，永磁體貼于定子的定子齒表面，轉子上無永磁體，相較傳統轉子永磁型結構電機而言，該結構能夠避免電動機外轉子在旋轉時發生永磁體脫落的情況；同時，其轉子加工工藝簡單，節約了成本，轉子的機械強度也更高；定子齒上表貼式永磁體的設計，使電機漏磁減少，從而減少了損耗；該電機以外轉子的凸極齒代替傳統磁齒輪中的調磁環結構，既實現了磁場調制功能，具有傳統磁齒輪復合電機的優點，也使得電機結構更簡單，結構更緊湊。
[0025]該電機利用轉子的凸極結構將靜止永磁體產生的磁場調制為定子側的諧波旋轉磁場。電樞繞組產生的旋轉磁場經調制可轉換為轉子側的諧波旋轉磁場。轉子凸極個數Nr、定子鐵芯齒數Nt、電樞繞組極對數P滿足關系式:Nr±p = Nt/2，利用最大幅值諧波磁場，在電樞繞組中感應出最大諧波電動勢，使電機具有較高的轉矩傳遞能力。
[0026]每個定子齒上都繞制有勵磁繞組，通過調節勵磁電流的大小與方向可以實現低速增磁、高速弱磁的磁場調節作用。較傳統永磁電機而言，其轉矩輸出、調速能力更強，容錯能力也有所提聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的結構示意圖；
[0028]其中有:外轉子1、永磁體2、定子3、勵磁繞組4、電樞繞組5、支撐軸6、軸承7、外轉子凸極8、定子齒9。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0030]一種基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，包括外轉子1、永磁體2、定子3、勵磁繞組4、電樞繞組5、支撐軸6以及軸承7。外轉子I材料為硅鋼片并通過軸承7與電機支撐軸6轉動連接，外轉子I內環上設置有等距排列的外轉子凸極8。定子3材料為硅鋼片并通過電機支撐軸6固定設置，定子3的定子齒9采用平行齒結構。永磁體2材料為釹鐵硼，并貼于定子3的定子齒9表面；永磁體2米用徑向磁化方式,且每一塊永磁體的大小、形狀相同，相鄰永磁體磁化方向相反。電樞繞組5為三相雙層分布式繞組，繞制于定子3的定子齒9上并通交流電；勵磁繞組4同時也繞制于定子3的定子齒9上并通直流電，相鄰槽內的勵磁繞組4電流方向相反。永磁體2與外轉子I相對設置，外轉子凸極8與永磁體2之間有氣隙。其中，外轉子I的凸極8個數Nr、定子3的定子齒9個數即永磁體2的塊數Nt、電樞繞組5產生空間磁場的極對數P滿足關系式:Nr±p = Nt/2。
[0031]本發明的基本原理為磁齒輪的空間磁場調制原理，利用空間諧波傳遞能量，該電機既可以運行在發電狀態，也可以運行在電動狀態。當電機運行在發電狀態時，轉子凸極8代替了傳統磁齒輪的調磁環，將靜止永磁體2產生的磁場調制為定子側的旋轉諧波磁場。外轉子I的凸極8個數Nr、定子3的定子齒9個數即永磁體2的塊數Nt、電樞繞組5產生空間磁場的極對數P滿足關系式:Nr±p = Nt/2時，利用最大幅值諧波磁場，在電樞繞組5中感應出最大諧波電動勢。當外轉子I以機械角速度w2旋轉時，產生的定子側旋轉磁場機械角速度為wl,wl/w2 = Nr/(Nr-Nt/2)。根據應用場合,可以通過選取不同的Nt和p來得到不同的速度變比。因此，該電機適用于風力發電等低速發電場合。
[0032]當電機運行在電動狀態時，定子電樞繞組5內通一定頻率的三相正弦交流電，在定子側產生P對極的旋轉磁場。當外轉子I的凸極8個數Nr、定子3的定子齒9個數即永磁體2的塊數Nt、電樞繞組5產生空間磁場的極對數P滿足關系式:Nr±p = Nt/2時，永磁體產生的靜止磁場通過轉子凸極8的調磁作用，可感應出與電樞繞組5對應的旋轉磁場。根據磁阻最小原理，凸極外轉子在旋轉磁場作用下轉動，實現轉矩輸出，且其對應極對數為Nr。因此可以通過選取不同的Nt和P來得到不同的速度變比以應用于不同需要的低速直驅場合。
[0033]無論是電動運行還是發電運行，都可通過改變勵磁繞組電流大小和方向以實現增、弱磁效果。在永磁體退磁時，還可通過勵磁繞組進行補償容錯。
[0034]與傳統的基于磁齒輪的永磁電機相比，基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機的轉子采用凸極式無永磁體結構，提高了轉子機械強度與可靠性，簡化結構、加工方便、成本低；該電機采用了定子混合勵磁型結構，定子上既有永磁體又有勵磁繞組，可實現低速增磁、高速弱磁的功能，提高了電機的轉矩輸出能力，拓寬了調速范圍，也提高了電機的容錯性。因此，該電機極適用于對可靠性、調速性能要求高的低速大轉矩直驅場合。
[0035]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:該電機包括外轉子(I)、永磁體(2)、定子(3)、電樞繞組(5)、支撐軸(6)以及軸承(7)； 所述外轉子(I)內環上設置有等距排列的外轉子凸極(8)； 所述外轉子(I)通過軸承(7)與電機支撐軸(6)轉動連接； 所述定子(3)通過電機支撐軸(6)固定設置； 所述永磁體(2)貼于定子(3)的定子齒(9)的表面； 所述永磁體(2)采用徑向磁化方式，且每一塊永磁體的大小、形狀相同，相鄰永磁體磁化方向相反； 所述電樞繞組(5)繞制于定子(3)的定子齒(9)上并通交流電； 所述永磁體(2)與外轉子(I)相對設置，所述外轉子凸極(8)與永磁體(2)之間有氣隙； 所述外轉子⑴的凸極⑶個數Nr、定子(3)的定子齒(9)個數Nt、電樞繞組(5)產生空間磁場的極對數P滿足關系式:Nr±p = Nt/2。
2.根據權利要求1所述的基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:電機還包括勵磁繞組(4)，所述勵磁繞組(4)繞制于定子(3)的定子齒(9)上并通直流電，相鄰槽內的勵磁繞組(4)電流方向相反。
3.根據權利要求1或2所述的基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:所述定子(3)的定子齒(9)采用平行齒結構。
4.根據權利要求1或2所述的基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:所述永磁體(2)材料為釹鐵硼，所述外轉子(I)和定子(3)材料為硅鋼片。
5.根據權利要求1或2所述的基于磁齒輪的轉子凸極式混合勵磁電機，其特征在于:所述電樞繞組(5)為三相雙層分布式繞組。
【文檔編號】H02K21/02GK103997174SQ201410257708
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】樊英, 顧玲玲 申請人:東南大學