軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的制造方法
【專利摘要】軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，屬于汽車電機領域，本發明為解決已有雙轉子電機中旋轉的繞組需要通過電刷和滑環引入電流，導致運行效率下降、可靠性降低，以及經常需要對電刷等部件進行維護的問題。本發明的兩個定子固定在殼體左右端面，永磁轉子位置于兩個定子之間、調磁轉子的外部，原動機帶動調磁轉子旋轉，調磁轉子兩側各設置有q突起單元；永磁轉子兩側各有2n極磁場；兩側定子通電均形成2p極磁場；且滿足關系式p＝|hn+kq|，本發明電機有兩種結構，一種是軸向對稱式，另一種是軸向單邊式。本發明電機用于電動汽車、風力發電、魚雷推進場合。
【專利說明】軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雙轉子電機構成的變速器，屬于汽車電機領域。
【背景技術】
[0002] 雙轉子電機具有兩個轉速彼此獨立的轉子以及轉軸，可實現雙軸獨立驅動，因此 在電動汽車、風力發電、魚雷推進等場合具有廣闊的應用前景。
[0003] 目前已有的雙轉子電機實現雙軸驅動的普遍方法是將傳統電機的轉子仍作為一 個轉子，并連接一個轉軸，將傳統電機的定子旋轉起來作為另一個轉子，并連接另一個轉 軸。其中，一個轉軸與原動機相連作為能量的輸入端，另一個轉軸與負載相連作為能量的輸 出端，通過調節旋轉的定子繞組中電流的頻率，使輸入軸和輸出軸運行在不同轉速下，從而 實現原動機與負載之間的能量流動。但這種電機中旋轉的繞組需要通過電刷和滑環引入電 流，這樣會導致運行效率下降、可靠性降低，以及經常需要對電刷等部件進行維護等問題。
【發明內容】
[0004] 本發明目的是為了解決已有雙轉子電機中旋轉的繞組需要通過電刷和滑環引入 電流，導致運行效率下降、可靠性降低，以及經常需要對電刷等部件進行維護的問題，提供 了一種軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器。
[0005] 本發明軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的第一種結構：
[0006] 發明所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器包括殼體、兩個定子、永磁轉子、調磁 轉子、調磁轉子輸出軸和永磁轉子輸出軸，
[0007] 兩個定子的各有一個外圓環端面分別固定在殼體的左右端蓋內壁上，調磁轉子固 定在調磁轉子輸出軸上，調磁轉子輸出軸的一端通過第二軸承和第四軸承與永磁轉子轉動 連接，調磁轉子輸出軸的另一端從殼體的左端蓋伸出，并通過第一軸承與殼體的左端蓋轉 動連接；永磁轉子位于兩個定子之間、調磁轉子的外部，永磁轉子輸出軸的一端固定在永磁 轉子上，永磁轉子輸出軸的另一端從殼體的右端蓋伸出，并通過第三軸承與殼體的右端蓋 轉動連接；永磁轉子和兩個定子的圓環端面之間均存在軸向氣隙Ll ;永磁轉子與內部的調 磁轉子之間存在兩個軸向氣隙L2,調磁轉子輸出軸和永磁轉子輸出軸的軸線重合；
[0008] 定子由定子鐵心和m相定子繞組構成，定子繞組通有m相對稱交流電流時，形成2p 極數的旋轉磁場，m、p為正整數；
[0009] 永磁轉子為對稱結構，兩側均為極對數為η的轉子，η為正整數；
[0010] 調磁轉子由調磁轉子鐵心和2q個突起單元構成，調磁轉子鐵心為圓盤形，該圓盤 的兩側端面均設置q個突起單元，該q個突起單元沿圓周方向均勻排布，q為正整數；
[0011] 且滿足P = |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
[0012] 本發明軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的第二種結構：
[0013] 本發明軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器包括殼體、定子、永磁轉子、調磁轉子、 調磁轉子輸出軸和永磁轉子輸出軸，
[0014] 定子的外圓環端面固定在殼體的左端蓋內壁上，調磁轉子固定在調磁轉子輸出軸 上，調磁轉子輸出軸的力矩輸出端從殼體的右端蓋伸出，并通過第三軸承與殼體的右端蓋 轉動連接；
[0015] 永磁轉子位于定子與調磁轉子之間，永磁轉子固定在永磁轉子輸出軸上，永磁轉 子輸出軸的一端通過第二軸承與調磁轉子轉動連接，永磁轉子輸出軸的另一端從殼體的左 端蓋伸出，并通過第一軸承與殼體的左端蓋轉動連接；永磁轉子和定子之間存在軸向氣隙 Ll ;永磁轉子與調磁轉子之間存在軸向氣隙L2,調磁轉子輸出軸和永磁轉子輸出軸的軸線 重合；
[0016] 定子由定子鐵心和m相定子繞組構成，定子繞組通有m相對稱交流電流時，形成2p 極數的旋轉磁場，m、p為正整數；
[0017] 永磁轉子為極對數為η的轉子，η為正整數；
[0018] 調磁轉子由調磁轉子鐵心和q個突起單元構成，調磁轉子鐵心為圓盤形，q個突起 單元設置在調磁轉子鐵心面向永磁轉子的端面上，該q個突起單元沿圓周方向均勻排布，q 為正整數；
[0019] 且滿足p = |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
[0020] 本發明的優點：本發明所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器具有兩個轉軸，這 兩個轉軸的轉速彼此獨立且轉速可調，兩個轉軸輸出的轉矩彼此獨立且轉矩可調，這樣可 以使一個轉軸實現高速小轉矩運行，另一個轉軸實現低速大轉矩運行。因此，本發明特別適 合應用在電動汽車、風力發電、魚雷推進等場合，而且在這些場合中應用，可以省去齒輪箱， 從而使整個系統的體積減小、成本降低、可靠性增加。
[0021] 本發明屬于無刷結構，定子的電樞繞組不需要旋轉，克服了采用電刷滑環饋電結 構所導致的運行效率下降、可靠性降低以及經常需要對電刷等部件進行維護等問題。
[0022] 本發明電機具有功率密度高、轉矩密度高的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1是實施方式二所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的結構示意圖；
[0024] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0025] 圖3是圖1的B-B剖視圖；
[0026] 圖4是圖1的C-C剖視圖；
[0027] 圖5是實施方式三所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的結構示意圖；
[0028] 圖6是圖5的D-D剖視圖；
[0029] 圖7是圖5的E-E剖視圖；
[0030] 圖8是圖5的F-F剖視圖；
[0031] 圖9是實施方式五所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的結構示意圖；
[0032] 圖10是圖9的G-G剖視圖；
[0033] 圖11是圖9的H-H剖視圖；
[0034] 圖12是圖9的I-I剖視圖；
[0035] 圖13是實施方式六所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器的結構示意圖；
[0036] 圖14是圖13的J-J剖視圖；
[0037] 圖15是圖13的K-K剖視圖；
[0038] 圖16是圖13的L-L剖視圖；
[0039] 圖17是中國專利CN101924436A所述軸向磁場調制型無刷雙轉子電機的磁路示意 圖；
[0040] 圖18是實施方式二所述軸向雙轉子電機的磁路示意圖；
[0041] 圖19是中國專利CN101924436A所述軸向磁場調制型無刷雙轉子電機的外氣隙磁 場波形示意圖；
[0042] 圖20是中國專利CN101924436A所述軸向磁場調制型無刷雙轉子電機的內氣隙磁 場波形示意圖；
[0043] 圖21是實施方式二所述軸向雙轉子電機的外氣隙磁場波形示意圖；
[0044] 圖22是實施方式二所述軸向雙轉子電機的內氣隙磁場波形示意圖；
[0045] 圖23是中國專利CN101924436A和實施方式二的軸向雙轉子電機的反電勢波形對 比示意圖；圖中實線波形為實施方式二的軸向雙轉子電機的反電勢波形，虛線波形為中國 專利CN101924436A的反電勢波形。
[0046] 圖24是中國專利CN101924436A和實施方式二的軸向雙轉子電機的調磁轉子的電 磁轉矩波形對比示意圖；圖中實線波形為實施方式二的軸向雙轉子電機的調磁轉子的電磁 轉矩波形，虛線波形為中國專利CN101924436A的調磁轉子的電磁轉矩波形。
[0047] 圖25是中國專利CN101924436A和實施方式二的軸向雙轉子電機的永磁轉子的電 磁轉矩波形對比示意圖，圖中實線波形為實施方式二的軸向雙轉子電機的永磁轉子的電磁 轉矩波形，虛線波形為中國專利CN101924436A的永磁轉子的電磁轉矩波形。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0048] 一：下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述軸向磁場電磁 行星齒輪功率變速器，它包括殼體4、兩個定子5、永磁轉子6、調磁轉子7、調磁轉子輸出軸 1和永磁轉子輸出軸9，
[0049] 兩個定子5的各有一個外圓環端面分別固定在殼體4的左右端蓋內壁上，調磁轉 子7固定在調磁轉子輸出軸1上，調磁轉子輸出軸1的一端通過第二軸承3和第四軸承10 與永磁轉子6轉動連接，調磁轉子輸出軸1的另一端從殼體4的左端蓋伸出，并通過第一軸 承2與殼體4的左端蓋轉動連接；永磁轉子6位于兩個定子5之間、調磁轉子7的外部，永 磁轉子輸出軸9的一端固定在永磁轉子6上，永磁轉子輸出軸9的另一端從殼體4的右端 蓋伸出，并通過第三軸承8與殼體4的右端蓋轉動連接；永磁轉子6和兩個定子5的圓環端 面之間均存在軸向氣隙Ll ;永磁轉子6與內部的調磁轉子7之間存在兩個軸向氣隙L2,調 磁轉子輸出軸1和永磁轉子輸出軸9的軸線重合；
[0050] 定子5由定子鐵心5-2和m相定子繞組5-1構成，定子繞組5-1通有m相對稱交 流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數；
[0051] 永磁轉子6為對稱結構，兩側均為極對數為η的轉子，η為正整數；
[0052] 調磁轉子7由調磁轉子鐵心7-2和2q個突起單元7-1構成，調磁轉子鐵心7-2為 圓盤形，該圓盤的兩側端面均設置q個突起單元7-1，該q個突起單元7-1沿圓周方向均勻 排布，q為正整數；
[0053] 且滿足p = |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
[0054] 定子鐵心5-2為圓環形，定子鐵心5-2的外圓環端面固定在殼體4的端蓋內壁上， 定子鐵心5-2的內圓環端面上沿徑向開有多個槽，所述多個槽的開口中心線以永磁轉子輸 出軸9為中心呈放射線狀均勻分布，定子繞組5-1分別嵌入所述槽內形成m相繞組，m為正 整數。
[0055] 本實施方式所述的電機是軸向對稱式結構，它可以避免軸向產生不對稱的磁場拉 力。
【具體實施方式】 [0056] 二：下面結合圖1至圖4、圖17至圖25說明本實施方式，本實施方式 對實施方式一作進一步說明，第一永磁轉子6包括轉子支架6-3、2n個第一永磁體單元6-1 和2n個第二永磁體單元6-2,轉子支架6-3面向兩個定子5的兩個端面上均設置η個第一 永磁體單元6-1和η個第二永磁體單元6-2, η個第一永磁體單元6-1和η個第二永磁體單 元6-2沿圓周方向交錯設置，η個第一永磁體單元6-1的充磁方向相同，η個第二永磁體單 兀6-2的充磁方向相同，第一永磁體單兀6-1和第二永磁體單兀6-2充磁方向相反；第一永 磁體單元6-1和第二永磁體單元6-2的充磁方向為軸向充磁。
[0057] 下面對本實施方式電機的工作原理進行說明，本實施方式電機結構中存在兩個氣 隙L1，這兩個氣隙中磁場作用機理是相同的；本實施方式電機結構中存在兩個氣隙L2,這 兩個氣隙中磁場作用機理也是相同的。該實施方式為左右對稱結構，下面以左側的定子、永 磁轉子的左側端面和調磁轉子的左側面為例說明該實施方式的工作原理，右側作用機理與 左側相同。
[0058] 首先原動機通過調磁轉子輸出軸1以驅動轉矩T驅動調磁轉子7逆時針旋轉，其 旋轉速度為Ω π，從定子5向調磁轉子7方向看，下面說明中的視圖方向相同；
[0059] 為了使調磁轉子7所受力矩平衡，此時將定子5的定子繞組5-1中通入m相對稱 交流電流，在外層氣隙Ll和內層氣隙L2中產生2p極數的定子旋轉磁場，所述定子旋轉磁 場的旋轉速度為Ω 3;
[0060] 所述定子旋轉磁場通過調磁轉子7的磁場調制作用，在外層氣隙LI和內層氣隙L2 中產生與永磁轉子6相同極數的旋轉磁場，通過磁場的相互作用，產生的永磁轉矩Tpm作用 在永磁轉子6上，且永磁轉矩T pm的方向為逆時針方向；同時永磁轉子輸出軸9以永磁轉矩 Tpm驅動負載；
[0061] 又根據作用力與反作用力的原理可知，存在與永磁轉矩Tpm大小相等且方向相反 的力矩Τ' PM同時作用在調磁轉子7上，Τ' PM的方向為順時針方向；
[0062] 同時，以速度Ω PM旋轉的永磁轉子6產生的永磁轉子旋轉磁場通過調磁轉子7的 磁場調制作用，在外層氣隙Ll和內層氣隙L2中產生2p極數的旋轉磁場，與定子旋轉磁場 相互作用，可產生定子轉矩T s，并作用在定子5上，且定子轉矩Ts方向為逆時針方向；
[0063] 根據作用力與反作用力的原理可知，存在與定子轉矩Ts大小相等且方向相反的力 矩Τ' s同時作用在調磁轉子7上，且方向為順時針方向；
[0064] 因此，調磁轉子7的輸出轉矩T1Ji足條件：Tm = T'S+T'PM = _(TS+TPM)，且方向為順 時針方向；由上述分析可知，作用在調磁轉子7上的轉矩T m與驅動轉矩T的方向是相反的； 當二者大小相等時，調磁轉子7處于穩定狀態。
[0065] 由此可以看出，調磁轉子7的轉矩Tm是永磁轉矩Tpm與定子轉矩Ts的合成轉矩。 因此，調磁轉子7的轉矩Tm將大于永磁轉子6的輸出轉矩TPM，并且二者具有一定的變比。 [0066] 本發明的軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器是根據磁場調制原理工作的，由磁場 調制原理可推導出，定子旋轉磁場的旋轉速度Qs、調磁轉子7的旋轉速度Q m和永磁轉子6 的旋轉速度Ω ΡΜ滿足關系式（1):
【權利要求】
1. 軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，它包括殼體（4)、兩個定子（5)、永 磁轉子（6)、調磁轉子（7)、調磁轉子輸出軸（1)和永磁轉子輸出軸（9)， 兩個定子（5)的各有一個外圓環端面分別固定在殼體（4)的左右端蓋內壁上，調磁轉 子（7)固定在調磁轉子輸出軸（1)上，調磁轉子輸出軸（1)的一端通過第二軸承（3)和第 四軸承（10)與永磁轉子（6)轉動連接，調磁轉子輸出軸（1)的另一端從殼體（4)的左端蓋 伸出，并通過第一軸承（2)與殼體（4)的左端蓋轉動連接；永磁轉子（6)位于兩個定子（5) 之間、調磁轉子（7)的外部，永磁轉子輸出軸（9)的一端固定在永磁轉子（6)上，永磁轉子 輸出軸（9)的另一端從殼體（4)的右端蓋伸出，并通過第三軸承（8)與殼體（4)的右端蓋 轉動連接；永磁轉子（6)和兩個定子（5)的圓環端面之間均存在軸向氣隙L1 ;永磁轉子（6) 與內部的調磁轉子（7)之間存在兩個軸向氣隙L2,調磁轉子輸出軸（1)和永磁轉子輸出軸 (9)的軸線重合； 定子（5)由定子鐵心（5-2)和m相定子繞組（5-1)構成，定子繞組（5-1)通有m相對 稱交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數； 永磁轉子（6)為對稱結構，兩側均為極對數為n的轉子，n為正整數； 調磁轉子（7)由調磁轉子鐵心（7-2)和2q個突起單元（7-1)構成，調磁轉子鐵心（7-2) 為圓盤形，該圓盤的兩側端面均設置q個突起單元（7-1)，該q個突起單元（7-1)沿圓周方 向均勻排布，q為正整數； 且滿足P= |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
2. 根據權利要求1所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，第一永磁轉 子（6)包括轉子支架￠-3)、2n個第一永磁體單元（6-1)和2n個第二永磁體單元￠-2)，轉 子支架￠-3)面向兩個定子（5)的兩個端面上均設置n個第一永磁體單元（6-1)和n個第 二永磁體單元￠-2)，n個第一永磁體單元（6-1)和n個第二永磁體單元￠-2)沿圓周方向 交錯設置，n個第一永磁體單兀（6-1)的充磁方向相同，n個第二永磁體單兀（6-2)的充磁 方向相同，第一永磁體單兀（6-1)和第二永磁體單兀（6-2)充磁方向相反；第一永磁體單兀 (6-1)和第二永磁體單兀（6-2)的充磁方向為軸向充磁。
3. 根據權利要求1所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，第一永磁轉 子（6)包括轉子支架（6-3)、2n個第一永磁體單元（6-1)和2n個永磁轉子鐵心（6-4)，轉子 支架（6-3)面向兩個定子（5)的兩個端面上均設置n個第一永磁體單元（6-1)和n個永磁 轉子鐵心^-4)，n個第一永磁體單元（6-1)和n個永磁轉子鐵心￠-4)沿圓周方向交錯設 置，n個第一永磁體單兀（6-1)的充磁方向相同。
4. 軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，它包括殼體（4)、定子（5)、永磁轉 子（6)、調磁轉子（7)、調磁轉子輸出軸（1)和永磁轉子輸出軸（9)， 定子（5)的外圓環端面固定在殼體（4)的左端蓋內壁上，調磁轉子（7)固定在調磁轉 子輸出軸（1)上，調磁轉子輸出軸（1)的力矩輸出端從殼體（4)的右端蓋伸出，并通過第三 軸承（8)與殼體（4)的右端蓋轉動連接； 永磁轉子（6)位于定子（5)與調磁轉子（7)之間，永磁轉子（6)固定在永磁轉子輸出 軸（9)上，永磁轉子輸出軸（9)的一端通過第二軸承（3)與調磁轉子（7)轉動連接，永磁轉 子輸出軸（9)的另一端從殼體（4)的左端蓋伸出，并通過第一軸承（2)與殼體（4)的左端 蓋轉動連接；永磁轉子（6)和定子（5)之間存在軸向氣隙L1 ;永磁轉子（6)與調磁轉子（7) 之間存在軸向氣隙L2,調磁轉子輸出軸（1)和永磁轉子輸出軸（9)的軸線重合； 定子（5)由定子鐵心（5-2)和m相定子繞組（5-1)構成，定子繞組（5-1)通有m相對 稱交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數； 永磁轉子（6)為極對數為n的轉子，n為正整數； 調磁轉子（7)由調磁轉子鐵心（7-2)和q個突起單元（7-1)構成，調磁轉子鐵心（7-2) 為圓盤形，q個突起單元（7-1)設置在調磁轉子鐵心（7-2)面向永磁轉子￠)的端面上，該 q個突起單元（7-1)沿圓周方向均勻排布，q為正整數； 且滿足P = |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
5. 根據權利要求4所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，第一永磁轉 子（6)包括轉子支架（6-3)、n個第一永磁體單元（6-1)和n個第二永磁體單元（6-2)，轉 子支架￠-3)為圓環形，其端面上沿圓周方向均勻交錯分布第一永磁體單元（6-1)和第二 永磁體單兀（6-2)，n個第一永磁體單兀（6-1)的充磁方向相同，n個第二永磁體單兀（6-2) 的充磁方向相同，第一永磁體單兀（6-1)和第二永磁體單兀（6-2)充磁方向相反；第一永磁 體單元￠-1)和第二永磁體單元￠-2)的充磁方向為軸向充磁。
6. 根據權利要求4所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，第一永磁轉 子（6)包括轉子支架（6-3)、n個第一永磁體單元（6-1)和n個永磁轉子鐵心（6-4)，轉子 支架￠-3)為圓環形，其端面沿圓周方向均勻交錯分布第一永磁體單元￠-1)和永磁轉子 鐵心（6-4)，n個第一永磁體單兀（6-1)的充磁方向相同；第一永磁體單兀（6-1)的充磁方 向為軸向充磁。
7. 根據權利要求1或4所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，定子鐵 心（5-2)為圓環形，定子鐵心（5-2)的外圓環端面固定在殼體（4)的端蓋內壁上，定子鐵 心（5-2)的內圓環端面上沿徑向開有多個槽，所述多個槽的開口中心線以永磁轉子輸出軸 (9)為中心呈放射線狀均勻分布，定子繞組（5-1)分別嵌入所述槽內形成m相繞組，m為正 整數。
8. 根據權利要求1或4所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，調磁轉子 鐵心（7-2)和突起單元（7-1)選用軟磁復合材料、硅鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧體。
9. 根據權利要求8所述軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器，其特征在于，調磁轉子鐵 心（7-2)和突起單元（7-1)為一體件。
【文檔編號】H02K16/00GK104393725SQ201410757494
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】鄭萍, 白金剛, 于斌, 范雨卉, 劉家琦 申請人:哈爾濱工業大學