專利名稱：直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機，是將雙定子空心轉子結構的新型永磁電機與磁性齒輪傳動技術融為一體，從而直接實現(xiàn)電能和低轉速大力矩機械能相互轉換的新型直驅式復合永磁電機，可直接取代常規(guī)的機械傳動變速系統(tǒng)，廣泛應用于風力發(fā)電、水力發(fā)電、電動汽車、船艦驅動及其它需要直接驅動的工業(yè)傳動領域。
背景技術：
在工業(yè)應用的許多傳動領域往往需要實現(xiàn)低轉速大力矩的機械能與常規(guī)交流電能的相互轉換，比如風力發(fā)電和水力發(fā)電領域需要將極低轉速且可變的風能、水的勢能轉 換成電能，電動汽車和潛艇驅動領域又需要將常規(guī)的電能變換成轉速很低而力矩很大的機械能。按現(xiàn)有常規(guī)的設計技術，極低轉速和大力矩會使得電機體積龐大，增加電機單位千瓦數(shù)的材料消耗并使得工程量巨大；為此，傳統(tǒng)的方法是借助機械齒輪變速傳動技術來實現(xiàn)低轉速、大力矩的輸出和恒功率調(diào)速范圍的要求，長期以來機械齒輪傳動技術的基本形式?jīng)]有變化，即始終是依靠機械式齒輪副的兩輪齒的嚙合進行傳動。這就給齒輪傳動帶來了一些不可消除的問題，如機械疲勞、摩擦損耗、震動噪音等，盡管可以采用油脂潤滑技術，但以上問題依舊無法根除，導致使用維護極其繁瑣，而且機械式齒輪傳動的理論效率最多也只能達到85%，而常規(guī)高變速比的機械齒輪變速系統(tǒng)傳動效率更低、噪聲更大、可靠性很差，整個傳動系統(tǒng)體積大。固定傳動速比的機械式齒輪副傳動使得需要在更寬轉速范圍的多級、分檔調(diào)速機構結構復雜，無法適應越來越多的無級變速的傳動技術要求。近年來，隨著風力發(fā)電、電動汽車等新能源應用領域的發(fā)展需求，國內(nèi)外開始在新型磁性傳動技術上實現(xiàn)對機械傳動的技術突破,2004年英國工程師從理論和樣機的具體實踐上完成了一種新型徑向磁場磁性齒輪的設計工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭矩較小的缺點，這給永磁材料在機械傳動領域的應用開辟了一個重要的研究方向和未來的應用領域；但是，英國人提出的磁性齒輪結構采用傳遞力矩相對較小的徑向磁場結構，這種徑向磁場結構的磁性齒輪所傳遞的功率密度和力矩密度都不及橫向磁場結構的磁性齒輪。2010年國內(nèi)的上海大學在承接的國家“863”高科技項目(2007AA05Z233)中也提出了把磁性齒輪傳動技術與永磁電機融為一體的設計方案并試制出首臺復合電機的原形樣機，但該設計方案也僅僅是把徑向磁場的磁性齒輪和徑向磁場的永磁電機在結構上進行了簡單的一體化組合，從電磁場理論來看該永磁電機磁路與磁性齒輪磁路還未突破徑向磁場的磁路結構概念，使得復合電機具有3個相互關聯(lián)且相互影響的氣隙磁場，從而增加了昂貴的稀土材料的單位消耗量，從電機驅動來講只有把磁性齒輪磁路與永磁電機磁路進行結構上解藕才可以提高單位材料所傳遞的功率和力矩密度。而且，對稀土永磁電機部分來講，按傳統(tǒng)電機慣例簡單地采用稀土材料代替電勵磁發(fā)電機轉子繞組，而不從電機結構上進行突破和創(chuàng)新，也并不能充分而徹底地利用稀土材料傳送高能量密度的優(yōu)點
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有旋轉電機技術、機械式齒輪傳動技術在應用上存在的問題，以及最新的磁性傳動技術的不足之處，本技術發(fā)明突破單純的徑向磁場結構的復合永磁電機限制，利用業(yè)已取得的雙定子發(fā)電機專利技術結構(ZL 201020624307. 6)及橫向磁場的磁性傳動齒輪副(201120177813. X)的有效組合，使橫向磁場磁性齒輪的磁路與徑向磁場雙定子永磁電機磁路分離，提供了一種高轉速氣隙旋轉磁場通過電磁感應和永磁耦合而直接實現(xiàn)電能與低轉速大力矩機械能相互轉換的直接驅動永磁電機新結構。本發(fā)明的基本構思是由圓盤形狀的磁性傳動齒輪副I、雙定子結構永磁電機II復合組成一體化結構，利用橫向磁場的磁性傳動齒輪副I來實現(xiàn)高速和低速機械動能的變速傳動；并利用徑向磁場的雙定子結構永磁電機II來實現(xiàn)機電能量轉換,其磁路結構為空心永磁轉子的兩異極性永磁極間直接串聯(lián)內(nèi)、外兩臺定子而構成閉合磁路，三者之間呈徑向同心式結構且存在兩個氣隙。氣隙磁場為高速旋轉磁場；發(fā)電機工況兩套繞組可同時對外輸出電能，電動機工況通過控制輸入兩套繞組的電流、電壓及頻率實現(xiàn)低速大力矩輸出的無級變速傳動要求。 以下結合圖I、圖2和圖3來說明這種直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機的技術特征，圖中項I為前端蓋，項2為調(diào)磁柵支架，項3為鐵磁導磁極，項4為軸承一，項5為低速輪轉軸，項6為低速永磁體磁極，項7為軸承二，項8為低速輪盤，項9為高速永磁體磁極，項10為空心轉子前蓋，項11為極間拉桿，項12為螺栓，項13為機殼，項14為軸承三，項15為內(nèi)定子支撐軸，項16為后端蓋，項17為空心轉子后蓋，項18為空心轉子端環(huán)，項19為外定子繞組，項20為外定子鐵芯，項21為磁極圓環(huán)鐵芯，項22為電機永磁體，項23為內(nèi)定子鐵芯，項24為內(nèi)定子繞組。另外，圖中字母符號標識N表示極性N的永磁體，S表示極性S的永磁體，I表示虛線框內(nèi)的磁性傳動齒輪副，II表示虛線框內(nèi)的雙定子結構永磁電機，Zg表不鐵磁導磁極3的導磁極數(shù),nr表不高速輪的空心轉子前蓋10的轉速,即空心永磁轉子的轉速，^表示低速輪轉軸5的轉速Jp1 表示高速輪永磁體磁極9的極數(shù)，2ps表示低速輪永磁體磁極6的極數(shù)，2pm表示雙定子永磁電機的空心轉子極數(shù)。(一 )、直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機由圓盤形狀的磁性傳動齒輪副I、雙定子結構永磁電機II復合組成,并與前端蓋I、后端蓋16、機殼13、軸承一 4、軸承二 7、軸承三14等結構零件裝配集成為一整體；( 二)、直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機的磁性傳動齒輪副I的低速輪、高速輪呈扁平的圓盤形狀，低速輪盤8上裝配2ps個低速永磁體磁極6，空心轉子前蓋10上裝配2 個高速永磁體磁極9構成磁性傳動齒輪副I的高速輪，低速輪與高速輪之間裝配有起調(diào)制氣隙磁場作用的調(diào)磁柵支架2和Zg個鐵磁導磁極3且彼此間均有氣隙，三者之間通過氣隙平面的橫向磁場耦合，彼此間無機械接觸和摩擦且成同軸線分布；低速輪轉軸5的轉速ns和力矩Ts、高速輪的空心轉子前蓋10的轉速I和力矩I；、磁性傳動齒輪副I的傳動效率η、鐵磁導磁極3的導磁極數(shù)Zg、低速輪永磁體磁極6的極對數(shù)Ps、高速輪永磁體磁極9的極對數(shù)h滿足以下關系約束
權利要求
1.直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機，其特征是 一、直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機由·圓盤形狀的磁性傳動齒輪副(I)、雙定子結構永磁電機(II)復合組成,并與前端蓋(I)、后端蓋(16)、機殼(13)、軸承一(4)、軸承二(7)、軸承三(14)等結構零件裝配集成為一整體； 二、直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機的磁性傳動齒輪副(I)的低速輪、高速輪呈扁平的圓盤形狀，低速輪盤(8)上裝配2ps個低速永磁體磁極￠)，空心轉子前蓋(10)上裝配2 個高速永磁體磁極(9)構成磁性傳動齒輪副⑴的高速輪，低速輪與高速輪之間裝配有起調(diào)制氣隙磁場作用的調(diào)磁柵支架(2)和；個鐵磁導磁極(3)且彼此間均有氣隙，三者之間通過氣隙平面的橫向磁場耦合，彼此間無機械接觸和摩擦且成同軸線分布；低速輪轉軸(5)的轉速ns和力矩Ts、高速輪的空心轉子前蓋(10)的轉速&和力矩I；、磁性傳動齒輪副(I)的傳動效率Π、鐵磁導磁極(3)的導磁極數(shù)Zg、低速輪永磁體磁極(6)的極對數(shù)Ps、高速輪永磁體磁極(9)的極對數(shù)滿足以下關系約束
2.根據(jù)權利要求I所述的直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機，其特征是在電機前端裝有圓盤形狀的磁性傳動齒輪副(I)，該磁性傳動齒輪副(I)由低速輪轉軸(5)、低速輪盤(8)、低速永磁體磁極(6)、調(diào)磁柵支架(2)和鐵磁導磁極(3)、高速永磁體磁極(9)、空心轉子前蓋(10)所構成；低速輪盤⑶上裝配的2ps個低速永磁體磁極(6)按N極、S極間隔排列的方式分布，空心轉子前蓋(10)上裝配的2 個高速永磁體磁極(9)同樣按N極、S極間隔排列的方式分布，低速輪盤(8)、空心轉子前蓋(10)采用導磁的鋼材制作；調(diào)制氣隙磁場作用的調(diào)磁柵支架(2)由非導磁的不銹鋼材料加工成型，并與機殼(13)緊配合連接，調(diào)磁柵支架(2)上沿周向均勻分布有Zg個輻射狀扇形孔，扇形孔中緊配合壓入鐵磁導磁極(3)，鐵磁導磁極(3)由電工純鐵薄板經(jīng)沖壓、鉚焊并精加工成型；鐵磁導磁極(3)、低速永磁體磁極(6)、高速永磁體磁極(9)三者的徑向長度應相等，電機通過低速輪轉軸(5)與外部動力裝置或負載機械連接從而傳遞低轉速大力矩動能，所傳遞的機械功率正比于永磁體的體積和永磁材料的單位磁能積的乘積。
3.根據(jù)權利要求I所述的直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機，其特征是圓桶形的空心永磁轉子異極性永磁體磁極之間無轉子磁軛鐵芯連接磁路，電機永磁體(22)為平板式結構并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極圓環(huán)鐵芯(21)的磁鋼槽內(nèi)，磁體排列方式為多片同極性磁體組成一個磁極，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復合磁路結構，組成每個磁極的同極性磁體并聯(lián)個數(shù)與尺寸決定于電機磁極數(shù)和極弧系數(shù)、氣隙磁通量以及永磁體制造工藝要求；磁極圓環(huán)鐵芯(21)采用硅鋼薄鋼板沖壓成整圓環(huán)狀，其上分布有磁鋼槽、極間拉桿方孔，圓環(huán)狀沖片經(jīng)疊壓后在兩端由空心轉子端環(huán)(18)與2pm個極間拉桿(11)鉚焊成一整體空心轉子鐵芯，采用精車加工出轉子鐵芯內(nèi)外圓及兩端定位止口，空心轉子端環(huán)(18)和極間拉桿(11)都用非導磁的不銹鋼材料制作；空心轉子鐵芯兩端裝配空心轉子前蓋(10)、空心轉子后蓋(17)，前、后蓋由止口定位且由螺栓(12)緊固于極間拉桿(11)的螺紋孔上，前、后蓋經(jīng)滾動軸承三(14)與內(nèi)定子支撐軸(15)連接。
4.根據(jù)權利要求I所述的直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機，其特征是外定子鐵芯(20)與內(nèi)定子鐵芯(23)采用硅鋼薄鋼板沖壓成形后經(jīng)疊壓、鉚焊成一整體，夕卜定子鐵芯(20)緊配合壓入機殼(13)，內(nèi)定子鐵芯(23)緊配合壓入內(nèi)定子支撐軸(15)，內(nèi)定子支撐軸(15) —端與后端蓋(16)、另一端與調(diào)磁柵支架(2)精確定位連接；外定子鐵芯內(nèi)圓及內(nèi)定子鐵芯外圓都均勻分布有繞組嵌線槽，并分別裝有兩套相互獨立的三相對稱的外定子繞組(19)和內(nèi)定子繞組(24);發(fā)電機工況兩套繞組對外輸出電能，電動機工況通過控制輸入兩套繞組的電流、電壓及頻率實現(xiàn)低速大力矩輸出的無級變速傳動要求。
全文摘要
直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機，是將雙定子空心轉子結構的新型永磁電機與磁性齒輪傳動技術融為一體，以直接實現(xiàn)電能和低轉速大力矩機械能相互轉換的新型直驅式復合永磁電機，可廣泛應用于風力發(fā)電、水力發(fā)電、電動汽車、船艦驅動及其它需要直接驅動的工業(yè)傳動領域。其特征是由圓盤形狀的磁性傳動齒輪副I、雙定子結構永磁電機II復合組成一體化結構，利用橫向磁場的磁性傳動齒輪副I來實現(xiàn)高速和低速機械動能的變速傳動；并利用徑向磁場的雙定子結構永磁電機II來實現(xiàn)機電能量轉換，其磁路結構為空心永磁轉子的兩異極性永磁極間直接串聯(lián)內(nèi)、外兩臺定子而構成閉合磁路，三者之間呈徑向同心式結構且存在兩個氣隙。
文檔編號H02K16/04GK102957260SQ20111026309
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權日2011年8月24日
發(fā)明者余虹錦 申請人:余虹錦