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電、水力發電、電動汽車、船艦驅動及其它需要直接驅動的工業傳動領域。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內、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。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術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，可直接取代常規的機械傳動變速系統，廣泛應用于風力發電、水力發電、電動汽車、船艦驅動及其它需要直接驅動的工業傳動領域。
技術介紹
在工業應用的許多傳動領域往往需要實現低轉速大力矩的機械能與常規交流電能的相互轉換，比如：風力發電和水力發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的電能變換成轉速很低而力矩很大的機械能。按現有常規的設計技術，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的材料消耗并使得工程量巨大；為此，傳統的方法是借助機械齒輪變速傳動技術來實現低轉速、大力矩的輸出和恒功率調速范圍的要求，長期以來機械齒輪傳動技術的基本形式沒有變化，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％，而常規高變速比的機械齒輪變速系統傳動效率更低、噪聲更大、可靠性很差，整個傳動系統體積大。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，隨著風力發電、電動汽車等新能源應用領域的發展需求，國內外開始在新型磁性傳動技術上實現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，按傳統電機慣例簡單地采用稀土材料代替電勵磁發電機轉子繞組，而不從電機結構上進行突破和創新，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點。
技術實現思路
針對現有旋轉電機技術、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，本技術專利技術突破單純的徑向磁場結構的復合永磁電機限制，利用業已取得的雙定子發電機專利技術結構(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。本專利技術的基本構思是：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內、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、電壓及頻率實現低速大力矩輸出的無級變速傳動要求。以下結合圖1、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1為前端蓋，項2為調磁柵支架，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，項19為外定子繞組，項20為外定子鐵芯，項21為磁極圓環鐵芯，項22為電機永磁體，項23為內定子鐵芯，項24為內定子繞組。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表示虛線框內的磁性傳動齒輪副，II表示虛線框內的雙定子結構永磁電機，Zg表示鐵磁導磁極3的導磁極數，nr表示高速輪的空心轉子前蓋10的轉速，即空心永磁轉子的轉速，ns表示低速輪轉軸5的轉速，2pr表示高速輪永磁體磁極9的極數，2ps表示低速輪永磁體磁極6的極數，2pm表示雙定子永磁電機的空心轉子極數。(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1、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2pr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制氣隙磁場作用的調磁柵支架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nr和力矩Tr、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Zg、低速輪永磁體磁極6的極對數ps、高速輪永磁體磁極9的極對數pr滿足以下關系約束：1≤pr＜ps，Zg＝ps+pr，nsnr=prps=pr|Zg-pr|,]]>對電動機工況有TsTr=pspr×η=|Zg-pr|pr×η,]]>對發電機工況有TrTs=prps×η=|Zg-ps|ps×η,]]>其中，極對數ps和pr是相互為一奇數、一偶數的正整數對本文檔來自技高網...
【技術保護點】
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(1)、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2pr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制氣隙磁場作用的調磁柵支架(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nr和力矩Tr、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Zg、低速輪永磁體磁極(6)的極對數ps、高速輪永磁體磁極(9)的極對數pr滿足以下關系約束：1≤pr＜ps，Zg＝ps+pr，nsnr=prps=pr|Zg-pr|,對電動機工況有TsTr=pspr×η=|Zg-pr|pr×η,對發電機工況有TrTs=prps×η=|Zg-ps|ps×η?其中，極對數ps和pr是相互為一奇數、一偶數的正整數對，傳動效率η為大于90％和小于100％之間的正百分數；三、直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機的雙定子結構永磁電機(II)的定子采用內外雙定子結構，內定子鐵芯(23)的均布槽中嵌裝有三相對稱的內定子繞組(24)，外定子鐵芯(20)的均布槽中也嵌裝有三相對稱的外定子繞組(19)；轉子為無磁軛鐵芯的永磁式空心圓桶形結構，安裝于內外兩定子之間，與雙定子間均有氣隙，多片平板式結構的同極性電機永磁體(22)組成一磁極并內嵌入由鐵磁材料制成的磁極圓環鐵芯(21)的磁鋼槽內，電機磁路結構為2pm個磁極的電機永磁體(22)的兩異極性面直接串聯兩臺定子而構成閉合磁路。...
【技術特征摘要】
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(1)、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2pr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
裝配有起調制氣隙磁場作用的調磁柵支架(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nr和力矩Tr、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Zg、低速輪永磁體磁極(6)的極
對數ps、高速輪永磁體磁極(9)的極對數pr滿足以下關系約束：
1≤pr＜ps，
Zg＝ps+pr，
nsnr=prps=pr|Zg-pr|,]]>對電動機工況有TsTr=pspr×η=|Zg-pr|pr×η,]]>對發電機工況有TrTs=prps×η=|Zg-ps|ps×η]]>?其中，極對數ps和pr是相互為一奇數、一偶數的正整數對，傳動效率η為大于90％和
小于100％之間的正百分數；
三、直驅式磁性傳動與雙定子結構的復合永磁電機的雙定子結構永磁電機(II)的定子采
用內外雙定子結構，內定子鐵芯(23)的均布槽中嵌裝有三相對稱的內定子繞組(24)，外
定子鐵芯(20)的均布槽中也嵌裝有三相對稱的外定子繞組(19)；轉子為無磁軛鐵芯的永
磁式空心圓桶形結構，安裝于內外兩定子之間，與雙定子間均有氣隙，多片平板式結構
的同極性電機永磁體(22)組成一磁極并內嵌入由鐵磁材料制成的磁極圓環鐵芯(21)的
磁鋼槽內，電機磁路結構為2pm個磁極的電機永磁體(22)的兩異極性面直接串聯兩臺定
子而構成閉合磁路。
2.根據權利要求1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(8...
【專利技術屬性】
技術研發人員：余虹錦，
申請(專利權)人：余虹錦，
類型：發明
國別省市：
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