专利名称：径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，属于电机领域。
背景技术：
传统内燃机汽车的燃油消耗和尾气排放污染是举世关注的热点问题。使用电动汽 车可实现低能耗、低排放，但由于作为电动汽车的关键部件之一的电池其能量密度、寿命、 价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡，在这种情况 下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车发展迅速，成为新型汽车开发的执占。现有串联式驱动装置的特点是可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其 最佳的工作区稳定运行，并可选用功率较小的发动机，但需要功率足够大的发电机和电动 机，发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池 充放电的效率较低，使得燃油能量的利用率比较低；并联式驱动装置能量利用率相对较高， 但发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于变化频繁的行驶工况，相比于串联式 结构，需要较为复杂的变速装置和动力复合装置以及传动机构；混联式驱动装置融合了串 联式和并联式的优点，由于整个驱动系统的能量流动更加灵活，因此发动机、发电机、电动 机等部件能够进一步得到优化，从而使整个系统效率更高。但是仍然需要较为复杂的变速 装置和动力复合装置以及传动机构。在上述驱动装置中，存在发动机和系统其他部件不能协调配合的问题，使整个系 统存在体积笨重、结构复杂、耗能大、尾气排放量大的问题，而不能有效的将动力输出。
发明内容
本发明目的是为了解决现有串联式、并联式和混联式驱动装置中发动机和系统其 他部件不能简单高效配合，从而使整个系统存在体积笨重、结构复杂、成本偏高、性能受限， 而不能有效地将动力输出的问题，提供了一种径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电 机。本发明径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机在壳体内并列设置有径向双 转子电机和轴径向转矩调节电机，所述径向双转子电机包括第一定子、调制环转子、第一永 磁转子、永磁转子输出轴和调制环转子输出轴，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子和 第二永磁转子，调制环转子输出轴同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，所述轴径向转矩调节电机的第二定子固定在壳体的内侧壁上，第二永磁转子固定 在调制环转子输出轴上，第二定子与第二永磁转子之间沿径向方向有气隙L3，沿轴向方向 有气隙L4 ；所述径向双转子电机的第一定子固定在壳体的内侧壁上，第一永磁转子固定在永 磁转子输出轴上，调制环转子位于第一定子与第一永磁转子之间，永磁转子输出轴通过第一 轴承与壳体转动连接，且永磁转子输出轴通过第二轴承和第四轴承与调制环转子转动连接，调制环转子输出轴的一端固定在调制环转子上，且调制环转子输出轴通过第三轴承与壳体转 动连接；调制环转子和第一定子之间有气隙Ll ；调制环转子与第一永磁转子之间有气隙L2，第一定子由第一定子铁心和m相第一定子绕组构成，第一定子绕组通有m相对称 交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、ρ为正整数；第一永磁转子由第一永磁转子铁心和2η个第一永磁体单元构成，2η个第一永磁 体单元沿圆周方向均勻分布排列，2η个第一永磁体单元嵌入第一永磁转子铁心内部或固定 在第一永磁转子铁心的外圆表面上，相邻两块第一永磁体单元7-1的充磁方向相反，第一 永磁转子旋转时，形成2η极数的永磁转子表面磁场，η为正整数；调制环转子由转子支架、q块导磁块和q块绝缘块构成，转子支架外圆表面沿圆周 方向交错设置导磁块和绝缘块；且满足ρ = |hn+kq|公式成立，其中，h是正奇数，k是整数。本发明的优点本发明电机为复合结构的电机，具有两个转轴，这两个转轴的转速 彼此独立且转速可调，两个转轴输出的转矩彼此独立且转矩可调，这样可以使一个转轴实 现高速小转矩运行，另一个转轴实现低速大转矩运行。本发明在与内燃机结合使用时，能使内燃机不依赖于路况，始终运行在最高效率 区，从而降低了燃油消耗和尾气排放，实现节能降耗；它同时也能取代汽车中变速箱，离合 器和飞轮等部件，使汽车结构简化，成本降低。它能通过电子器件实现汽车的速度驾驶控 制、宽范围平稳调速；同时还具有不需要复杂的冷却装置、结构简单、体积小、成本低廉的优 点。它还可应用在不同转速的两个机械转轴同时工作的工业装置中。本发明属于无刷结构，克服了有刷复合结构电机因采用电刷滑环馈电结构而导致 的运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题
图1是实施方式一和二的结构示意图2是图1的A-A剖视图3是实施方式三的结构示意图4是图3的D-D剖视图5是实施方式四的结构示意图6是图5的E-E剖视图7是实施方式五的结构示意图8是图7的F-F剖视图9是实施方式六的结构示意图10是图9的G-G剖视图11是图1、图3、图5、图7和图9的B-B剖视图
图12是图1、图3、图5、图7和图9的C-C剖视图
图13是本发明的原理图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式的电机在壳体4内并列设置有径向双转子电机和轴径向转矩调节电机，所述径向双转子电机包括第一 定子5、调制环转子6、第一永磁转子7、永磁转子输出轴1和调制环转子输出轴9，所述轴径 向转矩调节电机包括第二定子11和第二永磁转子12，调制环转子输出轴9同时作为轴径向 转矩调节电机的转子轴，所述轴径向转矩调节电机的第二定子11固定在壳体4的内侧壁上，第二永磁转子 12固定在调制环转子输出轴9上，第二定子11与第二永磁转子12之间沿径向方向有气隙 L3，沿轴向方向有气隙L4;第二定子11由第二定子铁心11-1和m'相第二定子绕组11_2构成，第二定子铁 心11-1为圆环形，第二定子铁心11-1的外环表面固定在壳体4的内侧壁上，第二定子铁心 11-1的外侧壁开有多个环形凹槽，所述多个环形凹槽以调制环转子输出轴9为中心均勻分 布，第二定子绕组11-2分别嵌入所述环形凹槽内形成m'相绕组，m'为正整数；第二永磁转子由第二永磁转子铁心12-2和多组永磁体单元构成，第二永磁转子 铁心12-2为厚圆盘形，固定在调制环转子输出轴9上，第二永磁转子铁心12-2的外圆周侧 壁上开有圆环形凹槽，凹槽的径向截面为方形，在所述凹槽内侧面上设置有多组第二永磁 体单元，每组永磁体单元由底面永磁体12-1和两块侧面永磁体12-3构成，多组第二永磁体 单元以调制环转子输出轴9为中心沿圆周方向均勻分布，永磁体单元设置在第二永磁转子 铁心12-2表面上或嵌入第二永磁转子铁心12-2表面内，每组永磁体单元形成指向凹槽开 口或者背离凹槽开口的磁场，相邻两组永磁体单元的充磁方向相反，底面永磁体12-1沿径向充磁或沿径向平行充磁，侧面永磁体12-3轴向充磁，同组 永磁体单元中的两块侧面永磁体12-3的充磁方向相反。所述径向双转子电机的第一定子5固定在壳体4的内侧壁上，第一永磁转子7固 定在永磁转子输出轴1上，调制环转子6位于第一定子5与第一永磁转子7之间，永磁转子 输出轴1通过第一轴承2与壳体4转动连接，且永磁转子输出轴1通过第二轴承3和第四 轴承10与调制环转子6转动连接，调制环转子输出轴9的一端固定在调制环转子6上，且 调制环转子输出轴9通过第三轴承8与壳体4转动连接；调制环转子6和第一定子5之间 有气隙Ll ；调制环转子6与第一永磁转子7之间有气隙L2，第一定子5由第一定子铁心5-2和m相第一定子绕组5-1构成，第一定子绕组5-1 通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、ρ为正整数；第一定子铁心5-2为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口 中心线围绕永磁转子输出轴1均勻分布，第一定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕组。第一永磁转子7由第一永磁转子铁心7-2和2η个第一永磁体单元7_1构成，2η个 第一永磁体单元7-1沿圆周方向均勻分布排列，2η个第一永磁体单元7-1嵌入第一永磁转 子铁心7-2内部或固定在第一永磁转子铁心7-2的外圆表面上，相邻两块第一永磁体单元 7-1的充磁方向相反，第一永磁转子7旋转时，形成2η极数的永磁转子表面磁场，η为正整 数；调制环转子6由转子支架6-3、q块导磁块6_1和q块绝缘块6_2构成，转子支架 6-3外圆表面沿圆周方向交错设置导磁块6-1和绝缘块6-2 ；导磁块6-1选用软磁复合材 料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；
且满足ρ = |hn+kq|公式成立，其中，h是正奇数，k是整数。为了说明本发明的工作原理，本实施方式以图1所示结构为例进行说明，为了便 于画出各部分的细节，将图1所示的第一永磁转子7和调制环转子6都做了缩小比例处理， 具体原理图参见图21。径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机从可实现的功能上分为两部分一部 分是径向双转子电机；另一部分是轴径向转矩调节电机。径向双转子电机主要实现的功能 是使调制环转子输出轴9的转速不依赖于永磁转子输出轴1的转速，并且使调制环转子输 出轴9能够实现无级变速，同时调制环转子输出轴9根据永磁转子输出轴1的输入的转矩 按照一定的比例输出相对应的转矩。轴径向转矩调节电机的作用是根据实际负载的需要， 输入驱动转矩或者制动转矩，使调制环转子输出轴9最终输出到负载的转矩不依赖于永磁 转子输出轴1所输入的转矩，实现了转矩的灵活调节。下面详细分析一下径向双转子电机的工作原理首先原动机通过永磁转子输出轴1以驱动转矩T驱动第一永磁转子7逆时针旋 转，其旋转速度为Q1 ；为了使第一永磁转子7所受力矩平衡，此时将第一定子5的第一定子绕组5-1中 通入m相对称交流电流，在外层气隙Ll中产生2p极数的定子旋转磁场，所述定子旋转磁场 的旋转速度为ω2;所述定子旋转磁场通过调制环转子6的调制作用，在内层气隙L2中产生与第一永 磁转子7相同极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的内调制转矩T1作用在第一永 磁转子7上，且转矩T1的方向为顺时针方向；由力矩平衡原理可知，T1 = -Τ，二者大小相等，方向相反；又根据作用力与反作用力的原理，可知在内层气隙L2中存在与内调制转矩T1大 小相等且方向相反的力矩T'工同时作用在调制环转子6上，T'工的方向为逆时针方向；同时，内层以速度Q1旋转的第一永磁转子7产生的永磁转子旋转磁场通过调制 环转子6的调制作用，在外层气隙Ll中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转磁场相互作 用，可产生外调制转矩T2,并作用在第一定子5上，且外调制转矩T2方向为顺时针方向；根据作用力与反作用力的原理，可知在外层气隙Ll中存在与外调制转矩T2大小 相等且方向相反的力矩T' 2同时作用在调制环转子6上，且方向为逆时针方向；因此，调制环转子6的输出转矩T3满足条件T3 = T' !+T' 2 =-(TJT2),调制环 转子6的旋转速度为Ω3，且方向为逆时针方向，调制环转子输出轴9以转矩T3驱动负载。由此可以看出，调制环转子6的输出转矩T3是内调制转矩T1与外调制转矩T2的 合成转矩，而第一永磁转子7的输出转矩是内调制转矩1\。因此，调制环转子6的输出转矩 T3将大于第一永磁转子7的输出转矩T1,并且二者具有一定的变比。本发明的双转子结构电机可以通过调节通入第一定子绕组5-1的电流的频率f来 调节转速，定子旋转磁场的旋转速度Ω 2、调制环转子6的旋转速度Ω 3和第一永磁转子7的 旋转速度
Ω _ hn ^ 丨 kg ^ 2 “ |hn+kq| 1 + |hn+kq| 3⑴
下面具体分析几种特殊情况及其产生的原理1、在调制环转子6静止不动的情况下，即Ω3 = 0，代入公式(1)，则存在以下公式 成立
权利要求
径向 轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，在壳体(4)内并列设置有径向双转子电机和轴径向转矩调节电机，所述径向双转子电机包括第一定子(5)、调制环转子(6)、第一永磁转子(7)、永磁转子输出轴(1)和调制环转子输出轴(9)，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子(11)和第二永磁转子(12)，调制环转子输出轴(9)同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，所述轴径向转矩调节电机的第二定子(11)固定在壳体(4)的内侧壁上，第二永磁转子(12)固定在调制环转子输出轴(9)上，第二定子(11)与第二永磁转子(12)之间沿径向方向有气隙L3，沿轴向方向有气隙L4；所述径向双转子电机的第一定子(5)固定在壳体(4)的内侧壁上，第一永磁转子(7)固定在永磁转子输出轴(1)上，调制环转子(6)位于第一定子(5)与第一永磁转子(7)之间，永磁转子输出轴(1)通过第一轴承(2)与壳体(4)转动连接，且永磁转子输出轴(1)通过第二轴承(3)和第四轴承(10)与调制环转子(6)转动连接，调制环转子输出轴(9)的一端固定在调制环转子(6)上，且调制环转子输出轴(9)通过第三轴承(8)与壳体(4)转动连接；调制环转子(6)和第一定子(5)之间有气隙L1；调制环转子(6)与第一永磁转子(7)之间有气隙L2，第一定子(5)由第一定子铁心(5 2)和m相第一定子绕组(5 1)构成，第一定子绕组(5 1)通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；第一永磁转子(7)由第一永磁转子铁心(7 2)和2n个第一永磁体单元(7 1)构成，2n个第一永磁体单元(7 1)沿圆周方向均匀分布排列，2n个第一永磁体单元(7 1)嵌入第一永磁转子铁心(7 2)内部或固定在第一永磁转子铁心(7 2)的外圆表面上，相邻两块第一永磁体单元(7 1)的充磁方向相反，第一永磁转子(7)旋转时，形成2n极数的永磁转子表面磁场，n为正整数；调制环转子(6)由转子支架(6 3)、q块导磁块(6 1)和q块绝缘块(6 2)构成，转子支架(6 3)外圆表面沿圆周方向交错设置导磁块(6 1)和绝缘块(6 2)；且满足p＝|hn+kq|公式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
2.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，第 一永磁体单元(7-1)设置在第一永磁转子铁心(7-2)的外圆表面上，第一永磁体单元(7-1) 沿径向充磁或沿径向平行充磁。
3.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，第 一永磁体单元(7-1)嵌入设置在第一永磁转子铁心(7-2)的外圆表面内，第一永磁体单元 (7-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁。
4.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，第 一永磁体单元(7-1)的横截面为矩形，2η个第一永磁体单元(7-1)以永磁转子输出轴(1) 为中心在第一永磁转子铁心(7-2)的内部放射状分布，第一永磁体单元(7-1)的充磁方向 为沿切向平行充磁。
5.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于， 第一永磁体单元(7-1)的横截面为矩形，2η个第一永磁体单元(7-1)在第一永磁转子铁心 (7-2)的内部以永磁转子输出轴(1)为中心均布，每相邻两个第一永磁体单元(7-1)的夹角 为360° /2η，第一永磁体单元(7-1)的充磁方向为沿径向平行充磁。
6.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，每 个第一永磁体单元(7-1)由两块横截面为矩形的永磁体构成V字形结构，两块永磁体的充 磁方向为分别垂直于V字形的两条边，且同时指向V字形的开口方向或同时背离V字形的 开口方向，2η个V字形的第一永磁体单元(7-1)以永磁转子输出轴(1)为中心均布在第一 永磁转子铁心(7-2)的内部，V字形的开口沿径向朝外开口。
7.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，第 一定子铁心(5-2)为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线围 绕永磁转子输出轴(1)均勻分布，第一定子绕组(5-1)分别嵌入所述槽内形成m相绕组。
8.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，导 磁块(6-1)选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
9.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于， 第二定子(11)由第二定子铁心(11-1)和m'相第二定子绕组(11-2)构成，第二定子铁心 (11-1)为圆环形，第二定子铁心(11-1)的外环表面固定在壳体(4)的内侧壁上，第二定子 铁心(11-1)的外侧壁开有多个环形凹槽，所述多个环形凹槽以调制环转子输出轴(9)为 中心均勻分布，第二定子绕组(11-2)分别嵌入所述环形凹槽内形成m'相绕组，m'为正整 数。
10.根据权利要求1所述的径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在 于，第二永磁转子由第二永磁转子铁心(12-2)和多组永磁体单元构成，第二永磁转子铁心 (12-2)为厚圆盘形，固定在调制环转子输出轴(9)上，第二永磁转子铁心(12-2)的外圆周 侧壁上开有圆环形凹槽，凹槽的径向截面为方形，在所述凹槽内侧面上设置有多组第二永 磁体单元，每组永磁体单元由底面永磁体(12-1)和两块侧面永磁体(12-3)构成，多组第二 永磁体单元以调制环转子输出轴(9)为中心沿圆周方向均勻分布，永磁体单元设置在第二 永磁转子铁心(12-2)表面上或嵌入第二永磁转子铁心(12-2)表面内，每组永磁体单元形 成指向凹槽开口或者背离凹槽开口的磁场，相邻两组永磁体单元的充磁方向相反，底面永磁体(12-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁，侧面永磁体(12-3)轴向充磁，同组 永磁体单元中的两块侧面永磁体(12-3)的充磁方向相反。
全文摘要
径向-轴径向磁场调制型无刷复合结构电机，属于电机领域，本发明为解决现有串联式、并联式和混联式驱动装置中发动机和系统其他部件不能简单高效配合，使系统体积笨重、结构复杂、成本偏高、性能受限，不能有效将动力输出的问题。本发明电机在壳体内并列设置有径向双转子电机和轴径向转矩调节电机，径向双转子电机的永磁转子由原动机带动形成2n极磁场，其定子形成2p极磁场，由具有q块导磁块和绝缘块的调制环转子的输出轴输出所需转速，且p＝|hn+kq|，其输出转速不依赖输入转速，实现无级变速；轴径向转矩调节电机根据实际负载需要，输入驱动转矩或者制动转矩，满足负载实际转矩需求，使得调制环转子输出轴输入和输出的能量相平衡。
文档编号H02K16/00GK101951088SQ20101027415
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者于斌, 佟诚德, 白金刚, 郑萍, 隋义, 雷雨 申请人:哈尔滨工业大学