盘式永磁磁场调制电机的制作方法

1.本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种盘式永磁磁场调制电机。


背景技术：

2.低速大转矩传动系统在工业生产、油田开采、风力发电、港口起重和船只推进等领域有极其广泛的应用前景。目前，传统的感应电机加机械减速机构的驱动系统，存在结构复杂、减速机构易磨损、润滑油渗漏、运行可靠性差、维护成本高以及系统整体效率低等缺点，不符合经济发展节能环保的要求。
3.若使用磁齿轮复合电机，也存在一定的缺陷。如中国专利(公开号为cn108011484a)公开了一种磁齿轮复合电机，其外定子与调制转子之间、调制转子与内转子之间均具有气隙，也就是具有内外两层气隙，搭配调磁环来进行磁场调制，由于气隙较多，电机的永磁磁钢利用率和功率密度受到一定程度的影响，且整体结构较为复杂，加工工艺难度较大。
4.因此，本发明的主要目的在于提供一种盘式永磁磁场调制电机，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中气隙较多的问题，本发明提供一种盘式永磁磁场调制电机，借由定子齿表面设置的磁钢，可在单层气隙的情况下进行磁场调制，省去传统磁齿轮复合电机中的调磁环，简化结构。
6.本发明提供的一种盘式永磁磁场调制电机，包括定子、第一转子、若干个第二磁钢以及电枢绕组。
7.定子包括若干个定子齿与定子轭，若干个定子齿连接于定子轭，相邻二个定子齿之间形成定子槽。第一转子耦接于定子的第一侧，并与定子之间形成第一气隙，第一转子包括若干个第一转子齿与若干个第一磁钢，若干个第一磁钢分布于若干个第一转子齿之间。若干个第二磁钢分布于若干个定子齿靠近第一侧的表面，且第二磁钢的数量少于定子齿的数。电枢绕组，设置于定子槽内。
8.在一实施例中，所述第一磁钢与所述第二磁钢的极性相同。
9.在一实施例中，所述电枢绕组是环形绕组。
10.在一实施例中，所述盘式永磁磁场调制电机还包括第二转子与若干个第三磁钢，所述第二转子耦接于所述定子的第二侧，并与所述定子之间形成第二气隙，所述第二转子包括若干个第二转子齿与若干个第四磁钢，所述若干个第四磁钢分布于所述若干个第二转子齿之间，所述若干个第三磁钢分布于所述若干个定子齿靠近所述第二侧的表面，且所述第三磁钢的数量少于所述定子齿的数量。
11.在一实施例中，所述第三磁钢与所述第四磁钢的极性相同。
12.在一实施例中，所述第一磁钢的数量与所述第一转子齿的数量相同，相邻二个所述第一转子齿之间是间隔一个所述第一磁钢。
13.在一实施例中，所述第二磁钢的数量是所述定子齿数量的一半，相邻二个所述第二磁钢之间是间隔一个所述定子齿。
14.在一实施例中，所述若干个第二磁钢与所述若干个定子齿于所述定子的第一侧形成第一类调磁环结构，所述第一类调磁环结构的极对数pm与所述定子槽的数量ns之间的关系为：pm＝ns/2。
15.在一实施例中，所述第三磁钢的数量是所述定子齿数量的一半，相邻二个所述第三磁钢之间是间隔一个所述定子齿。
16.在一实施例中，所述第四磁钢的数量与所述第二转子齿的数量相同，相邻二个所述第二转子齿之间是间隔一个所述第四磁钢。
17.在一实施例中，第一转子与第二转子可采用盘形形状。
18.在一实施例中，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢以及所述第四磁钢可以是halbach磁钢结构。
19.基于上述，与现有技术相比，本发明提供的盘式永磁磁场调制电机，借由定子齿表面设置的磁钢，形成了一个具有调磁作用的类调磁环结构，可在单层气隙的情况下进行磁场调制，省去传统磁齿轮复合电机中的调磁环，简化结构。也省去了非直驱系统中的齿轮装置，免维修，转矩传输能力大，重量减轻，具有过载保护等优点。
20.此外，盘形的第一转子与第二转子可提供较大的散热面积，避免了由于电机高能量密度的设计使得单位体积的损耗和发热量增加，导致电机温度升高，造成转子部分温升大，从而导致转子磁钢性能降低甚至退磁的风险。
21.再者，第一转子侧的第一磁钢与定子侧的第二磁钢产生双向磁场调制的作用，都可为最后的输出转矩贡献作用，使得电机的转矩密度得到进一步的提高。同理，第二转子侧的第四磁钢与定子侧的第三磁钢亦是如此。
22.使用镜像对称的电机结构可以较大程度抵消定子和两侧转子的单边磁拉力，同时也能进一步提高电机的转矩密度。使用的环形绕组，无论是在分布式绕组还是集中式绕组的情况下都可以大大减少铜线的使用量。
23.本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
25.图1是本发明盘式永磁磁场调制电机的立体示意图；
26.图2是本发明盘式永磁磁场调制电机的爆炸示意图；
27.图3是本发明定子的结构示意图；
28.图4是本发明第一转子的结构示意图；
29.图5是本发明单个环形绕组的结构示意图；
30.图6是本发明各磁钢励磁方向的示意图；
31.图7是本发明halbach结构一实施例的示意图；
32.图8是本发明halbach结构另一实施例的示意图。
33.附图标记：
34.10盘式永磁磁场调制电机
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12定子
35.123定子齿
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
124定子轭
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
126定子槽
36.14第一转子
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
142第一转子齿
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
16第二转子
37.162第二转子齿
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18第一气隙
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20第二气隙
38.22电枢绕组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
41第一磁钢
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
42第二磁钢
39.43第三磁钢
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
44第四磁钢
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
44.请参阅图1至图4，图1是本发明盘式永磁磁场调制电机10的立体示意图，图2是本发明盘式永磁磁场调制电机10的爆炸示意图，图3是本发明定子12的结构示意图，图4是本
发明第一转子14的结构示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种盘式永磁磁场调制电机10。如图中所示，盘式永磁磁场调制电机10包括定子12、第一转子14、若干个第二磁钢42以及电枢绕组22。进一步看，定子12包括若干个定子齿123与定子轭124，并具有相对的第一侧与第二侧，即图中的下侧与上侧。
45.若干个定子齿123连接于定子轭124，且凸出于定子轭124的上下表面。相邻二个所述定子齿123之间形成定子槽126。第一转子14耦接于定子12的第一侧，并与定子12之间形成第一气隙18。电枢绕组22设置于定子槽126内。电枢绕组22可产生电磁转矩和感应电动势，是盘式永磁磁场调制电机10进行能量变换的关键部件。
46.当电枢绕组22中有电流流过时，会产生电枢磁动势，它与第一气隙18磁场相互作用，产生电磁转矩，电磁转矩与转子转速相互作用，吸收或放出机械功率.二者同时存在，构成电磁能量与机械能量的相互转换。
47.第一转子14包括若干个第一转子齿142与若干个第一磁钢41，若干个第一磁钢41是分布于若干个第一转子齿142之间。若干个第二磁钢42是分布于若干个定子齿123靠近第一侧的表面。其中，第二磁钢42的数量是少于定子齿123的数量。
48.进一步说明，第二磁钢42将被第一转子齿142调制，在第一气隙18侧形成不同极对数及电旋转速度的谐波。同理，第一磁钢41也将被定子齿123调制，形成各次谐波。定子12上的电枢绕组22产生的磁场通过定子齿123调磁，在第一气隙18侧也会产生谐波磁场。电枢绕组22产生的部分谐波磁场可以同时和第一磁钢41和第二磁钢42产生的谐波磁场相互作用，因而可以产生恒定的转矩。借由多向调磁的作用，使得盘式永磁磁场调制电机10的转矩密度得到大大提高。
49.所述转矩密度是指电机最大输出转矩与其体积的比值。本发明中的基波是指频率为盘式永磁磁场调制电机10的基本频率成分。三次谐波、五次谐波也是对应基本频率而言。换言之，所述谐波(harmonic)可以理解为，由于盘式永磁磁场调制电机10本身的槽极效应、以及定子齿123与转子齿的调磁作用，使得气隙中除了基波外还有其他次的谐波成分，且谐波的频率与基波不同。磁场调制是指改变原磁场的空间频谱、相位或谐波成分，进而产生一些新的输出特性。
50.在一实施例中，如图1、图2中所示，盘式永磁磁场调制电机10还包括第二转子16与若干个第三磁钢43。第二转子16耦接于定子12的第二侧，并与定子12之间形成第二气隙20。第二转子16包括若干个第二转子齿162与若干个第四磁钢44，该些个第四磁钢44分布于若干个第二转子齿162之间。若干个第三磁钢43分布于若干个定子齿123靠近第二侧的表面，且第三磁钢43的数量少于定子齿123的数量。
51.进一步说明，第三磁钢43将被第二转子齿162调制，在第二气隙20侧形成不同极对数及电旋转速度的谐波。同理，第四磁钢44也将被定子齿123调制，形成各次谐波。定子12上的电枢绕组22产生的磁场通过定子齿123调磁，在第二气隙20侧也会产生谐波磁场。电枢绕组22产生的部分谐波磁场可以同时和第三磁钢43和第四磁钢44产生的谐波磁场相互作用，因而可以产生恒定的转矩。借由多向调磁的作用，使得盘式永磁磁场调制电机10的转矩密度得到大大提高。此外，由于盘式永磁磁场调制电机10的定子12两侧皆有转子进行相互调磁，此种上下侧的双向调磁的作用，可进一步提高电机的转矩密度。
52.在一实施例中，如图1、图2中所示，第一转子14与第二转子16可采用盘形形状，以
提供一个较大的散热面积，避免了由于盘式永磁磁场调制电机10高能量密度的设计使得单位体积的损耗和发热量增加，导致盘式永磁磁场调制电机10温度升高，造成转子部分温度升大，从而导致转子上的磁钢性能降低甚至退磁的风险。
53.在一实施例中，如图2、图3中所示，第二磁钢42的数量是定子齿123数量的一半，相邻二个第二磁钢42之间是间隔一个定子齿123。换言之，第二磁钢42与定子齿123沿定子12的圆周方向的依序排列为第二磁钢42
‑
定子齿123
‑
第二磁钢42
‑
定子齿123，以此类推。并且，该些个第二磁钢42与该些个定子齿123于定子12的第一侧形成第一类调磁环结构。也就是形成“第二磁钢42
‑
定子齿123
‑
第二磁钢42
‑
定子齿123”的第一类调磁环结构，以更好地进行磁场调制。所述第一类调磁环结构的极对数pm与定子槽126的数量ns之间的关系为：pm＝ns/2。可以将相邻的一个第二磁钢42与一个定子齿123理解为是第一类调磁环结构的一对极。
54.同理，在一实施例中，第三磁钢43的数量也是定子齿123数量的一半，相邻二个第三磁钢43之间是间隔一个所述定子齿123。该些个第三磁钢43与该些个定子齿123于定子12的第二侧形成第二类调磁环结构。也就是形成“第三磁钢43
‑
定子齿123
‑
第三磁钢43
‑
定子齿123”的第二类调磁环结构，以更好地进行磁场调制。所述第二类调磁环结构的极对数与所述第一类调磁环结构的极对数相同。可以将相邻的一个第三磁钢43与一个定子齿123理解为是第二类调磁环结构的一对极。
55.在一实施例中，如图2、图4中所示，第一磁钢41的数量与第一转子齿142的数量相同，相邻二个第一转子齿142之间是间隔一个第一磁钢41。换言之，第一磁钢41与第一转子齿142沿第一转子14的圆周方向的依序排列为第一磁钢41
‑
第一转子齿142
‑
第一磁钢41
‑
第一转子齿142，以此类推。同理，在一实施例中，第四磁钢44的数量与第二转子齿162的数量相同，相邻二个第二转子齿162之间是间隔一个第四磁钢44。换言之，第四磁钢44与第二转子齿162沿第二转子16的圆周方向的依序排列为第四磁钢44
‑
第二转子齿162
‑
第四磁钢44
‑
第二转子齿162，以此类推。
56.在一实施例中，定子12、第一转子14与第二转子16是同轴设置。定子12的上下两侧结构是对称设置，即定子12的上半部以及第二转子16与定子12的下半部以及第一转子14是镜像对称的。第二磁钢42与第三磁钢43位于同一个定子齿123的上下表面。借此设置，镜像对称的盘式永磁磁场调制电机10结构可以较大程度抵消定子12和两侧转子的单边磁拉力，同时也能进一步提高电机的转矩密度。在一实施例中，定子齿123的上下表面的磁钢的磁力线会通过定子轭124部。
57.请参阅图5，图5是本发明单个环形绕组的结构示意图。如图5所示，电枢绕组22可采用环形绕组。环形绕组是纵向嵌入定子槽126内，绕于定子轭124。由于定子齿123两侧的磁钢的磁力线都会通过定子轭124部，环形绕组将会匝链两侧的磁力线，相较于电枢绕组22绕于定子齿123的情况，可以节省更多铜线。此外，采用环形绕组还能够缩短电枢绕组22上下两端的高度，并且，无论是分布式绕组还是集中式绕组，都可以实现。特别是，此种电枢绕组22结构与中间的定子12、第一转子14、第二转子16相互搭配，能够进一步提高盘式永磁磁场调制电机10的效率。不过本案亦不限于此。电枢绕组22亦可采用上、下绕组等其它形式。
58.进一步说明，盘式永磁磁场调制电机10的槽极配合选择需满足以下公式:pa＝ns/2
±
pr。其中，pa为电枢绕组22的极对数，pr为转子的极对数，ns是定子槽126的数量。以第一
转子14为例，第一转子14上的相邻一个第一转子齿142与一个第一磁钢41为一对极。
59.在一实施例中，第一转子14与第二转子16可错开预设角度，此预设角度可以是错开1/3个定子齿123到2/3个定子齿123的距离，优选的，可以是错开半个定子齿123的距离，以抵消盘式永磁磁场调制电机10部分的不平衡力和齿槽转矩，降低盘式永磁磁场调制电机10的转矩脉动。
60.请参阅图6，图6是本发明各磁钢极性的示意图。需要说明的是，图中的箭头方向表示励磁方向，例如，向上箭头若是代表n极，则向下箭头代表s极。如图中所示，第一磁钢41与第二磁钢42的极性相同，第三磁钢43与第四磁钢44的极性相同，以提升盘式永磁磁场调制电机10的效率。
61.在一实施例中，如图7中所示，第一转子14与第二转子16上的各磁钢可以是halbach磁钢结构。也就是说，第一磁钢41、第二磁钢42、第三磁钢43以及第四磁钢44可以是halbach磁钢结构。通过halbach磁钢结构的设置，可以减少第一转子14与第二转子16的漏磁，提高磁钢的利用率，并改善转矩脉动。又，一实施例中，如图8所示，定子12侧的halbach结构可以是，第二磁钢42和第三磁钢43是与其相邻的定子槽126形成halbach阵列，以降低漏磁通，提高磁钢的利用率，并改善转矩脉动。
62.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的盘式永磁磁场调制电机10，借由定子齿123表面设置的磁钢，形成了一个具有调磁作用的类调磁环结构，可在单层气隙的情况下进行磁场调制，省去传统磁齿轮复合电机中的调磁环，简化结构。也省去了非直驱系统中的齿轮装置，免维修，转矩传输能力大，重量减轻，具有过载保护等优点。
63.此外，盘形的第一转子14与第二转子16可提供较大的散热面积，避免了由于电机高能量密度的设计使得单位体积的损耗和发热量增加，导致电机温度升高，造成转子部分温升大，从而导致转子磁钢性能降低甚至退磁的风险。
64.再者，第一转子14侧的第一磁钢41与定子12侧的第二磁钢42产生双向磁场调制的作用，都可为最后的输出转矩贡献作用，使得电机的转矩密度得到进一步的提高。同理，第二转子16侧的第四磁钢44与定子12侧的第三磁钢43亦是如此。
65.使用镜像对称的电机结构可以较大程度抵消定子12和两侧转子的单边磁拉力，同时也能进一步提高电机的转矩密度。使用的环形绕组，无论是在分布式绕组还是集中式绕组的情况下都可以大大减少铜线的使用量。
66.另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
67.尽管本文中较多的使用了诸如电枢绕组、定子齿、转子齿、谐波、磁场调制等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。