专利名称：径向-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-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-径向磁场调制型无刷复合结构电机。本发明径向-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径向转矩调节电机的转子轴，所述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 ；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
4气隙L2，[ooog] 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、p为正整数；
第一永磁转子由第一永磁转子铁心和2n个第一永磁体单元构成，2n个第一永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列，2n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的充磁方向相反，第一永磁转子旋转时，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p—hn+kq关系式成立，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l是实施方式一和二的结构示意 图2是图l的A—A剖视 图3是实施方式三的结构示意 图4是图3的B—B剖视 图5是实施方式四的结构示意 图6是图5的C—C剖视 图7是实施方式五的结构示意 图8是图7的D—D剖视 图9是实施方式六的结构示意 图lo是图9的E—E剖视 图11是实施方式七的结构示意 图12是图11的F—F剖视 图13是实施方式八的结构示意 图14是图13的G—G剖视 图15是实施方式九的结构示意 图16是图15的H—H剖视 图17是实施方式十的结构示意图18是图17的I-I剖视图；图19是实施方式十一的结构示意图；图20是图19的J-J剖视图；图21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21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同时作为径向转矩调 节电机的转子轴，所述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 ；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，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调制环转 子输出轴9均勻分布，第二定子绕组11-2分别嵌入所述槽内形成m'相绕组，m'为正整 数；第二永磁转子12由第二永磁转子铁心12-2和2r个第二永磁体单元12_1构成， 第二永磁转子铁心12-2固定在调制环转子输出轴9上，2r个第二永磁体单元12_1沿圆周 方向均勻分布排列，2r个第二永磁体单元12-1嵌入第二永磁转子铁心12-2内部或固定在 第二永磁转子铁心12-2的外圆表面上，相邻两块第二永磁体单元12-1的充磁方向相反，r 为正整数；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|关系式成立，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-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。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' S = -(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Q1满足关系式
权利要求
径向 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)同时作为径向转矩调节电机的转子轴，所述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；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|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
2.根据权利要求1所述的径向-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)按以下四种方式中的任意一种进行设置第一种第一永磁体单元(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；第二种第一永磁体单元(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；第三种第一永磁体单元(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；第四种第一永磁体单元(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。
3.根据权利要求1所述的径向-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。
4.根据权利要求1所述的径向-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。
5.根据权利要求1所述的径向-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。
6.根据权利要求1所述的径向-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，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调制环转 子输出轴(9)均勻分布，第二定子绕组(11-2)分别嵌入所述槽内形成m'相绕组，m'为正 整数；第二永磁转子(12)由第二永磁转子铁心(12-2)和2r个第二永磁体单元(12_1)构成， 第二永磁转子铁心(12-2)固定在调制环转子输出轴(9)上，2r个第二永磁体单元(12_1) 沿圆周方向均勻分布排列，2r个第二永磁体单元(12-1)嵌入第二永磁转子铁心(12-2)内 部或固定在第二永磁转子铁心(12-2)的外圆表面上，相邻两块第二永磁体单元(12-1)的 充磁方向相反，r为正整数。
7.根据权利要求6所述的径向-径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，第二 永磁体单元(12-1)按以下四种方式中的任意一种进行设置第一种第二永磁体单元(12-1)设置在第二永磁转子铁心(12-2)的外圆表面上，第二 永磁体单元(12-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁；第二种第二永磁体单元(12-1)嵌入设置在第二永磁转子铁心(12-2)的外圆表面内， 第二永磁体单元(12-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁；第三种第二永磁体单元(12-1)的横截面为矩形，2r个第二永磁体单元(12-1)以调 制环转子输出轴(9)为中心在第二永磁转子铁心(12-2)的内部放射状分布，第二永磁体单 元(12-1)的充磁方向为沿切向平行充磁；第四种第二永磁体单元(12-1)的横截面为矩形，2r个第二永磁体单元(12-1)在永 磁转子铁心(12-2)的内部以调制环转子输出轴(9)为中心均布，每相邻两个第二永磁体单 元(12-1)的夹角为360° /2r，第二永磁体单元(12-1)的充磁方向为沿径向平行充磁。
8.根据权利要求6所述的径向-径向磁场调制型无刷复合结构电机，其特征在于，每个 第二永磁体单元(12-1)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，2r个V字形的第二永磁体单元(12-1)以调制环转子输出轴(9)为中心均布在第二 永磁转子铁心(12-2)的内部，V字形的开口沿径向朝外开口。
全文摘要
径向-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，从而使系统体积笨重、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；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，满足负载的实际转矩需求，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H02K1/16GK101938199SQ201010274160
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者佟诚德, 白金刚, 赵静, 郑萍, 闫海媛, 隋义 申请人:哈尔滨工业大学