专利名称：直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机，是将双定子空心转子结构的新型永磁电机与磁性齿轮传动技术融为一体，从而直接实现电能和低转速大力矩机械能相互转换的新型直驱式复合永磁电机，可直接取代常规的机械传动变速系统，广泛应用于风力发电、水力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。
背景技术：
在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与常规交流电能的相互转换，比如风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转 换成电能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将常规的电能变换成转速很低而力矩很大的机械能。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，传统的方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来机械齿轮传动技术的基本形式没有变化，即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进行传动。这就给齿轮传动带来了一些不可消除的问题，如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等，尽管可以采用油脂润滑技术，但以上问题依旧无法根除，导致使用维护极其繁琐，而且机械式齿轮传动的理论效率最多也只能达到85%，而常规高变速比的机械齿轮变速系统传动效率更低、噪声更大、可靠性很差，整个传动系统体积大。固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需要在更宽转速范围的多级、分档调速机构结构复杂，无法适应越来越多的无级变速的传动技术要求。近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破,2004年英国工程师从理论和样机的具体实践上完成了一种新型径向磁场磁性齿轮的设计工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域；但是，英国人提出的磁性齿轮结构采用传递力矩相对较小的径向磁场结构，这种径向磁场结构的磁性齿轮所传递的功率密度和力矩密度都不及横向磁场结构的磁性齿轮。2010年国内的上海大学在承接的国家“863”高科技项目(2007AA05Z233)中也提出了把磁性齿轮传动技术与永磁电机融为一体的设计方案并试制出首台复合电机的原形样机，但该设计方案也仅仅是把径向磁场的磁性齿轮和径向磁场的永磁电机在结构上进行了简单的一体化组合，从电磁场理论来看该永磁电机磁路与磁性齿轮磁路还未突破径向磁场的磁路结构概念，使得复合电机具有3个相互关联且相互影响的气隙磁场，从而增加了昂贵的稀土材料的单位消耗量，从电机驱动来讲只有把磁性齿轮磁路与永磁电机磁路进行结构上解藕才可以提高单位材料所传递的功率和力矩密度。而且，对稀土永磁电机部分来讲，按传统电机惯例简单地采用稀土材料代替电励磁发电机转子绕组，而不从电机结构上进行突破和创新，也并不能充分而彻底地利用稀土材料传送高能量密度的优点
发明内容
针对现有旋转电机技术、机械式齿轮传动技术在应用上存在的问题，以及最新的磁性传动技术的不足之处，本技术发明突破单纯的径向磁场结构的复合永磁电机限制，利用业已取得的双定子发电机专利技术结构(ZL 201020624307. 6)及横向磁场的磁性传动齿轮副(201120177813. X)的有效组合，使横向磁场磁性齿轮的磁路与径向磁场双定子永磁电机磁路分离，提供了一种高转速气隙旋转磁场通过电磁感应和永磁耦合而直接实现电能与低转速大力矩机械能相互转换的直接驱动永磁电机新结构。本发明的基本构思是由圆盘形状的磁性传动齿轮副I、双定子结构永磁电机II复合组成一体化结构，利用横向磁场的磁性传动齿轮副I来实现高速和低速机械动能的变速传动；并利用径向磁场的双定子结构永磁电机II来实现机电能量转换,其磁路结构为空心永磁转子的两异极性永磁极间直接串联内、外两台定子而构成闭合磁路，三者之间呈径向同心式结构且存在两个气隙。气隙磁场为高速旋转磁场；发电机工况两套绕组可同时对外输出电能，电动机工况通过控制输入两套绕组的电流、电压及频率实现低速大力矩输出的无级变速传动要求。 以下结合图I、图2和图3来说明这种直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机的技术特征，图中项I为前端盖，项2为调磁栅支架，项3为铁磁导磁极，项4为轴承一，项5为低速轮转轴，项6为低速永磁体磁极，项7为轴承二，项8为低速轮盘，项9为高速永磁体磁极，项10为空心转子前盖，项11为极间拉杆，项12为螺栓，项13为机壳，项14为轴承三，项15为内定子支撑轴，项16为后端盖，项17为空心转子后盖，项18为空心转子端环，项19为外定子绕组，项20为外定子铁芯，项21为磁极圆环铁芯，项22为电机永磁体，项23为内定子铁芯，项24为内定子绕组。另外，图中字母符号标识N表示极性N的永磁体，S表示极性S的永磁体，I表示虚线框内的磁性传动齿轮副，II表示虚线框内的双定子结构永磁电机，Zg表不铁磁导磁极3的导磁极数,nr表不高速轮的空心转子前盖10的转速,即空心永磁转子的转速，^表示低速轮转轴5的转速Jp1 表示高速轮永磁体磁极9的极数，2ps表示低速轮永磁体磁极6的极数，2pm表示双定子永磁电机的空心转子极数。(一 )、直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机由圆盘形状的磁性传动齿轮副I、双定子结构永磁电机II复合组成,并与前端盖I、后端盖16、机壳13、轴承一 4、轴承二 7、轴承三14等结构零件装配集成为一整体；( 二)、直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机的磁性传动齿轮副I的低速轮、高速轮呈扁平的圆盘形状，低速轮盘8上装配2ps个低速永磁体磁极6，空心转子前盖10上装配2 个高速永磁体磁极9构成磁性传动齿轮副I的高速轮，低速轮与高速轮之间装配有起调制气隙磁场作用的调磁栅支架2和Zg个铁磁导磁极3且彼此间均有气隙，三者之间通过气隙平面的横向磁场耦合，彼此间无机械接触和摩擦且成同轴线分布；低速轮转轴5的转速ns和力矩Ts、高速轮的空心转子前盖10的转速I和力矩I；、磁性传动齿轮副I的传动效率η、铁磁导磁极3的导磁极数Zg、低速轮永磁体磁极6的极对数Ps、高速轮永磁体磁极9的极对数h满足以下关系约束
权利要求
1.直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机，其特征是 一、直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机由·圆盘形状的磁性传动齿轮副(I)、双定子结构永磁电机(II)复合组成,并与前端盖(I)、后端盖(16)、机壳(13)、轴承一(4)、轴承二(7)、轴承三(14)等结构零件装配集成为一整体； 二、直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机的磁性传动齿轮副(I)的低速轮、高速轮呈扁平的圆盘形状，低速轮盘(8)上装配2ps个低速永磁体磁极￠)，空心转子前盖(10)上装配2 个高速永磁体磁极(9)构成磁性传动齿轮副⑴的高速轮，低速轮与高速轮之间装配有起调制气隙磁场作用的调磁栅支架(2)和；个铁磁导磁极(3)且彼此间均有气隙，三者之间通过气隙平面的横向磁场耦合，彼此间无机械接触和摩擦且成同轴线分布；低速轮转轴(5)的转速ns和力矩Ts、高速轮的空心转子前盖(10)的转速&和力矩I；、磁性传动齿轮副(I)的传动效率Π、铁磁导磁极(3)的导磁极数Zg、低速轮永磁体磁极(6)的极对数Ps、高速轮永磁体磁极(9)的极对数满足以下关系约束
2.根据权利要求I所述的直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机，其特征是在电机前端装有圆盘形状的磁性传动齿轮副(I)，该磁性传动齿轮副(I)由低速轮转轴(5)、低速轮盘(8)、低速永磁体磁极(6)、调磁栅支架(2)和铁磁导磁极(3)、高速永磁体磁极(9)、空心转子前盖(10)所构成；低速轮盘⑶上装配的2ps个低速永磁体磁极(6)按N极、S极间隔排列的方式分布，空心转子前盖(10)上装配的2 个高速永磁体磁极(9)同样按N极、S极间隔排列的方式分布，低速轮盘(8)、空心转子前盖(10)采用导磁的钢材制作；调制气隙磁场作用的调磁栅支架(2)由非导磁的不锈钢材料加工成型，并与机壳(13)紧配合连接，调磁栅支架(2)上沿周向均匀分布有Zg个辐射状扇形孔，扇形孔中紧配合压入铁磁导磁极(3)，铁磁导磁极(3)由电工纯铁薄板经冲压、铆焊并精加工成型；铁磁导磁极(3)、低速永磁体磁极(6)、高速永磁体磁极(9)三者的径向长度应相等，电机通过低速轮转轴(5)与外部动力装置或负载机械连接从而传递低转速大力矩动能，所传递的机械功率正比于永磁体的体积和永磁材料的单位磁能积的乘积。
3.根据权利要求I所述的直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机，其特征是圆桶形的空心永磁转子异极性永磁体磁极之间无转子磁轭铁芯连接磁路，电机永磁体(22)为平板式结构并内嵌入由铁磁材料制成的磁极圆环铁芯(21)的磁钢槽内，磁体排列方式为多片同极性磁体组成一个磁极，磁路为同极性磁体并联、异极性磁体串联的复合磁路结构，组成每个磁极的同极性磁体并联个数与尺寸决定于电机磁极数和极弧系数、气隙磁通量以及永磁体制造工艺要求；磁极圆环铁芯(21)采用硅钢薄钢板冲压成整圆环状，其上分布有磁钢槽、极间拉杆方孔，圆环状冲片经叠压后在两端由空心转子端环(18)与2pm个极间拉杆(11)铆焊成一整体空心转子铁芯，采用精车加工出转子铁芯内外圆及两端定位止口，空心转子端环(18)和极间拉杆(11)都用非导磁的不锈钢材料制作；空心转子铁芯两端装配空心转子前盖(10)、空心转子后盖(17)，前、后盖由止口定位且由螺栓(12)紧固于极间拉杆(11)的螺纹孔上，前、后盖经滚动轴承三(14)与内定子支撑轴(15)连接。
4.根据权利要求I所述的直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机，其特征是外定子铁芯(20)与内定子铁芯(23)采用硅钢薄钢板冲压成形后经叠压、铆焊成一整体，夕卜定子铁芯(20)紧配合压入机壳(13)，内定子铁芯(23)紧配合压入内定子支撑轴(15)，内定子支撑轴(15) —端与后端盖(16)、另一端与调磁栅支架(2)精确定位连接；外定子铁芯内圆及内定子铁芯外圆都均匀分布有绕组嵌线槽，并分别装有两套相互独立的三相对称的外定子绕组(19)和内定子绕组(24);发电机工况两套绕组对外输出电能，电动机工况通过控制输入两套绕组的电流、电压及频率实现低速大力矩输出的无级变速传动要求。
全文摘要
直驱式磁性传动与双定子结构的复合永磁电机，是将双定子空心转子结构的新型永磁电机与磁性齿轮传动技术融为一体，以直接实现电能和低转速大力矩机械能相互转换的新型直驱式复合永磁电机，可广泛应用于风力发电、水力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。其特征是由圆盘形状的磁性传动齿轮副I、双定子结构永磁电机II复合组成一体化结构，利用横向磁场的磁性传动齿轮副I来实现高速和低速机械动能的变速传动；并利用径向磁场的双定子结构永磁电机II来实现机电能量转换，其磁路结构为空心永磁转子的两异极性永磁极间直接串联内、外两台定子而构成闭合磁路，三者之间呈径向同心式结构且存在两个气隙。
文档编号H02K16/04GK102957260SQ20111026309
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者余虹锦 申请人:余虹锦