一种复合型磁场调制磁力联轴器的制作方法

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种复合型磁场调制磁力联轴器。

背景技术：

随着不可再生能源的逐步消耗，新能源技术的发展受到越来越多的重视。风电，由于其丰富的全球风能储量以及清洁和可再生性而受到电力行业的重视，并被运用到电力生产的环节中。在传统的风力发电系统中，往往需要机械齿轮箱将风叶的大转矩低转速转化为高转速、低转矩的出力，进而作用在发电机上；由于风速的不稳定性，导致发电机的转速会有波动，进而影响了发电频率的稳定性，需要逆变器进行整流逆变以获得与电网频率相同的电能。

传统的风力发电系统，存在故障频繁的问题，实际的生命周期远不到设计的20年，并且维护运行成本高昂，使得风电行业的发展陷入瓶颈期。有关数据表明，超过75％的故障是由于机械齿轮箱以及逆变器引起。首先，机械齿轮箱是机械装置，在运行过程中由于频繁的机械碰撞，极易发生裂齿、错齿等故障，需要进行定期润滑，但这无疑会增加维护运行成本；其次，逆变器属于精密仪器，其中的晶体管等电子器件对于运行环境的要求极其严苛，不可在高湿度、腐蚀性强的环境中长期工作。以上两点都使得工作在风能资源丰富地区，例如高山、远海地区的风电系统面临维护成本高昂、可靠性差的问题。

目前，磁场调制永磁联轴器装置已被提出，如图1所示。该装置包含两个转子，和一个位于中间的定子。定子由导磁块和非导磁材料沿圆周间隔排列构成。外转子内表面贴有永磁体，相邻永磁体极性相反，内转子外表面安置了铜环。该装置外转子与风叶输出轴相连，内转子与发电机转轴相连，可以同时实现增速和恒频的功能，从而取代传统系统中机械齿轮以及逆变器。但该装置最显著的问题在于，当运用于高功率级风力发电时，装置尺寸较大，此时高增速比与快速动态响应不可同时兼得。高增速比会导致转子所受转矩产生大幅波动，从而影响系统的稳定性；而采取较小的增速比，会导致发电机的尺寸相应设计的偏大，机械响应速度慢。因此这个装置无法应用到高功率级别风力发电机中，同时功率密度也远不及磁齿轮。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合型磁场调制磁力联轴器，旨在解决现有的磁场调制磁力联轴器的增速比越高，不稳定因素越显著的技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合型径向磁场调制磁力联轴器，包括同轴套设的两个定子和三个转子，径向从外到内依次为外定子、外转子、中间转子、内定子和内转子；外定子内表面嵌有永磁体，相邻永磁体的极性相反；外转子由导磁块和不导磁块沿圆周均匀地、交替构成封闭的环形结构，又称为调制环；中间转子为spoke结构的永磁阵列，由永磁体与相邻的导磁块沿圆周方向交替排列构成，永磁体充磁方向沿圆周切向；内定子为静止的导磁块阵列，导磁块阵列由独立的导磁块与不导磁材料沿圆周交替构成，每个导磁块相距一定的距离，沿圆周均匀分布，导磁块间充斥着不导磁材料，常见的如空气；内转子由导磁材料构成，外表面安置铜环。

进一步地，外定子的永磁体极对数pr1，外转子导磁块数zs1，中间转子永磁体极对数pr2，内定子导磁块数zs2满足如下的关系：

pr1±pr2＝zs1

与传统单个定子和双转子的磁场调制磁力联轴器相比，本发明将外定子和外转子组成的磁齿轮与内定子和内转子组成的磁场调制磁力联轴器通过spoke永磁体阵列的中间转子实现机械耦合，但是磁路上是相互隔离的，因此不会在性能上相互影响。由外定子、外转子和中间转子构成的磁齿轮具有极高的转矩密度和高增速比，磁齿轮通过中间转子将转矩传递到由中间转子、内定子和内转子构成的磁场调制磁力联轴器，实现进一步的增速以及恒频作用。

本发明还提供了一种复合型轴向磁场调制磁力联轴器，包括同轴套设两个定子和三个转子，轴向从外到内依次为外定子、外转子、中间转子、内定子和内转子；外定子内表面嵌有永磁体，相邻永磁体的极性相反；外转子由导磁块和不导磁块沿圆周均匀地、交替构成封闭的环形结构，又称为调制环；中间转子为spoke结构的永磁阵列，由永磁体与相邻的导磁块沿圆周方向交替排列构成，永磁体充磁方向沿圆周切向；内定子为静止的导磁块阵列，导磁块阵列由独立的导磁块与不导磁材料沿圆周交替构成，每个导磁块相距一定的距离，沿圆周均匀分布，导磁块间充斥着不导磁材料，常见的如空气；内转子由导磁材料构成，外表面安置铜环。

进一步地，外定子的永磁体极对数pr1，外转子导磁块数zs1，中间转子永磁体极对数pr2，内定子导磁块数zs2满足如下的关系：

pr1±pr2＝zs1

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明结合了磁齿轮极高转矩密度以及磁场调制磁力联轴器变速恒频的优点，理论上，将磁齿轮中永磁体较少的转子与磁场调制磁力连轴器的永磁转子设计成相同的极对数，可以实现两者在机械结构上的结合，并且两个结构的工作磁场并不相互干扰，中间转子采取spoke式永磁阵列，永磁体沿圆周方向切向充磁，在中间转子两侧的气隙内分别产生磁场，经过外转子和内定子的调制作用产生不同极对数的工作磁场。由于不同极对数的磁场不会相互产生作用，因此中间转子的两侧的磁路是被隔离的；

2、本发明中提出的中间转子的spoke型永磁阵列，其具有聚磁作用，每块导磁块两边有充磁方向相反的两块永磁体，两块永磁体产生的磁链共同作用，经过导磁块，在气隙中产生某个方向上的径向磁场，相比于表贴式的永磁体，某个方向上的径向磁场只由一块永磁体产生，该结构可以有效的增大气隙中的磁场强度，可以有效提高中间转子两侧气隙中的磁场强度，从而进一步提升转矩传输能力，更适用于高功率级风电系统中；

3、本发明提出的外定子、外转子和中间转子共同构成的磁齿轮结构具有很高的增速比，可以将低速的输入转矩有效的转换为较高转速的中低转矩输入，由中间转子、内定子和内转子构成的磁场调制磁力联轴器可以进一步的提升和稳定转速，因此本发明具有很高的增速比，从而使后续发电机的设计体积获得极大的缩减，降低整个系统的体积与造价成本；

4、本发明提出的复合型磁场调制磁力联轴器中，内转子位于最内侧，具有较小的转矩惯量，因此机械响应速度高，这有助于系统平稳、快速的启动以及响应转速波动，同时，由于外侧的磁齿轮结构具有很大的增速比，因此内侧的磁场调制磁力连轴器的增速比并不需要很大，这也就规避了其在大功率场合下，高增速比会带来转矩不稳定、动态响应差的问题，因此，本发明具有快速响应能力和高稳定性。

附图说明

图1是现有传统磁场调制磁力联轴器的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的复合型径向磁场调制磁力联轴器的结构示意图；

图3为本发明实例1提供的复合型径向磁场调制磁力联轴器中的外转子结构细节示意图；

图4为本发明实例1提供的复合型径向磁场调制磁力联轴器中的中间转子结构细节示意图；

图5为本发明实例1提供的复合型径向磁场调制磁力联轴器中的内转子结构细节示意图；

图6是本发明实施例2提供的复合型轴向磁场调制磁力联轴器的结构示意图；

附图标注：

1、外定子，2、外转子，3、中间转子，4、内定子，5、内转子，6、转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

图1为传统的磁场调制磁力联轴器结构示意图，包括外转子2，内定子4，内转子5，以及转轴6。所有的定子与转子结构都是同轴。外转子2由导磁材料构成，其内表面安装有径向充磁的永磁体，相邻两个永磁体的励磁方向是相反的；内定子4为导磁块阵列，沿圆周方向均匀分布，间隙中充斥着不导磁材料，如最常见的空气；铜环安装在内转子5的表面，内转子5由导磁材料组成。

图2为本发明实施例1提供的一种复合型径向磁场调制磁力联轴器结构示意图，包括外定子1，外转子2，中间转子3，内定子4，内转子5以及转轴6。外定子1内表面安装了永磁体，永磁体径向充磁，相邻磁体的充磁方向相反。外转子2由导磁材料构成的导磁块以及不导磁块沿圆周均匀、交替构成封闭的环形结构，又称为调制环，如图3所示。在本实施例中，外转子2与风叶输出轴相连。中间转子3为沿圆周方向均匀分布的导磁块(例如硅钢块)以及永磁体间隔构成，如图4所示，每块导磁块间的永磁体沿圆周切向励磁，且n极，s极交替排列。内定子4为导磁块阵列，每个导磁块沿圆周均匀分布，间隙间充斥着不导磁材料，例如空气。内转子5外表面安装有铜环，如图5所示。转轴6，在本实施例中与发电机转轴相连。

本发明中外定子1永磁体极对数pr1，外转子2调制块数zs1，中间转子3永磁体pr2，内部定子4调制块数zs2存在多种可能性，但需满足如下的关系：

pr1±pr2＝zs1

本实施例中的外定子1有60块永磁体(极对数为30)，外转子2有36块导磁块，中间转子4有8块导磁块。

在实施例1中采取的是径向结构，也可以采取轴向结构，即实施例2，结构示意图如图6所示，基本工作原理与径向一致，不同之处仅仅是磁场方向由径向分布变为了轴向分布。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。