本发明涉及一种减速电机，具体涉及一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，属于复合激励电机。
背景技术：
1、随着电动汽车行业的快速发展，永磁电机得到了较为广泛的应用。上世纪80年代，研究人员发现了汝铁硼磁铁（ndfeb），这是一种具有高磁能积的永磁体。该永磁体成本相对较低，加工工艺简单，极大地提升了永磁电机的功率密度、转矩密度以及市场竞争力。但是，应用于电动汽车的常规集中驱动电机一般基于机械齿轮进行减速，因而存在较为明显的机械损耗。在此基础上，为了进一步提升电动汽车驱动系统在低速下的扭矩输出能力，有学者基于传统永磁电机提出了许多变体结构，如复合激励电机等。然而，由于受到材料、结构空间的制约，使得该类电机存在极间漏磁严重，转矩脉动大，功率因数低等缺陷。同时，由于其电负荷较高，需要较大容量的驱动器，因而增加了电驱系统的整体体积和成本。值得强调的是，当激励较强时，还会导致磁路易饱和，因而使得电机的扭矩放大能力受限。这不仅使得电机整体发热问题加剧，还将进一步限制复合激励电机的实际应用范围。除此之外，为了实现低速大扭矩输出，复合激励电机通常会采用较多的永磁体材料，这不仅会增加电机加工成本，同时还会降低永磁体利用率。
2、综上所述，可知复合激励电机的发展将因上述电磁缺陷和机械缺陷而受到制约。因此，需设计一种新型的复合激励电机，通过特殊的永磁结构和磁路结构来抑制极间漏磁，以提高永磁体利用率，并进一步提升电机相应的电磁性能，如更高的转矩密度，更低的转矩脉动以及更强的扭矩放大能力等。除此之外，还需要使该电机结构具备整体体积小，可靠性高，散热能力强，配套控制器成本低等特点，以适应更加广泛的市场应用环境。
3、但是，设计具有高转矩密度的复合激励电机在现阶段存在一定的技术困难。首先，高转矩密度复合激励电机的结构分配、设计难度较大。由于单级扭矩放大结构下的永磁电机通常为传统双激励结构，且受限于定、转子空间，因而其扭矩放大的能力有限。新型多激励电机虽能提高转矩密度，但是由于其励磁磁场组成成分较多，且含有较多干扰谐波分量，因而其部分电磁性能较差。在现阶段的很多应用场合中，都对电机的电磁性能有着较为明确的要求，若电机的转矩输出品质较差，则会降低该类电机的市场竞争力。进一步地，新型多激励电机为实现更大的转矩密度，通常具有更高的磁负荷与电负荷，并采用内定子外转子结构，但这将导致如下问题：1）电机永磁体用量增加，使得电机成本增加，并造成电机加工工艺复杂化；2）电机绕组增加将导致电机定、转子发热程度加剧，增加了电机的散热难度，使得电机永磁体出现不可逆退磁的风险加大；3）由于电机中存在多套绕组，将导致绕组结构复杂化，将挤压电机永磁体的设计空间，这便会在一定程度上降低电机的功率密度和转矩密度，并可能造成干扰谐波磁场之间产生耦合。其次，现阶段很难使永磁电机在低速大扭矩状态下同时兼顾其永磁体利用率与功率因数。这是因为，具有低速大扭矩特性的永磁游标电机往往会具有永磁体用量大，永磁体极对数多的特点。虽然永磁体用量较多能够在一定程度上增加磁负荷，但是也会加剧电机的漏磁现象，使得永磁体利用率下降。现有的解决方案有如下两种：1）通过增大电负荷来弥补因磁负荷不足而导致的转矩缺失。但是，这将导致电机的功率因数降低，因而使得其控制系统的容量增加，造成资源浪费，成本增加；2）采用机械齿轮进行进一步增矩，但这将使得电机的复杂程度增加，机械损耗增加，并导致其系统整体的可靠性下降。最后，现阶段永磁电机气隙磁场较为固定且不可调，因而其衍生出的电机结构扭矩放大系数为定值，即不可调整（通常为“单级扭矩放大”或“两级扭矩放大”）。进一步地，若基于应用场合的最高规格来设计电机结构，则可能导致成本浪费。因而，需要通过电机的结构设计使其放大系数可调（电磁调整方式而非机械调整方式），以增加其实际应用时的灵活性。
技术实现思路
1、本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，本发明所提出的结构所期望达到的效果为：在少稀土与无刷化的前提下，优化电机电磁性能，实现多级扭矩放大效果与多级减速效果，并能够使扭矩放大效果可调控。除此之外，该结构的定子、转子以及绕组结构简单，易于加工。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于复合激励结构下的多级扭矩放大自减速电机，所述减速电机包括一级动力部分，二级动力部分和同心轴，其中，一级动力部分用于将电能转换为机械能，二级动力部分用于机械能传递并实现最终输出，同心轴位于在一级动力部分和二级动力部分之间，用于两者之间的动力衔接。其中，一级动力部分从内至外依次为转子，定子和定子铝壳。二级动力部分从内至外依次为内层转子，调制环，外层转子和转子铝壳。
3、作为本发明的一种改进，定子中的定子齿分为大齿和小齿。在结构尺寸上，大齿略宽于小齿，并略长于小齿。在功能上，大齿主要为复合功能绕组中的交流激励部分构造路径，小齿主要为复合功能绕组中的直流激励部分构造路径。该方案采用了“大小齿结构”，为复合功能绕组中的直流激励部分和永磁体激励部分所产生的励磁磁路提供合理的闭合路径。
4、作为本发明的一种改进，定子外侧设计有定子铝壳，并通过固定模块进行连接与固定。其中，固定模块中设置有一种燕尾式咬合结构，相邻的固定模块之间相隔了一定的距离，这为鼓绕组在定子外侧的导体预留了空间。
5、作为本发明的一种改进，定子中只有一套绕组，即复合功能绕组。值得强调的是，复合功能绕组为鼓绕组结构，该绕组的线圈一部分导体在定子槽内，另一部分导体在定子外侧，并以大齿和小齿作为间隔，按顺序绕制在定子的轭部。该绕组端部空间小，因而可减少电机轴向的预设空间，简化安装流程，降低端部绕组铜损，有效增加定子槽空间利用率。除此之外，与传统绕组不同，复合功能绕组中有两种激励即直流激励部分与交流激励部分，具有两种功能。其中，该绕组中的直流激励部分负责对电机的励磁能力进行调节，交流激励部分则负责进行直接转矩输出。不同于常规永磁电机，直流激励部分产生的是静止磁场，转子永磁体产生的是旋转磁场，但二者在能在本电机结构中进行耦合。除此之外，由于复合功能绕组的每极每相槽数大于1，因而能够有效滤除气隙磁场中高阶谐波。
6、作为本发明的一种改进，转子包括弧形永磁体和铁心，弧形永磁体外侧为弧形结构，内侧为线形结构，该结构能够在不增加永磁体用量的前提下增加电机的磁路聚集能力，即提升永磁体利用率，进一步地，弧形永磁体两侧设有转子隔磁槽口，此外，由于所有弧形永磁体极性相同，因而需要位于其两侧的铁心为其所产生的磁通提供回路。此外，弧形永磁体个数等于转子极对数，直流激励的极对数为定子齿数的二分之一，交流激励的极对数则等于与之差，大于。
7、作为本发明的一种改进，二级动力部分从内到外依次为内层转子，调制环，外层转子和转子铝壳。所述转子铝壳通过二级动力部分燕尾式咬合结构与外层转子以间隙装配的形式组合在一起。所述外层转子与内层转子均采用内嵌式永磁结构，中间设置有不可旋转的调制环，调制环由硅钢片叠压后进行激光焊固定。
8、作为本发明的一种改进，内层转子与外层转子均采用了内嵌式永磁结构。相邻的外层永磁体由外层铁心进行隔离，相邻内层永磁体由内层铁心进行隔离。内层转子与外层转子中的永磁体极性均为单极性，因而能够在保证极对数不变的条件下降低永磁体用量，实现少稀土化。此外，所有的外层永磁体与内层永磁体均为相同极性，因此外层铁心和内层铁心为永磁体构造的磁路能够规避不可逆退磁风险。所有的外层永磁体外侧设有外隔磁槽口，所有的内层永磁体外侧设有内隔磁槽口。该结构能够有效抑制极间漏磁现象，并提升转矩、功率密度。
9、作为本发明的一种改进，外层转子极对数等于外层永磁体的永磁体个数，内层转子极对数等于内层永磁体的永磁体个数，外层永磁体的永磁体个数、内层永磁体的永磁体个数以及调制环中的调制块数的关系需满足：。
10、作为本发明的一种改进，一级动力部分的转子和二级动力部分的内层转子通过同心轴进行连接，在同心轴轴身上，设有同心轴定位凸起，能够与转子和内层转子中的第一定位槽，第二定位槽进行咬合，从而保证一级动力部分能够向二级动力部分进行有效动力传递。
11、相对于现有技术，本发明具有如下优点，
12、1）能够实现一种较为灵活的“三级扭矩放大”效果。通常的非接触式扭矩放大器的扭矩放大效果为“单级扭矩放大”或“两级扭矩放大”。传统的“单、两级扭矩放大”结构，其原理是通过将定子齿结构和调制块合二为一，或再配上机械行星齿轮，以达到扭矩放大的目的。但是，这将导致电机内部结构过于复杂。同时，“单级扭矩放大”的电机结构通常采用内定子外转子结构，这也不利于进行结构设计。本发明所提出的结构则通过复合功能绕组中的直流激励，“大小齿结构”以及二级动力部分实现三次增矩效果，并去掉了机械传动部分（非接触式），且由于直流绕组中的电流可调，使得电机的扭矩放大能力可控。
13、2）能够实现一种较为灵活的“自减速”效果。通常的减速器为机械行星齿轮结构,但是，这将导致电机的机械损耗增大，效率降低，并导致其长时间运行下的可靠性下降。本发明所提出的拓扑则基于场调制理论设计而来，通过“大小齿结构”以及二级动力部分实现两次减速效果，去掉了机械传动部分，降低损耗，能够有效缓解变频器的工作压力。
14、3）在一级动力部分中采用了一种弧形永磁结构，该结构能够在不改变永磁体用量的条件下，优化永磁励磁源，提升永磁体利用率。此外，与常规永磁电机不同，本发明中的所有弧形永磁体极性均相同，即其转子极对数等于永磁体的个数。
15、4）该电机设计了一套具有复合功能的定子绕组，该绕组激励中同时存在直流激励部分和交流激励部分。值得强调的是，该复合功能绕组采用了一种新型的鼓绕组结构。这样的绕组结构设计既能够使两种激励所产生的磁场有效耦合，同时还能有效降低其端部绕组的体积，简化安装成本，并减少电机轴向长度。
16、5）一级动力部分中固定模块的内外侧设有一级动力部分燕尾式咬合结构，能够将定子和定子铝壳进行固定。值得强调的是，由于铝壳本身是优秀的隔磁材料，因而该结构可以有效地提升电机的结构刚度，且不会对原有磁路产生任何影响。此外，由于固定模块中各相邻模块之间存在着一定距离，这使得嵌线工作更加容易。同时，还可利用上述空间，通过采取强制风冷等手段对电机进行有效散热，从而解决了其定子侧发热问题。
17、6）二级动力部分中的外层转子和内层转子中所有永磁体均为同极性（永磁体的个数等于转子的极对数），能降低电机永磁体用量，增加永磁体利用率，并简化该部分加工、组装难度。此外，由于内、外层转子中的永磁体均为同极性，这将有效规避永磁体出现退磁的风险。
18、7）在一级、二级动力部分中，其转子中的永磁体两侧均设计了隔磁槽口结构，能够有效降低极间漏磁，并达到提升转矩密度的效果。