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一种磁场调制式电机

阅读:323发布:2021-02-28

IPRDB可以提供一种磁场调制式电机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及一种磁场调制式电机,其特征在于:包括定子(1)、转子(2),在所述定子(1)与所述转子(2)之间设有调磁导条(3),在所述定子(1)与所述调磁导条(3)端面之间设有定子气隙L1,在所述转子(2)与所述调磁导条(3)端面之间设有转子气隙L2,所述定子(1)的轴线A与所述转子(2)的轴线B不在同一条直线上,所述定子(1)得电后与所述转子(2)之间通过耦合磁场产生的力矩使得所述转子(2)转动,本发明该磁场调制式电机定转子可以设置为非同轴式结构,轴线不需要在同一直线上,拓宽了电机的使用方式,结构灵活,易于实现布置和装配。,下面是一种磁场调制式电机专利的具体信息内容。

1.一种磁场调制式电机,其特征在于:包括定子(1)、转子(2),在所述定子(1)与所述转子(2)之间设有调磁组件(3),在所述定子(1)与所述调磁组件(3)端面之间设有定子气隙L1,在所述转子(2)与所述调磁组件(3)端面之间设有转子气隙L2,所述定子(1)的轴线A与所述转子(2)的轴线B不在同一条直线上,所述定子(1)得电后与所述转子(2)之间通过耦合磁场产生的力矩使得所述转子(2)转动。

2.根据权利要求1所述的磁场调制式电机,其特征在于:在所述定子(1)外侧设有用于安装固定所述定子(1)的定子机壳(4),在所述转子(2)外侧设有用于安装固定所述转子(2)的转子机壳(5),所述调磁组件(3)包括在所述定子机壳(4)上的第一导磁结构端部(31),设在所述转子机壳(5)上的第二导磁结构端部(32),设在所述第一导磁结构端部(31)和所述第二导磁结构端部(32)之间的中间调磁管(33),在所述中间调磁管(33)中充入有导磁粉末或导磁流体。

3.根据权利要求1所述的磁场调制式电机,其特征在于:所述调磁组件(3)包含多根由非晶合金或低碳钢等导磁性和机械加工性能好的材料制成的导磁条,所述导磁条在空间上间隔均匀分布,所述导磁条为弧线型或直线型。

4.根据权利要求3所述的磁场调制式电机,其特征在于:在所述定子(1)外侧设有用于安装固定所述定子(1)的定子机壳(4),在所述定子机壳(4)上设有用于安装固定所述调磁组件(3)一端的第一卡盘(61),在所述转子(2)外侧设有用于安装固定所述转子(2)的转子机壳(5),在所述转子(2)中间伸出有转轴(24),在所述转轴(24)和所述转子机壳(5)之间设有轴承(7),在所述转子机壳(5)上设有用于安装固定所述调磁组件(3)另一端的第二卡盘(62)。

5.根据权利要求1所述的磁场调制式电机,其特征在于:所述定子(1)包括定子背铁(11),设在所述定子背铁(11)上的多个绕组支撑(12),设在所述绕组支撑(12)上的绕组线圈(13),所述转子(2)包括转子背铁(21),设在所述转子背铁(21)上的永磁体(22)。

6.根据权利要求5所述的磁场调制式电机,其特征在于:在所述转子背铁(21)上设有用于支撑所述永磁体(22)的支撑架(23)。

7.根据权利要求2所述的磁场调制式电机,其特征在于:所述定子(1)的极对数为p1,所述转子(2)的极对数为p2,所述调磁组件(3)之中所述调磁管(33)根数为ns,为实现定、转子侧气隙磁场相互耦合应满足如下条件:ns=p1+p2

相比于定转子极对数相同的情况,该电机结构可产生的转矩传动比G大小为:

8.根据权利要求1所述的磁场调制式电机,其特征在于:所述定子气隙L1的宽度范围:

0.3mm<L1<3mm,所述转子气隙L2的宽度范围:0.3mm<L2<3mm。

9.根据权利要求7所述的磁场调制式电机,其特征在于:所述定子(1)的极对数p1为正整数,其范围:2≤p1≤6,所述转子(2)的极对数p2为正整数,其范围:4≤p2≤16。

说明书全文

一种磁场调制式电机

【技术领域】

[0001] 本发明专利涉及一种磁场调制式电机。【背景技术】
[0002] 稀土永磁电机具有结构简单,运行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高等显著优点,因而应用范围极为广泛。其中,许多应用场合需要电机高效运行于低转速区间,同时输出足够大的电磁转矩,一般在工业上通常采用机械齿轮箱匹配原动机与负载之间的转矩和转速变比,但是机械齿轮的引入会带来诸如噪声、磨损、润滑、维护、成本等方面的劣势。为了避免以上诸多不利因素的出现,人们开始采用永磁电机直驱技术替代电机和机械齿轮的组合。
[0003] 直驱式永磁电机要实现低速大转矩,需增加永磁体极对数,增大电机体积。前者虽能有效降低电机转子的机械转速,但控制器电流频率随之升高,控制器损耗和电机铁损耗加大;后者虽能在一定程度上增大永磁电机输出转矩,但体积增大后,电机转矩密度降低明显。为解决上述问题,产生了集磁场调制式磁齿轮与永磁无刷电机为一体的磁力变速永磁无刷电机,传统径向式磁场调制电机由于结构特点也存在电机直径较大径向占用面积大的问题。但无论是传统永磁电机还是现有的磁力变速永磁无刷电机,定子、转子都只能在同一轴线上,动力传动方向单一,若要改变动力方向则需使用齿轮或联动轴等机械结构,整体结构复杂不便于系统布置和装配,并且这些机械结构的存在会降低电机动力传动效率,增加故障点。
[0004] 由于存在上述问题,有必要对其提出解决方案,本发明正是在这样的背景下作出的。【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种磁场调制式电机,该磁场调制式电机定转子可以设置为非同轴式结构,轴线不需要在同一直线上,拓宽了电机的使用方式,结构灵活,易于根据不同的使用场景实现电机的布置和装配。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用了下述技术方案:
[0007] 一种磁场调制式电机,包括定子1、转子2,在所述定子1与所述转子2之间设有调磁组件3,调磁组件3由多个配件组成,组成调磁组件的配件分为导条型和组合型两种结构,在所述定子1与所述调磁组件3端面之间设有定子气隙L1,在所述转子2与所述调磁组件3端面之间设有转子气隙L2,所述定子1的轴线A与所述转子2的轴线B不在同一条直线上,所述定子1得电后与所述转子2之间通过耦合磁场产生的力矩使得所述转子2转动。
[0008] 在如上所述电机调磁组件3的组成配件采用组合型结构时,定子1外侧设有用于安装固定所述定子1的定子机壳4,在所述转子2外侧设有用于安装固定所述转子2的转子机壳5,所述调磁组件3的各配件结构包括设在所述定子机壳4上的第一导磁结构端部31,设在所述转子机壳5上的第二导磁结构端部32,设在所述第一导磁结构端部31和所述第二导磁结构端部32之间的中间调磁管33,在所述中间调磁管33中充入有导磁粉末或导磁流体。
[0009] 如上所述调磁组件3的组成配件采用导条型结构时,包含多根由非晶合金或低碳钢等导磁性和机械加工性能好的导磁条,每根导磁条即作为一个配件,所述导磁条在空间上间隔均匀分布,所述导磁条为弧线型或直线型。
[0010] 在如上所述定子1外侧设有用于安装固定所述定子1的定子机壳4,在所述定子机壳4上设有用于安装固定所述调磁组件3一端的第一卡盘61,在所述转子2外侧设有用于安装固定所述转子2的转子机壳5,在所述转子2中间伸出有转轴24,在所述转轴24和所述转子机壳5之间设有轴承7,在所述转子机壳5上设有用于安装固定所述调磁组件3另一端的第二卡盘62。
[0011] 如上所述定子1包括定子背铁11,设在所述定子背铁11上的多个绕组支撑12,设在所述绕组支撑12上的绕组线圈13,所述转子2包括转子背铁21,设在所述转子背铁21上的永磁体22。
[0012] 在如上所述转子背铁21上设有用于支撑所述永磁体22的支撑架23。
[0013] 如上所述定子1的极对数为p1,所述转子2的极对数为p2,所述调磁组件3之中所述调磁管33或者导磁条的根数为ns,为实现定、转子侧气隙磁场相互耦合应满足如下条件:
[0014] ns=p1+p2
[0015] 相比于定转子极对数相同的情况,该电机结构可产生的转矩传动比G大小为:
[0016]
[0017] 如上所述定子气隙L1的宽度范围:0.3mm<L1<3mm,所述转子气隙L2的宽度范围:0.3mm<L2<3mm。
[0018] 如上所述定转子极对数可以任意选择组合,但在以下范围内选择较为理想:所述定子1的极对数p1为正整数,其范围:2≤p1≤6,所述转子2的极对数p2为正整数,其范围:4≤p2≤16。
[0019] 本发明的有益效果是:
[0020] 1、不同于以往电机的同轴式结构,该电机结构在设计时可实现任意角度相交轴和空间轴线间运动与动力的产生和传递,而非同轴的运动和动力的产生与传递在工业应用中同样有着不小的需求。相较于传统电机定转子只能在同一轴线上,该结构电机的使用方式更加灵活,可广泛应用于医疗、化工、纺织、车辆等众多领域。
[0021] 2、电机设计方案灵活,结构简单。电机既可以通过设计调整不同的定转子极对数比来满足常用运行工况的输出转矩转速条件要求,也可以像普通电机一样通过控制器调节输入电枢的电流频率来进行电机转速的控制。
[0022] 3、电机采用磁场调制式永磁电机原理,可以在输入电流频率较高时通过磁场调制实现转子的低速大转矩输出,可以不使用齿轮箱进行电机对负载直接驱动,避免齿轮传动带来的机械疲劳、润滑污染、较大的振动与噪声等问题。
[0023] 4、本发明之中电机的调磁组件由多个配件组成,配件分为导条型和组合型两种,组合型的配件由导磁结构端部和中间调磁管路两部分组成,中间调磁管路采用在不导磁塑性管道中充入导磁粉末或导磁流体的方式,比单纯使用铁磁材料做调磁体的导条型配件更容易实现不同形状的加工,电机结构更能适应多种位置布置方式,定转子轴线位置既可以同平面相交,也可以空间异面。【附图说明】
[0024] 图1为本发明调磁组件的组成配件采用组合型结构的电机整体侧面示意图。
[0025] 图2为本发明电机调磁组件的组成配件采用导条型且导磁条为弧线型的立体视图。
[0026] 图3为本发明电机调磁组件的组成配件采用导条型且导磁条为弧线型的爆炸视图。
[0027] 图4为本发明电机转子的正面视图。
[0028] 图5为本发明电机定子的正面视图。
[0029] 图6为本发明调磁组件的端面视图。
[0030] 图7为本发明定子气隙示意图。
[0031] 图8为本发明转子气隙示意图。
[0032] 图9为本发明电机调磁组件的组成配件采用导条型且导磁条为直线型的侧面示意图。
[0033] 图10为本发明的安装示意图之一。
[0034] 图11为本发明永磁体每极分两块充磁方式。
[0035] 图12为本发明永磁体每极分三块充磁方式。【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
[0037] 如图1至图12示,一种磁场调制式电机,包括定子1、转子2,在所述定子1与所述转子2之间设有调磁组件3,调磁组件3由多个配件组成,组成调磁组件的配件分为导条型和组合型两种结构,在所述定子1与所述调磁组件3端面之间设有定子气隙L1,在所述转子2与所述调磁组件3端面之间设有转子气隙L2,所述定子1的轴线A与所述转子2的轴线B不在同一条直线上,所述定子1与所述转子2之间通过耦合磁场产生的力矩使得所述转子2转动,定转子位置相对独立且可以相隔一定的距离,定转子与调磁体间都有气隙,定子通入三相交流电,产生的旋转磁场通过中间调磁组件耦合转子磁场产生力矩使转子转动,利用磁场调制式磁力齿轮的概念及其工作原理,本电机采用调磁组件将位于定转子与调磁体间气隙中的磁场进行调制,可以实现电枢绕组产生的磁场作为高速旋转磁场,经过调磁条的磁场调制效应后,驱动外转子以低速和较大转矩运行。
[0038] 如图1、图6所示,在本实施例中,在所述定子1外侧设有用于安装固定所述定子1的定子机壳4,在所述转子2外侧设有用于安装固定所述转子2的转子机壳5,所述调磁组件3的组成配件采用组合型结构,各配件结构包括设在所述定子机壳4上的第一导磁结构端部31,设在所述转子机壳5上的第二导磁结构端部32,设在所述第一导磁结构端部31和所述第二导磁结构端部32之间的中间调磁管33,在所述中间调磁管33中充入有导磁粉末或导磁流体,导磁结构端部基本要求:导磁结构两个端部靠近定转子的端面应加工为分别与定转子表面平行,且图6中所有截面四边形的外部顶点(顶点C1即为一个外部顶点)应位于同一圆上,该圆的半径R1和定转子的外径相同,圆心与该端面相对的定子或转子圆心为同一轴线。截面四边形的形状应与永磁体大致相同,也可近似为矩形,内部顶点(顶点C2即为一个内部顶点)位于同一圆上,该圆的半径R2不大于转子永磁体的内径。
[0039] 调磁组件3的组成配件为组合型时,各配件的导磁结构端部是由导磁性能好的硅钢片叠压制成且满足端面基本要求的直线形导磁体,两端安装进定转子机壳上的卡盘,起到固定调磁组件,密封与连接中间调磁管路的作用。
[0040] 调磁组件3的组成配件为组合型时,各配件的中间调磁管路由不导磁的空心管和充入其中的导磁粉末或磁流体制成,与上述的调磁组件导磁结构端部相连,连接部分须有效密封。不导磁管路可由强度高韧性好的塑性材料制成,导磁粉末或磁流体可由高导磁的铁磁材料制成,塑性材料管道采用3D打印技术制成,可以实现多种不同形状的加工,而导磁粉末或磁流体又可适应多种形状变化,整个调磁管路形状更加自由,电机结构能适应多种位置布置。定转子轴线位置既可以同平面相交,如图2;也可以空间异面,如图1。
[0041] 中间调磁管路应采用能够简单地将两个端部连接起来的结构形状,在保证满足电机所需的布置方式和结构强度要求的情况下尽量采用直线型管路以减少磁通传播路径,降低磁路损耗,长度适永磁体材料能力、用量以及导磁材料导磁性能而定。
[0042] 由于中间调磁管路中用于填装导磁粉末或磁流体的管道也是由不导磁材料制成,对整体磁场调制性能不产生影响。同时若调磁组件间隔为空气,该管路还会进一步减小磁场调制时导磁部分的漏磁,增加磁场传递效率。
[0043] 中间调磁管路可采用硬连接或软连接,硬连接即不导磁管道使用硬质不导磁塑料管制成,弯曲部分可适当加厚,保证强度的同时隔磁效果更好。也可采用柔性材料软连接,这样固定定子后转子位置可以在一定范围内进行拖动,结构适应性更强,缺点是管路强度变弱。
[0044] 如图2、图3、图6、图7、图8所示,在本实施例中,所述调磁组件3的组成配件采用导条型结构且导磁条为弧线型,通过改变调磁组件导磁条的弯曲形状,可以根据不同需要设计电机定转子的相对位置,电机整体结构设计灵活。电机定转子结构简单,易于实现和装配。
[0045] 如图9所示,在本实施例中,所述调磁组件3的组成配件采用导条型结构且导磁条为直线型。对比于弧线形导磁条,直线型导条磁路损耗有所减小,永磁体利用率提升且易于加工,但定转子相对位置结构不如弧线型灵活。
[0046] 如图2、图3、图6、图7、图8、图9所示,在本实施例中,所述采用导条型结构配件的调磁组件3包含多根由非晶合金或低碳钢等导磁性和机械加工性能好的材料制成的导磁条,每根导磁条即作为一个配件。导条型配件调磁组件的基本要求:调磁组件每根导磁条的两个端面应加工为分别与定转子表面平行,且图6中所有截面四边形的外部顶点(顶点C1即为一个外部顶点)应位于同一圆上,该圆的半径R1和定转子的外径相同,圆心与该端面相对的定子或转子圆心为同一轴线。截面四边形的形状应与永磁体大致相同,也可近似为矩形,内部顶点(顶点C2即为一个内部顶点)位于同一圆上,该圆的半径R2不大于转子永磁体的内径。
[0047] 除满足基本要求外,仅由铁磁材料制成的导条型配件调磁组件所采用的导磁条的弯曲形状应合适,按照加工可行性,材料使用,以及不同电机设计方案下的仿真性能综合选取。
[0048] 如图1、图2、图6、图7、图8、图9所示,所述的调磁组件3无论由何种类型的配件组成,其所有配件的布置方式都为在空间上间隔均匀分布,各配件之间采用空气或者不导磁的高分子聚合物隔开或者填充。
[0049] 如图2、图4所示,在本实施例中,所述定子1包括定子背铁11,设在所述定子背铁11上的多个绕组支撑12,设在所述绕组支撑12上的绕组线圈13,所述绕组支撑12为多个,多个绕组支撑12圆周阵列分布,设在所述绕组支撑12上的绕组线圈13亦为多个,绕组线圈13接通三相交流电后产生旋转磁场,旋转磁场通过调磁组件传递给转子2,旋转磁场与转子2上的永磁体22相互作用,带动转子2转动,所述转子2包括转子背铁21,设在所述转子背铁21上的永磁体22,所述永磁体22为多块,多块永磁体22圆周阵列排布,定转子与调磁体间都有气隙,定子通入三相交流电,产生的旋转磁场通过中间调磁组件耦合转子磁场产生力矩使转子转动,利用磁场调制式磁力齿轮的概念及其工作原理,本电机采用调磁组件将位于定转子与调磁体间气隙中的磁场进行调制,可以实现电枢绕组产生的磁场作为高速旋转磁场,经过调磁条的磁场调制效应后,驱动外转子以低速和较大转矩运行。
[0050] 如图3、图4所示,在本实施例中,在所述转子背铁21上设有用于支撑所述永磁体22的支撑架23,该设置使得永磁体22紧固在转子背铁21上,保证电机顺利运行。
[0051] 如图3所示,在本实施例中,所述定子1的极对数为p1,所述转子2的极对数为p2,所述调磁组件需要的配件根数为ns,为实现定、转子侧气隙磁场相互耦合应满足如下条件:
[0052] ns=p1+p2
[0053] 相比于定转子极对数相同的情况,该电机结构可产生的转矩传动比G大小为:
[0054]
[0055] 即理论上定转子极对数不同时该电机产生转矩的大小是定转子极对数相同时的G倍,转速是定转子极对数相同时的1/G,可以实现低速高转矩输出。这样电机定子可以选择低极对数的分数槽集中绕组绕线方式,绕线方便,绕组利用率高,谐波减少。低极对数的高速旋转磁场经过调磁条的磁场调制又可以驱动外转子产生低速大转矩输出,实际中也可以通过设计选择定转子的极对数来满足不同的输出转矩转速应用条件要求。
[0056] 如图7、图8所示,在本实施例中,所述定子气隙L1的宽度范围:0.3mm<L1<3mm,所述转子气隙L2的宽度范围:0.3mm<L2<3mm。
[0057] 如图4、图5所示,在本实施例中,定转子极对数可以任意选择组合,但在以下范围内选择较为理想:所述定子1的极对数p1为正整数,其范围:2≤p1≤6,所述转子2的极对数p2为正整数,其范围:4≤p2≤16。
[0058] 电机转子永磁体采用每极下的永磁体分段轴向充磁的Halbach阵列结构。Halbach阵列具有的聚磁效应和类正弦的磁场分布,使气隙中含有较少的谐波分量,基波磁密幅值和磁场正弦度提高,从而提升电机运行效率与出力能力。同时由于Halbach阵列结构的单边磁屏蔽能力,可以降低转子的导磁背轭厚度,节省材料。
[0059] Halbach阵列永磁体最表面的磁密幅值Bm的表达式为:
[0060]
[0061] 式中Br为永磁体剩磁,s为一对极下Halbach阵列的圆周长度,hm为永磁体厚度,n为一对极下永磁体的分段数。
[0062] 图11为采用Halbach阵列每极分两块充磁方式;
[0063] 图12为采用Halbach阵列每极分三块充磁方式。
[0064] 如图10所示,在所述定子1外侧设有用于安装固定所述定子1的定子机壳4,在所述定子机壳4上设有用于安装固定所述调磁组件3一端的第一卡盘61,在所述转子2外侧设有用于安装固定所述转子2的转子机壳5,在所述转子2中间伸出有转轴24,在所述转轴24和所述转子机壳5之间设有轴承7,在所述转子机壳5上设有用于安装固定所述调磁组件3另一端的第二卡盘62,通过此种安装固定方式,有效支撑起所述定子1、转子2以及调磁组件3,定子1通入三相交流电,产生的旋转磁场通过中间调磁组件结构耦合转子磁场产生力矩使转子2转动,转子2带动转轴24转动,转轴24伸出端可传递转矩,实现动力输出。
[0065] 应用场景:
[0066] 1、电动汽车驱动电机。作为解决能源和环境问题的有效手段,新能源汽车在未来汽车工业发展中的地位越来越重要,电驱动系统作为新能源汽车的“心脏”,其高密度、一体化及轻量化设计日益成为全球汽车工业关注的焦点,因此电机、控制器和减速器的“三合一”电驱动系统研究成为主流,也出现了很多“三合一”的结构。而本发明的电机同样可以将电机定子与控制器进行装配集成,又由于该电机的直驱能力可以省去齿轮箱结构,因此可以实现更高密度及轻量化的“二合一”结构,省去齿轮箱还可以降低运行中的振动噪声。而由于电机结构不需要转轴固定连接,转子可以直接装配在汽车的驱动轮上,通过合理安排调磁组件与定子端耦合为汽车提供动力,尤其是在车辆使用后轮驱动时这种更灵活的电机结构设计在一定程度上可以解放空间,能够优化整车布置,降低成本。此外,由于本发明中定子不需要转轴(定转子中间部分也可以挖空嵌套在别的转轴上),那么该电机结构也可以作为一种辅助驱动系统,即在原有的靠传统电机驱动的电驱系统中,在与传统电机有轴连接的驱动轮上再装上该种电机转子,将该种电机定子与原驱动系统合理装配使调磁组件环绕在转轴外围,这样就可以在需要时使本发明电机与原有系统共同作用提供更大的转矩输出,满足如矿山车等需要更大驱动力车辆的需求。
[0067] 2、工业硬质内窥镜。电机定子位于外部操作端,转子则位于进入待检测体的一端,定转子中部挖空使成像镜系统通过,使调磁组件布置在硬管的内壁,传递并耦合定转子磁场的同时也可以对镜管形状起到支撑作用,可以使窥镜管路形式更加灵活。由于进入待测体内部的一端为转子可以转动并提供动力,那么通过设计一些辅助机械结构就可以使硬质镜的镜头部分实现人工操纵改变方向的功能,扩大硬质镜应用的范围,还有助于进一步增加其工作能力,实现清扫,除尘,内部切割等多种功能。而通电的定子部分位于待测体外,若待测体内存在水分,能够避免漏电的同时也降低了内部水分使电机通电部分短路的风险。
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