徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機的製作方法

2023-12-10 07:03:42 1

專利名稱：徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，屬於電機領域。
背景技術：
傳統內燃機汽車的燃油消耗和尾氣排放汙染是舉世關注的熱點問題。使用電動汽 車可實現低能耗、低排放，但由於作為電動汽車的關鍵部件之一的電池其能量密度、壽命、 價格等方面的問題，使得電動汽車的性價比無法與傳統的內燃機汽車相抗衡，在這種情況 下，融合內燃機汽車和電動汽車優點的混合動力電動汽車發展迅速，成為新型汽車開發的執佔。現有串聯式驅動裝置的特點是可使發動機不受汽車行駛工況的影響，始終在其 最佳的工作區穩定運行，並可選用功率較小的發動機，但需要功率足夠大的發電機和電動 機，發動機的輸出需全部轉化為電能再變為驅動汽車的機械能，由於機電能量轉換和電池 充放電的效率較低，使得燃油能量的利用率比較低；並聯式驅動裝置能量利用率相對較高， 但發動機工況要受汽車行駛工況的影響，因此不適於變化頻繁的行駛工況，相比於串聯式 結構，需要較為複雜的變速裝置和動力複合裝置以及傳動機構；混聯式驅動裝置融合了串 聯式和並聯式的優點，由於整個驅動系統的能量流動更加靈活，因此發動機、發電機、電動 機等部件能夠進一步得到優化，從而使整個系統效率更高。但是仍然需要較為複雜的變速 裝置和動力複合裝置以及傳動機構。在上述驅動裝置中，存在發動機和系統其他部件不能協調配合的問題，使整個系 統存在體積笨重、結構複雜、耗能大、尾氣排放量大的問題，而不能有效的將動力輸出。

發明內容
本發明目的是為了解決現有串聯式、並聯式和混聯式驅動裝置中發動機和系統其 他部件不能簡單高效配合，從而使整個系統存在體積笨重、結構複雜、成本偏高、性能受限， 而不能有效地將動力輸出的問題，提供了一種徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電 機。本發明徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機在殼體內並列設置有徑向雙 轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，所述徑向雙轉子電機包括第一定子、調製環轉子、第一永 磁轉子、永磁轉子輸出軸和調製環轉子輸出軸，所述軸徑向轉矩調節電機包括第二定子和 第二永磁轉子，調製環轉子輸出軸同時作為軸徑向轉矩調節電機的轉子軸，所述軸徑向轉矩調節電機的第二定子固定在殼體的內側壁上，第二永磁轉子固定 在調製環轉子輸出軸上，第二定子與第二永磁轉子之間沿徑向方向有氣隙L3，沿軸向方向 有氣隙L4 ；所述徑向雙轉子電機的第一定子固定在殼體的內側壁上，第一永磁轉子固定在永 磁轉子輸出軸上，調製環轉子位於第一定子與第一永磁轉子之間，永磁轉子輸出軸通過第一 軸承與殼體轉動連接，且永磁轉子輸出軸通過第二軸承和第四軸承與調製環轉子轉動連接，調製環轉子輸出軸的一端固定在調製環轉子上，且調製環轉子輸出軸通過第三軸承與殼體轉 動連接；調製環轉子和第一定子之間有氣隙Ll ；調製環轉子與第一永磁轉子之間有氣隙L2，第一定子由第一定子鐵心和m相第一定子繞組構成，第一定子繞組通有m相對稱 交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、ρ為正整數；第一永磁轉子由第一永磁轉子鐵心和2η個第一永磁體單元構成，2η個第一永磁 體單元沿圓周方向均勻分布排列，2η個第一永磁體單元嵌入第一永磁轉子鐵心內部或固定 在第一永磁轉子鐵心的外圓表面上，相鄰兩塊第一永磁體單元7-1的充磁方向相反，第一 永磁轉子旋轉時，形成2η極數的永磁轉子表面磁場，η為正整數；調製環轉子由轉子支架、q塊導磁塊和q塊絕緣塊構成，轉子支架外圓表面沿圓周 方向交錯設置導磁塊和絕緣塊；且滿足ρ = |hn+kq|公式成立，其中，h是正奇數，k是整數。本發明的優點本發明電機為複合結構的電機，具有兩個轉軸，這兩個轉軸的轉速 彼此獨立且轉速可調，兩個轉軸輸出的轉矩彼此獨立且轉矩可調，這樣可以使一個轉軸實 現高速小轉矩運行，另一個轉軸實現低速大轉矩運行。本發明在與內燃機結合使用時，能使內燃機不依賴於路況，始終運行在最高效率 區，從而降低了燃油消耗和尾氣排放，實現節能降耗；它同時也能取代汽車中變速箱，離合 器和飛輪等部件，使汽車結構簡化，成本降低。它能通過電子器件實現汽車的速度駕駛控 制、寬範圍平穩調速；同時還具有不需要複雜的冷卻裝置、結構簡單、體積小、成本低廉的優 點。它還可應用在不同轉速的兩個機械轉軸同時工作的工業裝置中。本發明屬於無刷結構，克服了有刷複合結構電機因採用電刷滑環饋電結構而導致 的運行效率下降、可靠性降低以及經常需要對電刷等部件進行維護等問題


圖1是實施方式一和二的結構示意圖2是圖1的A-A剖視圖3是實施方式三的結構示意圖4是圖3的D-D剖視圖5是實施方式四的結構示意圖6是圖5的E-E剖視圖7是實施方式五的結構示意圖8是圖7的F-F剖視圖9是實施方式六的結構示意圖10是圖9的G-G剖視圖11是圖1、圖3、圖5、圖7和圖9的B-B剖視圖
圖12是圖1、圖3、圖5、圖7和圖9的C-C剖視圖
圖13是本發明的原理圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結合圖1至圖13說明本實施方式，本實施方式的電機在殼體4內並列設置有徑向雙轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，所述徑向雙轉子電機包括第一 定子5、調製環轉子6、第一永磁轉子7、永磁轉子輸出軸1和調製環轉子輸出軸9，所述軸徑 向轉矩調節電機包括第二定子11和第二永磁轉子12，調製環轉子輸出軸9同時作為軸徑向 轉矩調節電機的轉子軸，所述軸徑向轉矩調節電機的第二定子11固定在殼體4的內側壁上，第二永磁轉子 12固定在調製環轉子輸出軸9上，第二定子11與第二永磁轉子12之間沿徑向方向有氣隙 L3，沿軸向方向有氣隙L4;第二定子11由第二定子鐵心11-1和m'相第二定子繞組11_2構成，第二定子鐵 心11-1為圓環形，第二定子鐵心11-1的外環表面固定在殼體4的內側壁上，第二定子鐵心 11-1的外側壁開有多個環形凹槽，所述多個環形凹槽以調製環轉子輸出軸9為中心均勻分 布，第二定子繞組11-2分別嵌入所述環形凹槽內形成m'相繞組，m'為正整數；第二永磁轉子由第二永磁轉子鐵心12-2和多組永磁體單元構成，第二永磁轉子 鐵心12-2為厚圓盤形，固定在調製環轉子輸出軸9上，第二永磁轉子鐵心12-2的外圓周側 壁上開有圓環形凹槽，凹槽的徑向截面為方形，在所述凹槽內側面上設置有多組第二永磁 體單元，每組永磁體單元由底面永磁體12-1和兩塊側面永磁體12-3構成，多組第二永磁體 單元以調製環轉子輸出軸9為中心沿圓周方向均勻分布，永磁體單元設置在第二永磁轉子 鐵心12-2表面上或嵌入第二永磁轉子鐵心12-2表面內，每組永磁體單元形成指向凹槽開 口或者背離凹槽開口的磁場，相鄰兩組永磁體單元的充磁方向相反，底面永磁體12-1沿徑向充磁或沿徑向平行充磁，側面永磁體12-3軸向充磁，同組 永磁體單元中的兩塊側面永磁體12-3的充磁方向相反。所述徑向雙轉子電機的第一定子5固定在殼體4的內側壁上，第一永磁轉子7固 定在永磁轉子輸出軸1上，調製環轉子6位於第一定子5與第一永磁轉子7之間，永磁轉子 輸出軸1通過第一軸承2與殼體4轉動連接，且永磁轉子輸出軸1通過第二軸承3和第四 軸承10與調製環轉子6轉動連接，調製環轉子輸出軸9的一端固定在調製環轉子6上，且 調製環轉子輸出軸9通過第三軸承8與殼體4轉動連接；調製環轉子6和第一定子5之間 有氣隙Ll ；調製環轉子6與第一永磁轉子7之間有氣隙L2，第一定子5由第一定子鐵心5-2和m相第一定子繞組5-1構成，第一定子繞組5-1 通有m相對稱交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、ρ為正整數；第一定子鐵心5-2為圓環形，其內圓表面沿軸向開有多個槽，所述多個槽的開口 中心線圍繞永磁轉子輸出軸1均勻分布，第一定子繞組5-1分別嵌入所述槽內形成m相繞組。第一永磁轉子7由第一永磁轉子鐵心7-2和2η個第一永磁體單元7_1構成，2η個 第一永磁體單元7-1沿圓周方向均勻分布排列，2η個第一永磁體單元7-1嵌入第一永磁轉 子鐵心7-2內部或固定在第一永磁轉子鐵心7-2的外圓表面上，相鄰兩塊第一永磁體單元 7-1的充磁方向相反，第一永磁轉子7旋轉時，形成2η極數的永磁轉子表面磁場，η為正整 數；調製環轉子6由轉子支架6-3、q塊導磁塊6_1和q塊絕緣塊6_2構成，轉子支架 6-3外圓表面沿圓周方向交錯設置導磁塊6-1和絕緣塊6-2 ；導磁塊6-1選用軟磁複合材 料、矽鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧體；
且滿足ρ = |hn+kq|公式成立，其中，h是正奇數，k是整數。為了說明本發明的工作原理，本實施方式以圖1所示結構為例進行說明，為了便 於畫出各部分的細節，將圖1所示的第一永磁轉子7和調製環轉子6都做了縮小比例處理， 具體原理圖參見圖21。徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機從可實現的功能上分為兩部分一部 分是徑向雙轉子電機；另一部分是軸徑向轉矩調節電機。徑向雙轉子電機主要實現的功能 是使調製環轉子輸出軸9的轉速不依賴於永磁轉子輸出軸1的轉速，並且使調製環轉子輸 出軸9能夠實現無級變速，同時調製環轉子輸出軸9根據永磁轉子輸出軸1的輸入的轉矩 按照一定的比例輸出相對應的轉矩。軸徑向轉矩調節電機的作用是根據實際負載的需要， 輸入驅動轉矩或者制動轉矩，使調製環轉子輸出軸9最終輸出到負載的轉矩不依賴於永磁 轉子輸出軸1所輸入的轉矩，實現了轉矩的靈活調節。下面詳細分析一下徑向雙轉子電機的工作原理首先原動機通過永磁轉子輸出軸1以驅動轉矩T驅動第一永磁轉子7逆時針旋 轉，其旋轉速度為Q1 ；為了使第一永磁轉子7所受力矩平衡，此時將第一定子5的第一定子繞組5-1中 通入m相對稱交流電流，在外層氣隙Ll中產生2p極數的定子旋轉磁場，所述定子旋轉磁場 的旋轉速度為ω2;所述定子旋轉磁場通過調製環轉子6的調製作用，在內層氣隙L2中產生與第一永 磁轉子7相同極數的旋轉磁場，通過磁場的相互作用，產生的內調製轉矩T1作用在第一永 磁轉子7上，且轉矩T1的方向為順時針方向；由力矩平衡原理可知，T1 = -Τ，二者大小相等，方向相反；又根據作用力與反作用力的原理，可知在內層氣隙L2中存在與內調製轉矩T1大 小相等且方向相反的力矩T'工同時作用在調製環轉子6上，T'工的方向為逆時針方向；同時，內層以速度Q1旋轉的第一永磁轉子7產生的永磁轉子旋轉磁場通過調製 環轉子6的調製作用，在外層氣隙Ll中產生2p極數的旋轉磁場，與定子旋轉磁場相互作 用，可產生外調製轉矩T2,並作用在第一定子5上，且外調製轉矩T2方向為順時針方向；根據作用力與反作用力的原理，可知在外層氣隙Ll中存在與外調製轉矩T2大小 相等且方向相反的力矩T' 2同時作用在調製環轉子6上，且方向為逆時針方向；因此，調製環轉子6的輸出轉矩T3滿足條件T3 = T' !+T' 2 =-(TJT2),調製環 轉子6的旋轉速度為Ω3，且方向為逆時針方向，調製環轉子輸出軸9以轉矩T3驅動負載。由此可以看出，調製環轉子6的輸出轉矩T3是內調製轉矩T1與外調製轉矩T2的 合成轉矩，而第一永磁轉子7的輸出轉矩是內調製轉矩1\。因此，調製環轉子6的輸出轉矩 T3將大於第一永磁轉子7的輸出轉矩T1,並且二者具有一定的變比。本發明的雙轉子結構電機可以通過調節通入第一定子繞組5-1的電流的頻率f來 調節轉速，定子旋轉磁場的旋轉速度Ω 2、調製環轉子6的旋轉速度Ω 3和第一永磁轉子7的 旋轉速度
Ω _ hn ^ 丨 kg ^ 2 「 |hn+kq| 1 + |hn+kq| 3⑴
下面具體分析幾種特殊情況及其產生的原理1、在調製環轉子6靜止不動的情況下，即Ω3 = 0，代入公式(1)，則存在以下公式 成立
權利要求
徑向 軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，在殼體(4)內並列設置有徑向雙轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，所述徑向雙轉子電機包括第一定子(5)、調製環轉子(6)、第一永磁轉子(7)、永磁轉子輸出軸(1)和調製環轉子輸出軸(9)，所述軸徑向轉矩調節電機包括第二定子(11)和第二永磁轉子(12)，調製環轉子輸出軸(9)同時作為軸徑向轉矩調節電機的轉子軸，所述軸徑向轉矩調節電機的第二定子(11)固定在殼體(4)的內側壁上，第二永磁轉子(12)固定在調製環轉子輸出軸(9)上，第二定子(11)與第二永磁轉子(12)之間沿徑向方向有氣隙L3，沿軸向方向有氣隙L4；所述徑向雙轉子電機的第一定子(5)固定在殼體(4)的內側壁上，第一永磁轉子(7)固定在永磁轉子輸出軸(1)上，調製環轉子(6)位於第一定子(5)與第一永磁轉子(7)之間，永磁轉子輸出軸(1)通過第一軸承(2)與殼體(4)轉動連接，且永磁轉子輸出軸(1)通過第二軸承(3)和第四軸承(10)與調製環轉子(6)轉動連接，調製環轉子輸出軸(9)的一端固定在調製環轉子(6)上，且調製環轉子輸出軸(9)通過第三軸承(8)與殼體(4)轉動連接；調製環轉子(6)和第一定子(5)之間有氣隙L1；調製環轉子(6)與第一永磁轉子(7)之間有氣隙L2，第一定子(5)由第一定子鐵心(5 2)和m相第一定子繞組(5 1)構成，第一定子繞組(5 1)通有m相對稱交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數；第一永磁轉子(7)由第一永磁轉子鐵心(7 2)和2n個第一永磁體單元(7 1)構成，2n個第一永磁體單元(7 1)沿圓周方向均勻分布排列，2n個第一永磁體單元(7 1)嵌入第一永磁轉子鐵心(7 2)內部或固定在第一永磁轉子鐵心(7 2)的外圓表面上，相鄰兩塊第一永磁體單元(7 1)的充磁方向相反，第一永磁轉子(7)旋轉時，形成2n極數的永磁轉子表面磁場，n為正整數；調製環轉子(6)由轉子支架(6 3)、q塊導磁塊(6 1)和q塊絕緣塊(6 2)構成，轉子支架(6 3)外圓表面沿圓周方向交錯設置導磁塊(6 1)和絕緣塊(6 2)；且滿足p＝|hn+kq|公式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
2.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，第 一永磁體單元(7-1)設置在第一永磁轉子鐵心(7-2)的外圓表面上，第一永磁體單元(7-1) 沿徑向充磁或沿徑向平行充磁。
3.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，第 一永磁體單元(7-1)嵌入設置在第一永磁轉子鐵心(7-2)的外圓表面內，第一永磁體單元 (7-1)沿徑向充磁或沿徑向平行充磁。
4.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，第 一永磁體單元(7-1)的橫截面為矩形，2η個第一永磁體單元(7-1)以永磁轉子輸出軸(1) 為中心在第一永磁轉子鐵心(7-2)的內部放射狀分布，第一永磁體單元(7-1)的充磁方向 為沿切向平行充磁。
5.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於， 第一永磁體單元(7-1)的橫截面為矩形，2η個第一永磁體單元(7-1)在第一永磁轉子鐵心 (7-2)的內部以永磁轉子輸出軸(1)為中心均布，每相鄰兩個第一永磁體單元(7-1)的夾角 為360° /2η，第一永磁體單元(7-1)的充磁方向為沿徑向平行充磁。
6.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，每 個第一永磁體單元(7-1)由兩塊橫截面為矩形的永磁體構成V字形結構，兩塊永磁體的充 磁方向為分別垂直於V字形的兩條邊，且同時指向V字形的開口方向或同時背離V字形的 開口方向，2η個V字形的第一永磁體單元(7-1)以永磁轉子輸出軸(1)為中心均布在第一 永磁轉子鐵心(7-2)的內部，V字形的開口沿徑向朝外開口。
7.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，第 一定子鐵心(5-2)為圓環形，其內圓表面沿軸向開有多個槽，所述多個槽的開口中心線圍 繞永磁轉子輸出軸(1)均勻分布，第一定子繞組(5-1)分別嵌入所述槽內形成m相繞組。
8.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於，導 磁塊(6-1)選用軟磁複合材料、矽鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧體。
9.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在於， 第二定子(11)由第二定子鐵心(11-1)和m'相第二定子繞組(11-2)構成，第二定子鐵心 (11-1)為圓環形，第二定子鐵心(11-1)的外環表面固定在殼體(4)的內側壁上，第二定子 鐵心(11-1)的外側壁開有多個環形凹槽，所述多個環形凹槽以調製環轉子輸出軸(9)為 中心均勻分布，第二定子繞組(11-2)分別嵌入所述環形凹槽內形成m'相繞組，m'為正整 數。
10.根據權利要求1所述的徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，其特徵在 於，第二永磁轉子由第二永磁轉子鐵心(12-2)和多組永磁體單元構成，第二永磁轉子鐵心 (12-2)為厚圓盤形，固定在調製環轉子輸出軸(9)上，第二永磁轉子鐵心(12-2)的外圓周 側壁上開有圓環形凹槽，凹槽的徑向截面為方形，在所述凹槽內側面上設置有多組第二永 磁體單元，每組永磁體單元由底面永磁體(12-1)和兩塊側面永磁體(12-3)構成，多組第二 永磁體單元以調製環轉子輸出軸(9)為中心沿圓周方向均勻分布，永磁體單元設置在第二 永磁轉子鐵心(12-2)表面上或嵌入第二永磁轉子鐵心(12-2)表面內，每組永磁體單元形 成指向凹槽開口或者背離凹槽開口的磁場，相鄰兩組永磁體單元的充磁方向相反，底面永磁體(12-1)沿徑向充磁或沿徑向平行充磁，側面永磁體(12-3)軸向充磁，同組 永磁體單元中的兩塊側面永磁體(12-3)的充磁方向相反。
全文摘要
徑向-軸徑向磁場調製型無刷複合結構電機，屬於電機領域，本發明為解決現有串聯式、並聯式和混聯式驅動裝置中發動機和系統其他部件不能簡單高效配合，使系統體積笨重、結構複雜、成本偏高、性能受限，不能有效將動力輸出的問題。本發明電機在殼體內並列設置有徑向雙轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，徑向雙轉子電機的永磁轉子由原動機帶動形成2n極磁場，其定子形成2p極磁場，由具有q塊導磁塊和絕緣塊的調製環轉子的輸出軸輸出所需轉速，且p＝|hn+kq|，其輸出轉速不依賴輸入轉速，實現無級變速；軸徑向轉矩調節電機根據實際負載需要，輸入驅動轉矩或者制動轉矩，滿足負載實際轉矩需求，使得調製環轉子輸出軸輸入和輸出的能量相平衡。
文檔編號H02K16/00GK101951088SQ20101027415
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者于斌, 佟誠德, 白金剛, 鄭萍, 隋義, 雷雨 申請人:哈爾濱工業大學