專利名稱：直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)，是將雙定子空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的新型永磁電機(jī)與磁性齒輪傳動(dòng)技術(shù)融為一體，從而直接實(shí)現(xiàn)電能和低轉(zhuǎn)速大力矩機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的新型直驅(qū)式復(fù)合永磁電機(jī)，可直接取代常規(guī)的機(jī)械傳動(dòng)變速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、電動(dòng)汽車、船艦驅(qū)動(dòng)及其它需要直接驅(qū)動(dòng)的工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)應(yīng)用的許多傳動(dòng)領(lǐng)域往往需要實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大力矩的機(jī)械能與常規(guī)交流電能的相互轉(zhuǎn)換，比如風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電領(lǐng)域需要將極低轉(zhuǎn)速且可變的風(fēng)能、水的勢(shì)能轉(zhuǎn) 換成電能，電動(dòng)汽車和潛艇驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域又需要將常規(guī)的電能變換成轉(zhuǎn)速很低而力矩很大的機(jī)械能。按現(xiàn)有常規(guī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，極低轉(zhuǎn)速和大力矩會(huì)使得電機(jī)體積龐大，增加電機(jī)單位千瓦數(shù)的材料消耗并使得工程量巨大；為此，傳統(tǒng)的方法是借助機(jī)械齒輪變速傳動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出和恒功率調(diào)速范圍的要求，長(zhǎng)期以來機(jī)械齒輪傳動(dòng)技術(shù)的基本形式?jīng)]有變化，即始終是依靠機(jī)械式齒輪副的兩輪齒的嚙合進(jìn)行傳動(dòng)。這就給齒輪傳動(dòng)帶來了一些不可消除的問題，如機(jī)械疲勞、摩擦損耗、震動(dòng)噪音等，盡管可以采用油脂潤(rùn)滑技術(shù)，但以上問題依舊無法根除，導(dǎo)致使用維護(hù)極其繁瑣，而且機(jī)械式齒輪傳動(dòng)的理論效率最多也只能達(dá)到85%，而常規(guī)高變速比的機(jī)械齒輪變速系統(tǒng)傳動(dòng)效率更低、噪聲更大、可靠性很差，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)體積大。固定傳動(dòng)速比的機(jī)械式齒輪副傳動(dòng)使得需要在更寬轉(zhuǎn)速范圍的多級(jí)、分檔調(diào)速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法適應(yīng)越來越多的無級(jí)變速的傳動(dòng)技術(shù)要求。近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等新能源應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)外開始在新型磁性傳動(dòng)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的技術(shù)突破,2004年英國(guó)工程師從理論和樣機(jī)的具體實(shí)踐上完成了一種新型徑向磁場(chǎng)磁性齒輪的設(shè)計(jì)工作，克服了以往永磁齒輪傳動(dòng)扭矩較小的缺點(diǎn)，這給永磁材料在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了一個(gè)重要的研究方向和未來的應(yīng)用領(lǐng)域；但是，英國(guó)人提出的磁性齒輪結(jié)構(gòu)采用傳遞力矩相對(duì)較小的徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這種徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁性齒輪所傳遞的功率密度和力矩密度都不及橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁性齒輪。2010年國(guó)內(nèi)的上海大學(xué)在承接的國(guó)家“863”高科技項(xiàng)目(2007AA05Z233)中也提出了把磁性齒輪傳動(dòng)技術(shù)與永磁電機(jī)融為一體的設(shè)計(jì)方案并試制出首臺(tái)復(fù)合電機(jī)的原形樣機(jī)，但該設(shè)計(jì)方案也僅僅是把徑向磁場(chǎng)的磁性齒輪和徑向磁場(chǎng)的永磁電機(jī)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡(jiǎn)單的一體化組合，從電磁場(chǎng)理論來看該永磁電機(jī)磁路與磁性齒輪磁路還未突破徑向磁場(chǎng)的磁路結(jié)構(gòu)概念，使得復(fù)合電機(jī)具有3個(gè)相互關(guān)聯(lián)且相互影響的氣隙磁場(chǎng)，從而增加了昂貴的稀土材料的單位消耗量，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)來講只有把磁性齒輪磁路與永磁電機(jī)磁路進(jìn)行結(jié)構(gòu)上解藕才可以提高單位材料所傳遞的功率和力矩密度。而且，對(duì)稀土永磁電機(jī)部分來講，按傳統(tǒng)電機(jī)慣例簡(jiǎn)單地采用稀土材料代替電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，而不從電機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行突破和創(chuàng)新，也并不能充分而徹底地利用稀土材料傳送高能量密度的優(yōu)點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)、機(jī)械式齒輪傳動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用上存在的問題，以及最新的磁性傳動(dòng)技術(shù)的不足之處，本技術(shù)發(fā)明突破單純的徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)限制，利用業(yè)已取得的雙定子發(fā)電機(jī)專利技術(shù)結(jié)構(gòu)(ZL 201020624307. 6)及橫向磁場(chǎng)的磁性傳動(dòng)齒輪副(201120177813. X)的有效組合，使橫向磁場(chǎng)磁性齒輪的磁路與徑向磁場(chǎng)雙定子永磁電機(jī)磁路分離，提供了一種高轉(zhuǎn)速氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過電磁感應(yīng)和永磁耦合而直接實(shí)現(xiàn)電能與低轉(zhuǎn)速大力矩機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的直接驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)新結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的基本構(gòu)思是由圓盤形狀的磁性傳動(dòng)齒輪副I、雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)II復(fù)合組成一體化結(jié)構(gòu)，利用橫向磁場(chǎng)的磁性傳動(dòng)齒輪副I來實(shí)現(xiàn)高速和低速機(jī)械動(dòng)能的變速傳動(dòng)；并利用徑向磁場(chǎng)的雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)II來實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,其磁路結(jié)構(gòu)為空心永磁轉(zhuǎn)子的兩異極性永磁極間直接串聯(lián)內(nèi)、外兩臺(tái)定子而構(gòu)成閉合磁路，三者之間呈徑向同心式結(jié)構(gòu)且存在兩個(gè)氣隙。氣隙磁場(chǎng)為高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；發(fā)電機(jī)工況兩套繞組可同時(shí)對(duì)外輸出電能，電動(dòng)機(jī)工況通過控制輸入兩套繞組的電流、電壓及頻率實(shí)現(xiàn)低速大力矩輸出的無級(jí)變速傳動(dòng)要求。 以下結(jié)合圖I、圖2和圖3來說明這種直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)的技術(shù)特征，圖中項(xiàng)I為前端蓋，項(xiàng)2為調(diào)磁柵支架，項(xiàng)3為鐵磁導(dǎo)磁極，項(xiàng)4為軸承一，項(xiàng)5為低速輪轉(zhuǎn)軸，項(xiàng)6為低速永磁體磁極，項(xiàng)7為軸承二，項(xiàng)8為低速輪盤，項(xiàng)9為高速永磁體磁極，項(xiàng)10為空心轉(zhuǎn)子前蓋，項(xiàng)11為極間拉桿，項(xiàng)12為螺栓，項(xiàng)13為機(jī)殼，項(xiàng)14為軸承三，項(xiàng)15為內(nèi)定子支撐軸，項(xiàng)16為后端蓋，項(xiàng)17為空心轉(zhuǎn)子后蓋，項(xiàng)18為空心轉(zhuǎn)子端環(huán)，項(xiàng)19為外定子繞組，項(xiàng)20為外定子鐵芯，項(xiàng)21為磁極圓環(huán)鐵芯，項(xiàng)22為電機(jī)永磁體，項(xiàng)23為內(nèi)定子鐵芯，項(xiàng)24為內(nèi)定子繞組。另外，圖中字母符號(hào)標(biāo)識(shí)N表示極性N的永磁體，S表示極性S的永磁體，I表示虛線框內(nèi)的磁性傳動(dòng)齒輪副，II表示虛線框內(nèi)的雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)，Zg表不鐵磁導(dǎo)磁極3的導(dǎo)磁極數(shù),nr表不高速輪的空心轉(zhuǎn)子前蓋10的轉(zhuǎn)速,即空心永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，^表示低速輪轉(zhuǎn)軸5的轉(zhuǎn)速Jp1 表示高速輪永磁體磁極9的極數(shù)，2ps表示低速輪永磁體磁極6的極數(shù)，2pm表示雙定子永磁電機(jī)的空心轉(zhuǎn)子極數(shù)。(一 )、直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)由圓盤形狀的磁性傳動(dòng)齒輪副I、雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)II復(fù)合組成,并與前端蓋I、后端蓋16、機(jī)殼13、軸承一 4、軸承二 7、軸承三14等結(jié)構(gòu)零件裝配集成為一整體；( 二)、直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)的磁性傳動(dòng)齒輪副I的低速輪、高速輪呈扁平的圓盤形狀，低速輪盤8上裝配2ps個(gè)低速永磁體磁極6，空心轉(zhuǎn)子前蓋10上裝配2 個(gè)高速永磁體磁極9構(gòu)成磁性傳動(dòng)齒輪副I的高速輪，低速輪與高速輪之間裝配有起調(diào)制氣隙磁場(chǎng)作用的調(diào)磁柵支架2和Zg個(gè)鐵磁導(dǎo)磁極3且彼此間均有氣隙，三者之間通過氣隙平面的橫向磁場(chǎng)耦合，彼此間無機(jī)械接觸和摩擦且成同軸線分布；低速輪轉(zhuǎn)軸5的轉(zhuǎn)速ns和力矩Ts、高速輪的空心轉(zhuǎn)子前蓋10的轉(zhuǎn)速I和力矩I；、磁性傳動(dòng)齒輪副I的傳動(dòng)效率η、鐵磁導(dǎo)磁極3的導(dǎo)磁極數(shù)Zg、低速輪永磁體磁極6的極對(duì)數(shù)Ps、高速輪永磁體磁極9的極對(duì)數(shù)h滿足以下關(guān)系約束
權(quán)利要求
1.直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)，其特征是 一、直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)由·圓盤形狀的磁性傳動(dòng)齒輪副(I)、雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)(II)復(fù)合組成,并與前端蓋(I)、后端蓋(16)、機(jī)殼(13)、軸承一(4)、軸承二(7)、軸承三(14)等結(jié)構(gòu)零件裝配集成為一整體； 二、直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)的磁性傳動(dòng)齒輪副(I)的低速輪、高速輪呈扁平的圓盤形狀，低速輪盤(8)上裝配2ps個(gè)低速永磁體磁極￠)，空心轉(zhuǎn)子前蓋(10)上裝配2 個(gè)高速永磁體磁極(9)構(gòu)成磁性傳動(dòng)齒輪副⑴的高速輪，低速輪與高速輪之間裝配有起調(diào)制氣隙磁場(chǎng)作用的調(diào)磁柵支架(2)和；個(gè)鐵磁導(dǎo)磁極(3)且彼此間均有氣隙，三者之間通過氣隙平面的橫向磁場(chǎng)耦合，彼此間無機(jī)械接觸和摩擦且成同軸線分布；低速輪轉(zhuǎn)軸(5)的轉(zhuǎn)速ns和力矩Ts、高速輪的空心轉(zhuǎn)子前蓋(10)的轉(zhuǎn)速&和力矩I；、磁性傳動(dòng)齒輪副(I)的傳動(dòng)效率Π、鐵磁導(dǎo)磁極(3)的導(dǎo)磁極數(shù)Zg、低速輪永磁體磁極(6)的極對(duì)數(shù)Ps、高速輪永磁體磁極(9)的極對(duì)數(shù)滿足以下關(guān)系約束
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)，其特征是在電機(jī)前端裝有圓盤形狀的磁性傳動(dòng)齒輪副(I)，該磁性傳動(dòng)齒輪副(I)由低速輪轉(zhuǎn)軸(5)、低速輪盤(8)、低速永磁體磁極(6)、調(diào)磁柵支架(2)和鐵磁導(dǎo)磁極(3)、高速永磁體磁極(9)、空心轉(zhuǎn)子前蓋(10)所構(gòu)成；低速輪盤⑶上裝配的2ps個(gè)低速永磁體磁極(6)按N極、S極間隔排列的方式分布，空心轉(zhuǎn)子前蓋(10)上裝配的2 個(gè)高速永磁體磁極(9)同樣按N極、S極間隔排列的方式分布，低速輪盤(8)、空心轉(zhuǎn)子前蓋(10)采用導(dǎo)磁的鋼材制作；調(diào)制氣隙磁場(chǎng)作用的調(diào)磁柵支架(2)由非導(dǎo)磁的不銹鋼材料加工成型，并與機(jī)殼(13)緊配合連接，調(diào)磁柵支架(2)上沿周向均勻分布有Zg個(gè)輻射狀扇形孔，扇形孔中緊配合壓入鐵磁導(dǎo)磁極(3)，鐵磁導(dǎo)磁極(3)由電工純鐵薄板經(jīng)沖壓、鉚焊并精加工成型；鐵磁導(dǎo)磁極(3)、低速永磁體磁極(6)、高速永磁體磁極(9)三者的徑向長(zhǎng)度應(yīng)相等，電機(jī)通過低速輪轉(zhuǎn)軸(5)與外部動(dòng)力裝置或負(fù)載機(jī)械連接從而傳遞低轉(zhuǎn)速大力矩動(dòng)能，所傳遞的機(jī)械功率正比于永磁體的體積和永磁材料的單位磁能積的乘積。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)，其特征是圓桶形的空心永磁轉(zhuǎn)子異極性永磁體磁極之間無轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯連接磁路，電機(jī)永磁體(22)為平板式結(jié)構(gòu)并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極圓環(huán)鐵芯(21)的磁鋼槽內(nèi)，磁體排列方式為多片同極性磁體組成一個(gè)磁極，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，組成每個(gè)磁極的同極性磁體并聯(lián)個(gè)數(shù)與尺寸決定于電機(jī)磁極數(shù)和極弧系數(shù)、氣隙磁通量以及永磁體制造工藝要求；磁極圓環(huán)鐵芯(21)采用硅鋼薄鋼板沖壓成整圓環(huán)狀，其上分布有磁鋼槽、極間拉桿方孔，圓環(huán)狀沖片經(jīng)疊壓后在兩端由空心轉(zhuǎn)子端環(huán)(18)與2pm個(gè)極間拉桿(11)鉚焊成一整體空心轉(zhuǎn)子鐵芯，采用精車加工出轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)外圓及兩端定位止口，空心轉(zhuǎn)子端環(huán)(18)和極間拉桿(11)都用非導(dǎo)磁的不銹鋼材料制作；空心轉(zhuǎn)子鐵芯兩端裝配空心轉(zhuǎn)子前蓋(10)、空心轉(zhuǎn)子后蓋(17)，前、后蓋由止口定位且由螺栓(12)緊固于極間拉桿(11)的螺紋孔上，前、后蓋經(jīng)滾動(dòng)軸承三(14)與內(nèi)定子支撐軸(15)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)，其特征是外定子鐵芯(20)與內(nèi)定子鐵芯(23)采用硅鋼薄鋼板沖壓成形后經(jīng)疊壓、鉚焊成一整體，夕卜定子鐵芯(20)緊配合壓入機(jī)殼(13)，內(nèi)定子鐵芯(23)緊配合壓入內(nèi)定子支撐軸(15)，內(nèi)定子支撐軸(15) —端與后端蓋(16)、另一端與調(diào)磁柵支架(2)精確定位連接；外定子鐵芯內(nèi)圓及內(nèi)定子鐵芯外圓都均勻分布有繞組嵌線槽，并分別裝有兩套相互獨(dú)立的三相對(duì)稱的外定子繞組(19)和內(nèi)定子繞組(24);發(fā)電機(jī)工況兩套繞組對(duì)外輸出電能，電動(dòng)機(jī)工況通過控制輸入兩套繞組的電流、電壓及頻率實(shí)現(xiàn)低速大力矩輸出的無級(jí)變速傳動(dòng)要求。
全文摘要
直驅(qū)式磁性傳動(dòng)與雙定子結(jié)構(gòu)的復(fù)合永磁電機(jī)，是將雙定子空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的新型永磁電機(jī)與磁性齒輪傳動(dòng)技術(shù)融為一體，以直接實(shí)現(xiàn)電能和低轉(zhuǎn)速大力矩機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的新型直驅(qū)式復(fù)合永磁電機(jī)，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、電動(dòng)汽車、船艦驅(qū)動(dòng)及其它需要直接驅(qū)動(dòng)的工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域。其特征是由圓盤形狀的磁性傳動(dòng)齒輪副I、雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)II復(fù)合組成一體化結(jié)構(gòu)，利用橫向磁場(chǎng)的磁性傳動(dòng)齒輪副I來實(shí)現(xiàn)高速和低速機(jī)械動(dòng)能的變速傳動(dòng)；并利用徑向磁場(chǎng)的雙定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)II來實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，其磁路結(jié)構(gòu)為空心永磁轉(zhuǎn)子的兩異極性永磁極間直接串聯(lián)內(nèi)、外兩臺(tái)定子而構(gòu)成閉合磁路，三者之間呈徑向同心式結(jié)構(gòu)且存在兩個(gè)氣隙。
文檔編號(hào)H02K16/04GK102957260SQ20111026309
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者余虹錦 申請(qǐng)人:余虹錦