[发明专利]基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，属于新型特种电机技术领域，适用于对可靠性、调速性能要求较高的低速大转矩直驱应用场合。

背景技术

工业生产中有许多需要变速驱动的场合，常采用的变速机械齿轮箱存在固有缺陷：噪声大、机械磨损较严重、需要定期维护等。磁齿轮作为一种新型的依靠磁场耦合传递转矩的非接触式齿轮结构，有效地改进了传统机械齿轮的缺陷，具有噪声低、可靠性高、免维护、过载自动保护的优点。对比其他磁齿轮拓扑结构，基于调磁谐波原理的同轴磁齿轮在工作时，所有的永磁体都参与转矩传递，有效提高了永磁体利用率、转矩密度。将同轴磁齿轮与永磁无刷外转子电机相整合构成的永磁复合电机通过磁齿轮进行变速驱动，完成转矩传递，是一种适用于低速大转矩直驱应用场合的新型电机。

传统的基于磁齿轮的永磁复合电机主要可分为以下三种拓扑结构：

(1)三气隙结构，即简单地将电动机定子嵌入共轴磁齿轮内转子的中空部分，由内至外排列分别为电动机内定子、电动机外转子、磁齿轮内转子、调磁环、磁齿轮外转子。其结构极为复杂，加工工艺难度大，永磁体用量大，空间利用率低。

(2)双气隙结构，在三气隙结构的基础上，省却了电动机外转子与磁齿轮内转子，减小了永磁体用量，简化了结构，提高了空间利用率。

(3)单气隙结构，在双气隙结构的基础上，进一步用定子齿代替调磁环调制磁场，不仅使电机结构更为紧凑，转矩密度增大，且提高了定子的功能密度。

目前，上述传统的基于磁齿轮的永磁复合电机已被广泛学者运用到电动汽车、风力发电等低速大转矩驱动场合。但分析发现，无论采用上述哪种结构，电动机外转子在旋转时都易发生永磁体脱落情况，影响运行可靠性，降低了转子的机械强度，限制了电机应用场合。另外，由于传统永磁电机仅由永磁体单独励磁，气隙磁场无法调节，限制了电机的调速范围、转矩输出与容错运行能力。

因此，有必要提出一种新型的电机拓扑结构来解决上述问题。

发明内容

发明目的：针对现有基于磁齿轮的永磁复合电机拓扑结构的缺陷，提出一种具有较高转子机械强度的新型电机拓扑结构。

技术方案：一种基于磁齿轮的转子凸极式混合励磁电机，该电机包括外转子、永磁体、定子、电枢绕组、支撑轴以及轴承；

所述外转子内环上设置有等距排列的外转子凸极；

所述外转子通过轴承与电机支撑轴转动连接；

所述定子通过电机支撑轴固定设置；

所述永磁体贴于定子的定子齿的表面；

所述永磁体采用径向磁化方式，且每一块永磁体的大小、形状相同，相邻永磁体磁化方向相反；

所述电枢绕组绕制于定子的定子齿上并通交流电；

所述永磁体与外转子相对设置，所述外转子凸极与永磁体之间有气隙；

所述外转子的凸极个数Nr、定子的定子齿个数Nt、电枢绕组产生空间磁场的极对数p满足关系式：Nr±p＝Nt/2。

作为本发明的改进，电机还包括励磁绕组，所述励磁绕组绕制于定子的定子齿上并通直流电，相邻槽内的励磁绕组电流方向相反。

进一步的，所述定子的定子齿采用平行齿结构。

进一步的，所述永磁体材料为钕铁硼，所述外转子和定子材料为硅钢片。

进一步的，所述电枢绕组为三相双层分布式绕组。

有益效果：该电机基于磁齿轮原理，实现将电枢绕组的高速磁场转换为转子侧的低速旋转磁场，实现了自减速功能，省去了传统机械变速齿轮箱。因此，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了装置可靠性；同时也提高了电机转速，减小电机的体积，重量和制造成本，使电机能在低转速下提供较大的转矩；

该电机采用定子励磁型结构，永磁体贴于定子的定子齿表面，转子上无永磁体，相较传统转子永磁型结构电机而言，该结构能够避免电动机外转子在旋转时发生永磁体脱落的情况；同时，其转子加工工艺简单，节约了成本，转子的机械强度也更高；定子齿上表贴式永磁体的设计，使电机漏磁减少，从而减少了损耗；该电机以外转子的凸极齿代替传统磁齿轮中的调磁环结构，既实现了磁场调制功能，具有传统磁齿轮复合电机的优点，也使得电机结构更简单，结构更紧凑。