專利名稱：一種盤式低速大轉矩永磁游標電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種Halbach盤式低速大轉矩永磁游標電機，屬于特種電機技術領域。
背景技術：
傳統的磁齒輪包括內外兩層氣隙、內外同心的轉子和中間用來調節磁場的調磁環。盤式外轉子永磁游標電機是最近提出的一種電機，通過定子上磁通調制極的引入，省去了傳統磁齒輪復合電機中的內轉子以及獨立的調磁環結構，使得裝置結構更為簡單，解決了機械齒輪傳動系統噪聲高、效率低、傳輸精度低、響應慢、機械磨損等問題。盤式電機具有其獨特的優點，同時磁齒輪的概念逐步得到推廣，其應用范圍也將不斷擴大，此處將盤式電機與磁齒輪相結合，并進行改進，形成一種盤式永磁游標電機，其具有如下優點
(1)盤式電機具有運行可靠、結構簡單、維護方便、效率高和無級調速等特點，尤其體積小和重量輕，特別適用于對體積和重量有苛刻要求的場合以及低速電機中。(2)鏡像對稱的電機結構，較大程度抵消了定子與兩側轉子間的單邊磁拉力，同時還可提高電機的容量。(3)將磁齒輪引入到盤式電機中組成復合電機，這種結構通過磁齒輪實現一定的速度變比，無需配備減速機構。同時，由于磁齒輪噪聲低、免維修、可靠性高、轉矩傳輸能力大、過載自動保護等優點。電機的高密度設計使得電機單位體積的損耗和發熱量增大，導致電機各部份溫度升高、轉子永磁體的內稟矯頑力下降和加速永磁磁鋼累積退磁效應的進程。圓柱形電機的結構特點限制了其散熱的能力，但是盤式電機中盤形的轉子結構提供了一個較大的散熱面，有利于電機散熱，從而為電機功率密度的增加提供了空間，同時將磁齒輪融合到盤式電機中，可有效地提高可靠性，降低噪聲，并支持過載自動保護。另外，本裝置外轉子永磁體采用特殊的Halbach陣列，通過調整永磁體寬度以及 Halbach永磁陣列的充磁方向，可以獲得提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，降低轉子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。因此，有必要提出一種Halbach盤式低速大轉矩永磁游標電機裝置。
發明內容
技術問題本發明通過提出一種盤式低速大轉矩永磁游標電機，解決了一般盤式電機漏磁及軛部磁密大等問題，該裝置在外轉子永磁體上采用特殊的Halbach永磁陣列， 從而可以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，減少轉子磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。同時，盤式電機結構的應用解決了圓柱形徑向電機冷卻困難和鐵心禾Ij用率低等問題， 并具有較高的功率密度。技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種盤式低速大轉矩永磁游標電機，該電機包括支承軸、軸承、外轉子、夾設在外轉子中的定子、設置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒、磁通調制極、開設在定子上的定子槽、機殼；
外轉子與機殼合為一體，外轉子通過軸承與支撐軸轉動連接；外轉子包括轉子軛鐵心和永磁體，轉子軛鐵心固定在機殼上，永磁體沿圓周方向等距離嵌放在轉子軛鐵心上；
定子采用盤式開槽嵌入式結構，定子齒上設有磁通調制極，磁通調制極之間是非導磁的空氣隙，繞組嵌放在定子槽中；定子及外轉子在軸向上呈鏡像對稱結構。優選的，外轉子與定子之間有氣隙。優選的，外轉子永磁體極對數r^與電樞繞組極對數np之和為磁通調制極的個數ns。優選的，永磁體材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。優選的，轉子軛鐵心和定子材料均為硅鋼，支承軸和軸承材料為不導磁材料。有益效果
(1)省去了機械變速齒輪箱，但卻可以獲得較大的機械轉矩，不存在齒輪箱的機械磨損、維護和噪音問題，提高了裝置可靠性，同時減小電機的體積，降低了重量和驅動系統制造成本；
(2)該盤式電機加工工藝簡單，穩定性及可靠性得到提高；
(3)電機中有更多的磁力線通過氣隙，因此氣隙磁通密度的有效諧波成份值比普通磁場調制式永磁電機高，輸出轉矩增大；
(4)電機轉子磁軛磁通密度可以大量減少，這將減少轉子磁軛鐵芯損耗，縮小轉子軛部大小，節省材料；
(5)外轉子永磁體之間通過鐵心隔離，阻斷了各永磁體中渦流電流的相互流動，降低了轉子永磁體中的渦流損耗；
(6)轉子采用高磁能積釹鐵硼勵磁，沒有滑環和電刷，無需外加電源勵磁，具有結構簡單、體積小重量輕、功率密度高、效率高以及可靠性好等優點。盤式結構提供較大的散熱面，較徑向電機具有較好的冷卻效果，具有較高的鐵心利用率，也具有較大的功率密度。
圖1為本發明結構示意圖。其中有支承軸1、軸承2、磁通調制極3、外轉子4、定子5、永磁體6、轉子軛鐵心7、 定子槽8、機殼9、定子齒10。圖2為本發明中定子部分示意圖。其中有磁通調制極3、定子槽8、定子齒10。圖3為本發明中轉子永磁體的充磁方向示意圖。其中有永磁體6、轉子軛鐵心7.永磁體6每個極被分成三份，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調節，以達到最大的功率輸出。圖4為本發明中外轉子及定子沿徑向剖開然后拉直后的詳細展開示意圖。其中有磁通調制極3、外轉子4、定子5、永磁體6、轉子軛鐵心7、定子槽8、定子齒 10。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發明進行說明。本發明涉及一種盤式低速大轉矩永磁游標電機，它通過電機定子上磁通調制極的磁場調制作用，能在保證磁齒輪復合電機優點的同時省去傳統磁齒輪結構中獨立的調磁環以及磁齒輪的一個內轉子，解決了傳統電機低速運行體積大、結構復雜的問題，同時外轉子永磁體采用特殊的Halbach永磁陣列，減少轉子磁軛的磁通密度，降低鐵心損耗，可減小電機體積，提高功率密度。參見圖1 一 4，本發明提供的盤式低速大轉矩永磁游標電機，該電機包括支承軸1、 軸承2、外轉子4、夾設在外轉子4中的定子5、設置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒 10、磁通調制極3、開設在定子上的定子槽8、機殼9 ；
外轉子4與機殼9合為一體，外轉子4通過軸承2與支撐軸1轉動連接；外轉子4包括轉子軛鐵心7和永磁體6，轉子軛鐵心7固定在機殼9上，永磁體6沿圓周方向等距離嵌放在轉子軛鐵心7上；
定子5采用盤式開槽嵌入式結構，定子齒10上設有磁通調制極3，磁通調制極3之間是非導磁的空氣隙，繞組嵌放在定子槽8中；定子5及外轉子4在軸向上呈鏡像對稱結構。外轉子4與定子5之間有氣隙。外轉子永磁體極對數與電樞繞組極對數np之和為磁通調制極3的個數ns。永磁體6材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。轉子軛鐵心7和定子5材料均為硅鋼，支承軸1和軸承2材料為不導磁材料。
定子電樞繞組磁場極對數與永磁體極對數之比即為該裝置可實現的速度變比。通過適當選擇電機的外轉子上永磁體極對數和磁通調制極的個數，可應用于不同需要的低速直驅場合。盤式電機的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，能夠實現較高的轉矩-能量比和功率密度。此外，電機外轉子上采用Halbach陣列，通過調整永磁體寬度以及Halbach永磁陣列的充磁方向，和徑向充磁普通磁場調制式永磁電機相比，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，降低轉子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。本發明公開了一種盤式低速大轉矩永磁游標電機，該電機是基于磁場調制原理的盤式永磁游標電機。它通過電機定子上磁通調制極的作用，省去傳統磁齒輪復合電機中的獨立調磁環部件以及磁齒輪的一個內轉子，解決了傳統電機低速運行體積大、結構復雜的問題。同時外轉子永磁體采用特殊的Halbach永磁陣列，減少轉子磁軛的磁通密度，降低鐵心損耗。磁通調制極的個數ns等于外轉子永磁體極對數r^加電樞繞組極對數np，定子電樞繞組磁場極對數與永磁體極對數之比即為該電機可實現的速度變比。通過適當選擇電機外轉子永磁體極對數和磁通調制極的個數，可應用于不同的需要低速直驅的場合。電機外轉子永磁體采用Halbach永磁陣列，通過調整永磁體寬度以及充磁方向，和徑向充磁普通磁場調制式永磁電機相比，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，降低轉子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。當定子電樞繞組通以一定頻率的交流電時，電樞繞組電流產生的旋轉磁場角速度為辟，通過磁通調制極的磁場調制作用，在氣隙中產生一個調制波磁場，其旋轉角速度為-約，該磁場與外轉子上的永磁體相互作用，帶動外轉子旋轉，通過改變通入繞組電流的頻率從而實現不同的角速度^，進而得到不同的外轉子旋轉速度- 實現調速驅動。卿 2為速度變比，等于外轉子永磁體極對數與定子電樞繞組產生的磁場極對數之比。本發明是盤式低速大轉矩永磁游標電機，外轉子永磁體極極對數與電樞繞組極對數np之和等于磁通調制極3的個數ns，磁通調制極3代替了普通磁齒輪中的調磁環，用來進行磁場調制。該電機的定子5及外轉子4在軸向上呈鏡像對稱結構。另外，定子電樞繞組磁場極對數與永磁體極極對數之比即為該裝置可實現的速度變比。本發明的基本原理為磁齒輪調磁環的空間磁場調制原理，利用空間諧波傳遞能量，該裝置既可以運行在電動狀態，也可以運行在發電狀態。當該裝置運行在電動狀態時，定子電樞繞組中通以一定頻率的交流電，電樞繞組電流產生的旋轉磁場角速度為%，經過磁通調制極的調制作用，在氣隙中產生一個調制波
磁場，其旋轉角速度為-巧，該磁場與外轉子處的永磁體相互作用，帶動外轉子同步旋轉， 負號表示調制波磁場與電樞繞組磁場的旋轉方向相反。通過改變電樞電流的頻率從而實現不同的角速度^，進而得到不同的外轉子旋轉速度，實現調速驅動。礙約為速度變比，等于外轉子永磁極對數r^與定子電樞繞組磁場極對數np之比。因此，該裝置可應用在需要低速大轉矩的場合，滿足在低速時對較大轉矩輸出的要求。當該裝置運行在發電狀態時，外轉子以角速度-禮旋轉，經過磁通調制極的調制
作用，調制出以角速度 !旋轉的匝鏈定子的磁場，該磁場與電機定子繞組產生相對運動，
切割繞組導線產生電能。卿^為速度變比，等于外轉子永磁體極對數η,與定子電樞繞組磁場極對數ηρ之比。通常情況下，外轉子永磁體數r^大于定子磁場極對數ηρ，所以這可實現電機在低速條件下發電運行，故本裝置也可應用在風力發電的場合。以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種盤式低速大轉矩永磁游標電機，其特征在于該電機包括支承軸(1)、軸承 O)、外轉子(4)、夾設在外轉子(4)中的定子(5)、設置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒(10)、磁通調制極(3)、開設在定子上的定子槽(8)、機殼(9)；外轉子(4)與機殼(9)合為一體，外轉子(4)通過軸承(2)與支撐軸(1)轉動連接；外轉子(4 )包括轉子軛鐵心(7 )和永磁體(6 )，轉子軛鐵心(7 )固定在機殼(9 )上，永磁體(6) 沿圓周方向等距離嵌放在轉子軛鐵心(7)上；定子(5)采用盤式開槽嵌入式結構，定子齒(10)上設有磁通調制極(3)，磁通調制極 (3)之間是非導磁的空氣隙，繞組嵌放在定子槽(8)中；定子(5)及外轉子(4)在軸向上呈鏡像對稱結構。
2.根據權利要求1所述的盤式低速大轉矩永磁游標電機，其特征在于外轉子(4)與定子(5)之間有氣隙。
3.根據權利要求1所述的盤式低速大轉矩永磁游標電機，其特征在于外轉子永磁體極對數r^與電樞繞組極對數np之和為磁通調制極(3)的個數ns。
4.根據權利要求1所述的盤式低速大轉矩永磁游標電機，其特征在于永磁體(6)材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份充磁方向不同。
5.根據權利要求1所述的盤式低速大轉矩永磁游標電機，其特征在于轉子軛鐵心 (7)和定子(5)材料均為硅鋼，支承軸(1)和軸承(2)材料為不導磁材料。
全文摘要
本發明涉及一種盤式低速大轉矩永磁游標電機，該電機包括支承軸(1)、軸承(2)、外轉子(4)、夾設在外轉子(4)中的定子(5)、設置在定子外周且凸出于定子外周的定子齒(10)、磁通調制極(3)、開設在定子上的定子槽(8)、機殼(9)；外轉子(4)與機殼(9)合為一體，外轉子(4)通過軸承(2)與支撐軸(1)轉動連接；外轉子(4)包括轉子軛鐵心(7)和永磁體(6)，轉子軛鐵心(7)固定在機殼(9)上，永磁體(6)沿圓周方向等距離嵌放在轉子軛鐵心(7)上；定子(5)采用盤式開槽嵌入式結構。本發明能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出轉矩，降低轉子磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。
文檔編號H02K21/12GK102570750SQ201210013800
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者樊英, 薛鐘兵, 韓學棟, 魏夢颯 申請人:東南大學