CN111404342B - 一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机 - Google Patents

一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机，包括由内而外依次设置的内定子、转子调制器、外定子，其中，内定子与转子调制器之间设有内气隙，转子调制器与外定子之间设有外气隙；所述内定子包括内定子铁心和主磁极永磁体，主磁极永磁体采用表贴式排列均匀贴附于内定子铁心外侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反；所述转子调制器包括转子铁心以及承托转子铁心的隔磁环，转子铁心包含由内而外依次设置的内侧极弧、中间极弧和外侧极弧，其中，内侧极弧、中间极弧和外侧极弧的分布互不相等；所述电机外定子包括外定子铁心和电枢绕组，电枢绕组设于外定子铁心上。此种电机拓扑可提高电机转矩输出并改善其他外特性表现。

Description

一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机
技术领域
本发明属于新型磁场调制电机领域，特别涉及一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机拓扑。
背景技术
近十年来，磁齿轮复合电机由于其独特的功能和优秀的性能逐步引起国内外学者的关注，不仅如此，基于同轴磁齿轮衍变的磁齿轮复合电机在世界范围内尚属于非常前沿的工程技术。磁齿轮复合电机在结构上无刷、无机械齿轮磨损，从而具备低维护成本和高可靠性的优点；相比传统的异步电机和电励磁同步电机，磁齿轮复合电机还具备结构简单、效率高、转矩输出能力强的显著优势；这些优点使其在混合动力汽车等领域的应用前景受到了很多业内专家的认可。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机，其可提高电机转矩输出并改善其他外特性表现。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机，包括由内而外依次设置的内定子、转子调制器、外定子，其中，内定子与转子调制器之间设有内气隙，转子调制器与外定子之间设有外气隙；
所述内定子包括内定子铁心和主磁极永磁体，主磁极永磁体采用表贴式排列均匀贴附于内定子铁心外侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反；
所述转子调制器包括转子铁心以及承托转子铁心的隔磁环，转子铁心包含由内而外依次设置的内侧极弧、中间极弧和外侧极弧，其中，内侧极弧、中间极弧和外侧极弧的分布互不相等；
所述电机外定子包括外定子铁心和电枢绕组，电枢绕组设于外定子铁心上。
上述转子调制器中，外侧极弧为中间极弧的285％–300％。
上述转子调制器中，内侧极弧为中间极弧的180％–200％。
上述隔磁环采用既不导磁也不导电的材料制备。
上述隔磁环采用环氧树脂制备。
采用上述方案后，与传统转子调制器内外极弧径向分布，即内外极弧Rin与Rout相等的磁齿轮复合电机相比，本发明提出的磁齿轮复合电机转子调制器的内侧极弧Rin、中间极弧Rmiddle、外侧极弧Rout分布互不相等，形似上半部分“倒三角”调磁环与下半部分“正三角”调磁环组合而成。该组合方式能够增加相应磁场转换系数，即对于电枢磁场而言能够提高调制谐波幅值，然而却削弱励磁磁场调制谐波幅值并保证其基波分量不被削减，从而有效改善该磁齿轮复合电机的气隙磁场分布，增加负载磁链与反电势基波分量，提升其转矩传递能力，并能一定程度上抑制磁链高次无效谐波、负载转矩脉动等负面外特性。
本发明涉及的磁齿轮复合电机基于磁场调制原理，外定子电枢绕组可按照极对数较少的高速磁场设计，结构简单紧凑；转子调磁环仍保持低速旋转，适用于低速直驱应用领域，具有重要的科研和应用价值。相比传统的表贴式永磁同步电机，该磁齿轮复合电机能够利用有效谐波磁场从而进一步改善绕组感应电动势，从而使得磁齿轮复合电机能够提供比传统永磁同步电机更高的转矩传递能力。
附图说明
图1是传统转子调制器内外极弧相等磁齿轮复合电机截面图；
图2a是组合式转子调制器磁齿轮复合电机截面图；
图2b是图2a所示磁齿轮复合电机中转子铁心的结构示意图；
图3是调制励磁磁场波形及频谱对比图；
图4是调制电枢磁场波形及频谱对比图；
图5是各次谐波贡献转矩分量示意图；
图6是转矩外特性对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机，该电机从里到外依次包括电机内定子1、内气隙13、转子调磁环2、外气隙23、外定子3；
所述电机内定子1包括内定子铁心11、主磁极永磁体12；所述主磁极永磁体12采用表贴式排列均匀贴附于内定子铁心11外侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体12充磁方向相反；所述转子调磁环2由转子铁心21以及承托转子铁心21的隔磁环22构成；所述电机外定子3包括外定子铁心31、电枢绕组32，电枢绕组32作为空间谐波滤波器提取有效的气隙磁通密度谐波分量用于感应生成磁链或电动势；所述转子调磁环2为磁阻凸极结构，由内、中、外侧极弧互不相等分布组合而成，能够调制初始磁动势分布以产生一系列磁动势谐波分量，因此它也被称为转子调制器。
所述隔磁环22采用既不导磁也不导电的材料(如环氧树脂)制备。
转子铁心21与内定子主磁极永磁体12极对数近乎相等，转子铁心21为调制励磁磁场提供了多数的闭合磁路，即外气隙23中调制励磁磁场较弱，故电枢磁场与励磁磁场相互作用产生转矩主要发生于内气隙13。而无论是图1所示的传统转子调制器内外极弧相等磁齿轮复合电机，还是图2a所示的组合式转子调制器磁齿轮复合电机，其内气隙13调制励磁磁场均包含转子铁心21异步调制出谐波次数为2(NRT–pf)、12(pf)、16(2NRT–pf)、26(NRT+pf)的多种谐波，其中NRT为转子铁心21的极对数，pf为主磁极永磁体12的极对数。同样地，内气隙13调制电枢磁场包含转子铁心21异步调制出谐波次数为2(pa)、4(2pa)、10(NST–pa)、12(NRT–pa)、26(2NRT–pa)的多种谐波，其中pa为电枢绕组32的主极对数。两个磁场中极对数、转速对应相等的2、12次谐波相互作用产生主要的稳定平均转矩。
由图5可知，调制气隙磁场中2对极磁场，即电枢磁场主极对数次谐波不贡献转矩甚至贡献较小的负转矩。这是由于该组合式转子调制器磁齿轮复合电机调制器为转子铁心21，且外定子铁心31为闭口槽，当两套绕组极对数之和等于转子铁心21极对数时，该极对数绕组星形矢量图一致。即2对极和12对极绕组绕法一致，且绕组因数相同，但实际磁场方向相反。由于贡献励磁磁场的主磁极永磁体12极对数为12(pf)，故2对极磁场旋转方向与电机旋转方向相反。故经电枢磁场与励磁磁场分量分解，2对极磁场中励磁和电枢径向分量相差180度，由麦克斯韦张量法求解转矩可知，2对极磁场贡献平均值为0的转矩分量。
对于传统内外极弧Rin与Rout相等的转子调制器，其基波与调制谐波的磁场转换系数均能保持一定的幅值，即保证一定程度的高转矩输出。但由于该磁齿轮复合电机仅主磁极永磁体12极对数分量，即12次谐波分量贡献平均转矩，故理论存在更加合理的转子铁心21内外侧极弧Rin与Rout分布组合方式，使得其分别利于改善调制电枢磁场、调制励磁磁场分布，从而获得最佳的外特性输出。经分析可知，当转子铁心21外侧极弧Rout约为中间极弧Rmiddle的285％–300％时，即形似翻转的“正三角”结构利于提高调制谐波磁场转换系数，可用于提高调制电枢磁场调制谐波次数为12(NRT–pa)的幅值；而当转子铁心21外侧极弧Rout约为内侧极弧Rin的142％–161％时，即形似“倒三角”分布的结构，利于削弱调制谐波幅值磁场转换系数，并能够保持较高的基波磁场转换系数，可用于提高调制励磁磁场调制基波12(pf)次的幅值，并抑制无效的调制谐波次数为2(NRT–pf)的幅值。
进一步分析可知，若转子铁心21中间极弧Rmiddle增加而内外极弧Rin和Rout保持不变时，转矩输出会有所下降，这是由于转子铁心21调制方程改变从而影响磁场转换系数大小，使得调制电枢磁场调制谐波幅值及调制励磁磁场基波径向幅值增加，但调制励磁磁场基波切向幅值有所降低，由麦克斯韦张量法求解转矩可知，该分量降低时转矩输出可能有所降低。最优转矩输出时转子铁心21外侧极弧Rout大于内侧极弧Rin，整体呈现“倒三角”形态，而最小转矩脉动时转子铁心21外侧极弧Rout接近甚至小于内侧极弧Rin，整体呈现“正三角”形态。经综合外特性对比，最终确定该定子12槽转子14极磁齿轮复合电机的最优内侧极弧Rin、中间极弧Rmiddle、外侧极弧Rout分布组合方式，其机械角度分别等于13deg，7deg，20deg。值得注意的是，在转子铁心21内、中、外侧极弧分析优化过程中，并未考虑转子铁心21的厚度问题，此时转子铁心21并未呈现影响性能的饱和问题。另外，当磁齿轮复合电机定转子槽极配合发生改变时，最优内、中、外侧极弧机械角度可能发生变化，但其分布组合方式及规律不变。
另一方面，电枢磁场与励磁磁场调制方向不同，以电枢磁场为例，其转子铁心21从外定子电枢绕组32望向内气隙13为外侧极弧Rout大于内侧极弧Rin及中间极弧Rmiddle的“正三角”结构；再以励磁磁场为例，其转子铁心21从内气隙13望向外定子铁心31为内侧极弧Rin小于外侧极弧Rout的“倒三角”结构。整体而言转子铁心21为上半部分“倒三角”调磁环与下半部分“正三角”调磁环的组合。该组合方式能够有效改善该磁齿轮复合电机的气隙磁场分布，在适当削减调制励磁磁场基波径向分量的前提下，大幅增加调制励磁磁场基波切向分量幅值，并同时提高调制电枢磁场调制谐波径向与切向分量幅值。气隙磁场的改善能够增加负载磁链与反电势基波分量，提升其转矩传递能力，由图5可知，12次谐波贡献转矩能力相比传统转子调制器内外极弧相等磁齿轮复合电机有较大幅度提升(12.16％)；由图6可知，组合式转子铁心21在增加转矩输出的条件下，能够一定程度上抑制负载转矩脉动(下降25.59％)等负面因素，具有较好的外特性表现。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种组合式转子调制器磁齿轮复合电机，其特征在于：包括由内而外依次设置的内定子、转子调制器、外定子，其中，内定子与转子调制器之间设有内气隙，转子调制器与外定子之间设有外气隙；
所述内定子包括内定子铁心和主磁极永磁体，主磁极永磁体采用表贴式排列均匀贴附于内定子铁心外侧，沿圆周径向充磁，相邻的主磁极永磁体充磁方向相反，主磁极永磁体的极对数为12；
所述转子调制器包括转子铁心以及承托转子铁心的隔磁环，转子铁心包含由内而外依次设置的内侧极弧、中间极弧和外侧极弧，其中，内侧极弧、中间极弧和外侧极弧的分布互不相等；外侧极弧为中间极弧的285％–300％，形似翻转的“正三角”结构；内侧极弧为中间极弧的180％–200％，形似“倒三角”分布的结构；所述转子铁心的极对数为14；
所述电机外定子包括外定子铁心和电枢绕组，电枢绕组设于外定子铁心上；外定子铁心采用闭口槽结构。
2.如权利要求1所述的组合式转子调制器磁齿轮复合电机，其特征在于：所述隔磁环采用既不导磁也不导电的材料制备。
3.如权利要求2所述的组合式转子调制器磁齿轮复合电机，其特征在于：所述隔磁环采用环氧树脂制备。
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