CN202602458U - 双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机 - Google Patents

Abstract

双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机，可广泛应用于风力发电、电动汽车、船舰驱动、伺服驱动等工业传动领域。其特征是：由定子铁芯9与2p_s极的定子绕组8所组成的定子、和装有2p_r个转子永磁体18的转子铁芯17与输出轴16所组成的永磁转子、及有Z_b个凸极波数的凸极式磁导波转子6构成电磁齿轮复合永磁电机的主要传动部件，极对数p_s与p_r间数差较小，定子、永磁转子和凸极式磁导波转子6三者之间同轴安装且彼此间通过径向气隙磁场而耦合，利用少极差的异极性磁场吸引的原理在高速旋转的凸极式磁导波转子6的凸极直轴区域相互耦合，来驱动少极差的永磁转子低速旋转，从而实现无机械接触、无摩擦的动力变速变矩可控传动。

Description

双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机

技术领域

本发明是一种双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机，是将少极差的磁导谐波式电磁齿轮传动与永磁电机复合于一体的、具有两个机械功率端口和一个电功率端口的多端口永磁式变速、变矩电机，是实现高转速小力矩机械能、低转速大力矩机械能、及电相互转换的变速传动能量变换装置，可广泛应用于工业机器人伺服驱动、风力发电、水力发电、混合动力汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。

背景技术

在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如：风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将原动机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率，工业机器人、雷达跟踪***及机床加工中心大量使用的高精度伺服减速驱动机构。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来少齿差齿轮传动技术和谐波齿轮传动技术是大减速比传动的首选，少齿差传动因偏心引发许多了自转输出机构的加工精度、噪声、效率、震动等一系列问题，而谐波传动又因为柔轮的交替变形的强度、刚度、疲劳而引出传动***的可靠性和寿命挑战问题，传动力矩、功率和输入转速、传动效率一直难以提高。

中国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，大力发展稀土材料的应用有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁材料在电驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的各类电机产品，其单位体积材料传送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小，显示出其稀土材料巨大的优越性。近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国和丹麦学者提出了磁场调制技术理论及其传动结构，并从实践上完成了一种新型径向磁场调制式磁性齿轮的设计及样机验证工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点，这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域。

近期，本案发明人也提出了一种“径向磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副”(201210097726.2和201220139705.8)新结构，这种磁性齿轮副是利用两个传动轮副上的少极差磁场错极原理并结合机械谐波齿轮错齿传动技术原理来改进少极差磁性齿轮副的偏心结构，两种不同极数的永久磁场在特定波数的区域形成异极性相互吸引耦合来达到传递力矩和变速传动的目的，但这是一种双永磁在特定区域耦合变速的概念，这种结构的磁性齿轮虽然解决了少极差磁齿轮偏心的结构缺陷，但由于永久磁场无法调节，所以也无法实现随负载变化的力矩动态调节。截止目前为止国内外均还没有人提出过能通过调节电流来改变磁场从而动态跟踪负载力矩的磁导谐波式电磁齿轮；再者，目前国内外也没有人提出过将磁性齿轮与永磁电机从磁路结构上进行彻底融合统一、具有磁性齿轮变速和永磁电机驱动功能复合为一体的新结构，而这样的技术研究和结构发明对于工程应用尤其是对并联结构的混合动力车驱动***、以及风力发电、潜艇可控驱动等具有重要的意义。

发明内容

首先，借助图1来分析传统的机械式谐波齿轮传动的技术原理，图中：项3为输入轴，项20为定子刚轮，项21为柔轮转子，项22为波发生转轮；图中符号标识：n_b、n_r表示输入转速、输出转速，Z₁表示机械式谐波齿轮的定子刚轮20的内齿数，Z₂表示机械式谐波齿轮的柔轮转子21的外齿数，b_n表示机械式谐波齿轮的波发生转轮22的波数。当波发生转轮22装入柔轮转子21的内圆时，迫使柔轮转子21产生弹性变形，使其长轴处柔轮转子的轮齿***定子刚轮20的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态；由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生转轮22连续转动时，迫使柔轮转子21不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动的波发生转轮22与被动的柔轮转子21间的运动传递。谐波齿轮传动中错齿是运动产生的原因，定子刚轮20的内齿数Z₁与柔轮转子21的外齿数Z₂齿数差很小，其齿数差Z₁-Z₂＝±b_n决定了波发生转轮22转一周柔轮转子21变形时与定子钢轮同时啮合区域的数目，即波数；目前多用双波和三波传动。图1为波数为b_n＝+2的机械式谐波齿轮双波传动原理图；在图中所示的柔轮转子21旋转输出的条件下，其传动比为：b_n÷n_r＝-Z₂÷(Z₁-Z₂)＝-Z₂÷(±b_n)。

根据上述机械式谐波齿轮传动技术的原理，本技术发明的目的在于提供一种气隙磁密波随负载大小可调节变化的双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机新结构。本发明的基本构思是，借鉴机械式谐波齿轮传动中两传动轮副错齿运动的原理，并结合凸极式同步电机气隙磁场在直轴和交轴方向因气隙磁导变化导致气隙磁密波也周期***变的凸极效应理论，将谐波齿轮传动中高速的波发生转轮22用具有磁导凸极效应的凸极式磁导波转子代替，用定子绕组电励磁磁极取代定子刚轮20的内齿，用稀土材料的永磁体取代柔轮转子21上的外齿，凸极式磁导波转子与带有永磁极的柔轮转子之间、柔轮转子与带电励磁极的定子之间均存在气隙，三者同轴安装结构，彼此间通过径向气隙磁场而耦合。定子绕组内通过直流电流I，定子气隙将产生空间固定的静止磁场，定子磁场和转子的磁极数差很小，形成固定的少极差，通过少极差的异极性磁场吸引的原理在高速旋转的凸极式磁导波转子的凸极直轴区域相互耦合，来驱动少极差的磁性齿轮副低速旋转，从而形成磁导谐波式电磁齿轮变速工作状态；定子绕组内通以存在相位差的多相脉冲电流i，定子气隙将产生旋转磁场，该旋转磁场将与从输入端口输入给凸极式磁导波转子的高速旋转机械动力共同作用，驱动带有永磁极的永磁转子旋转，从而形成磁导谐波式电磁齿轮与永磁电机的复合工作状态。

以下结合图2、图3和图4来说明这种双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理及结构特征，图中：项1为前端盖，项2为轴承I，项3为输入轴，项4为轴承II，项5为螺栓，项6为凸极式磁导波转子，项7为定子机壳，项8为定子绕组，项9为定子铁芯，项10为定子引出线，项11为螺钉，项12为波转子端盖，项13为轴承III，项14为后端盖，项15为轴承IV，项16为输出轴，项17为转子铁芯，项18为转子永磁体，项19为驱动电源控制器；图中符号标识：N表示极性为N的永磁体，S表示极性为S的永磁体，n_b表示输入轴3的输入转速，n_r表示输出轴16的输出转速，n_s表示定子磁场的旋转转速，2p_s表示定子绕组8的极数，2p_r表示转子永磁体18的分布极数，Z_b表示凸极式磁导波转子6的凸极波数，Z_s表示定子铁芯9的嵌线槽数，B_bd表示在凸极式磁导波转子6的凸极直轴方向的气隙磁密波，I表示谐波电磁齿轮状态的直流励磁电流，i表示电磁齿轮和电动机复合状态的脉冲电流。图2为内置双波转子结构的磁导谐波电磁齿轮工作方式的径向拓扑图；图3为外置双波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理径向拓扑图；图4为外置波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机轴向结构全剖面图。

由图可知，双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机存在通过输入轴3和输出轴16与外部机械连接的两个机械功率端口和一个通过定子引出线10与外部联接的电气联接端口，相应存在离合器工作状态、齿轮变速传动工作状态、齿轮电动机复合工作状态、齿轮发电机复合工作状态：

第一、离合器工作状态：由图2可知，在驱动电源控制器19不输出电流时，定子和双转子之间的没有磁场耦合，传动关系完全解耦，凸极式磁导波转子6的旋转不能驱动带有永磁极的永磁转子旋转，这是离合器工作状态；

第二、齿轮变速传动工作状态：由图2可知，当定子绕组8内通过直流电流I时，定子气隙将产生空间固定的静止磁场，即图中定子磁场旋转转速n_s＝0，定子磁场和转子的磁极数差很小，形成固定的少极差，通过少极差的异极性磁场吸引的原理在高速旋转的凸极式磁导波转子6的凸极直轴区域相互耦合，来驱动少极差的磁性齿轮副低速旋转，从而形成磁导谐波式电磁齿轮变速工作状态；该状态的工作原理与机械式少齿差谐波齿轮传动类似，即工作时输入轴3带动凸极式磁导波转子6绕轴线高速旋转，驱使转子永磁体8与定子绕组8的电流磁场按照凸极直轴气隙磁密波B_bd自动排列整合，形成直轴方向的凸极磁导最大、直轴磁密波B_bd最高、引力最强的异极性磁耦合的吸引状态，由于定子电励磁磁场和永磁转子间固定的少极差原因，而使凸极式磁导波转子6的凸极之间的交轴区域正好处于空气磁阻最大、交轴磁密最低的同极性磁排斥状态；对图2、图3所示双波传动Z_b＝2，凸极式磁导波转子6每旋转一周永磁转子则反向转过2Z_b＝4个永磁转子的磁极角度，从而实现机械动力的变速传动，控制输入的励磁直流电流I的大小就可以起到调节定子气隙磁场并改变输出力矩的效果；该状态的传动关系满足n_r÷n_b＝1-(p_s÷p_r)，传动关系中出现小于零的负数表示输入和输出的旋转方向相反；

第三、齿轮电动机复合工作状态：由图3可知，当定子绕组8内通以频率为f_s且存在相位差的多相脉冲电流i，定子气隙将产生旋转磁场，旋转磁场转速为n_s＝60×f_s÷p_s，该旋转磁场将与从输入轴3传递给凸极式磁导波转子6的、转速为n_b的机械功率共同作用，驱动带有永磁极的永磁转子旋转，其传动关系满足n_r÷(n_b-n_s)＝1-(p_s÷p_r)，从而形成磁导谐波式电磁齿轮与永磁电机的复合工作状态；通过驱动电源控制器19调节脉冲电流i的幅值及脉冲频率f_s，可以实现较大范围的输出力矩和输出转速的调节，从而实现无级变速变矩的需要；

第四、齿轮发电机复合工作状态：由图3、图4可知，当与外部动力连接的两个机械端口通过输入轴3和输出轴16均输入不同转速n_b和n_r的机械功率时，定子绕组8将感应出频率为f_s的交变电势，通过驱动电源控制器19处理后对外提供电功率，发电状态的定子气隙磁场转速为两个机械端口输入转速的合成n_s＝n_b-n_r×p_r÷(p_r-p_s)，定子绕组8感应电势交变频率为f_s＝p_s×n_s÷60；

综上所述，双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的结构特征如下：

一、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机存在通过输入轴3和输出轴16与外部机械连接的两个机械功率端口和一个电气联接端口，其中输入轴3与凸极式磁导波转子6连接，输出轴16与永磁转子连接，电气端口通过定子引出线10与驱动电源控制器19联接，构成该复合电机的主要传动部件是：具有2p_s极定子绕组8的定子、具有2p_r个转子永磁体18的永磁转子、具有Z_b个转子波数的凸极式磁导波转子6；以上主要传动部件在结构特征上满足：极对数p_s和p_r数差较小且为彼此互素的正整数对，且有|p_s-p_r|＝|Z_b|；Z_b＝±2为双波电传动方式，Z_b＝±3为三波电传动方式，Z_b＝±4为四波电传动方式；该复合电机在工作方式上分为：离合器工作方式、齿轮变速传动工作方式、齿轮电动机复合工作方式、齿轮发电机复合工作方式，所有工作方式中输入转速n_b、输出转速n_r、定子磁场转速n_s和定子交变电流频率f_s均满足运动合成结构关系约束：n_r÷(n_b-n_s)＝1-(p_s÷p_r)，和n_s＝60×f_s÷p_s，该传动关系结构中出现小于零的负数表示输入和输出的旋转方向相反；

二、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子、永磁转子和凸极式磁导波转子6三者之间呈同心式分布结构，彼此间存在气隙并通过径向气隙磁场而耦合，输入轴3与凸极式磁导波转子6用螺栓5紧固连接，前端经轴承I2、前端盖1定位固定后与原动机连接，波转子端盖12与凸极式磁导波转子6定位后用螺钉11固定并经轴承III13与输出轴16连接；输出轴16与永磁转子的转子铁芯17紧固连接，并经轴承IV15、后端盖14定位固定后与负载机械连接；定子两个转子之间的整体布局结构分为两种形式：第一、将定子的定子铁芯6安装布置于两转子最外层的外定子内转子结构，第二、将定子的定子铁芯6安装布置于两转子最内层的内定子外转子结构；两个转子在装配布局结构上也分为两种结构形式：第一，凸极式磁导波转子6在永磁转子之内的内置式波转子结构，该结构的转子波数Z_b等于凸出的导磁极数；第二，凸极式磁导波转子6在永磁转子之外的外置式波转子结构，该结构的导磁极采用空心爪极结构，其转子波数Z_b等于空心爪极的导磁极数；

三、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的转子永磁体18的分布结构均采用N极、S极异极性两两相邻排列的形式安装，安装结构上有两种方式：第一，永磁体安装于铁芯表面的面磁式结构，第二，永磁体安装于铁芯槽内的内埋式结构；

四、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子、永磁转子和凸极式磁导波转子6三者之间的气隙形式分为：第一，同心式的连续弧面均匀气隙结构，即定子内圆、永磁转子外圆和凸极式磁导波转子6的内外圆均为同心圆弧面，且所有圆弧表面均为无突变的连续弧面；第二，偏心圆弧式的连续弧面非均匀气隙结构，即通过将凸极式磁导波转子6的内外圆弧设置成与定子内圆和永磁转子外圆不同心的偏心圆弧结构，形成改善气隙磁密波形的非均匀气隙结构；第三，对于永磁体内埋式结构的定子铁芯9内圆和转子铁芯17外圆上开槽，就形成了可提高传动分辨率和动态平稳性的锯齿形非连续弧面的非均匀气隙结构。采用上述技术方案所达到的技术经济效果：

与普通机械式齿轮传动副相比，本发明涉及的双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机具有如下明显的优势：

①高效节能、低炭环保：由于消除了普通机械式齿轮传动的接触摩擦，传动效率较高，属于高效节能型产品，符合低炭环保经济特点，广泛推广应用可极大地节省能源，降低碳排放。

②能量(力矩)密度较高：少极差的永久磁场和电磁场的耦合技术使得电磁场耦合程度比磁场调制式结构的磁性齿轮传动提高，使磁性材料单位体积传送的转矩密度得到提高，本系列新型稀土磁性传动齿轮所传送的转矩密度高于100kN.m/m³；为电控磁性齿轮传动技术应用于需要大力矩的工业化动力传动及精密传动领域奠定了基础。

③无回差、无磨损，可靠性高、寿命长：由于无机械接触摩损，不仅消除了机械齿轮因齿隙和磨损而引起的不可避免的齿轮回差困扰，而且由于少极差磁场耦合使得凸极式磁导波转子的凸极波数有限，彻底改进了磁场调制式磁性齿轮的导磁栅齿数结构，大大提高了传动机构的寿命极限，对于定位精度要求极高且频繁正反转的雷达伺服跟踪***、工业机器人伺服驱动机构等领域有现实的应用价值。

④无污染、低噪音：不存在机械齿轮传动时因齿部啮合接触而产生的噪音，也克服了少极差磁性齿轮因偏心而导致震动的固有缺陷，加之磁性齿轮无需润滑油脂、清洁、无油污、防尘、防水等优势，对于噪音震动要求极高的领域如长期水下航行的核潜艇降低本体噪音具有潜在的军事应用价值。

⑤传动平稳、调节控制方便、缓冲隔离、过载保护：转速传动比恒定，转速的动态瞬时稳定度高，运行平稳；由于增加了电流调节环节，因而可实现随负载变化的动态力矩调节，同时也可实现一定范围的无级调速要求，这对混合动力驱动合成及离合控制具有潜在应用价值。另外，过载时因主、从动轮滑转而随时切断传动关系，不会损坏负载或者原动机；通过磁场耦合隔离了原动机与负载机械，可缓冲冲击负荷的影响。

⑥加工方便、工艺简单：无需昂贵的机械齿轮加工和检测设备，也不存在机械齿轮在设计加工上常常需要变位修正的设计加工繁琐，所有制造工艺技术均为电机工业领域成熟的工艺，一次性设备投资少，主要为装配作业，便于组织大规模流水线生产。

附图说明

图1为波数为b_n＝+2的机械式谐波齿轮双波传动原理图；

图2为内置双波转子结构的磁导谐波电磁齿轮工作方式的径向拓扑图；

图3为外置双波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理径向拓扑图；

图4为外置波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机轴向结构全剖面图；

图5为外置三波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理径向拓扑图；

图6为内置三波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理径向拓扑图；

图7为外置四波转子结构的磁导谐波电磁齿轮工作方式的径向拓扑图；

图8为内置四波转子结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理径向拓扑图；

图9为外置三波转子结构的的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机主要传动部件的立体结构布置图；

图10为内埋式永磁极结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的永磁转子立体结构示意图；

图11为外置三波转子结构的的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的凸极式磁导波转子6立体结构示意图。

以上图中：1.前端盖，2.轴承I，3.输入轴，4.轴承II，5.螺栓，6.凸极式磁导波转子，7.定子机壳，8.定子绕组，9.定子铁芯，10.定子引出线，11.螺钉，12.波转子端盖，13.轴承III，14.后端盖，15.轴承IV，16.输出轴，17.转子铁芯，18.转子永磁体，19.驱动电源控制器；20.定子刚轮，21.柔轮转子，22.波发生转轮；图中符号标识：N表示极性为N的永磁体，S表示极性为S的永磁体，n_b表示输入轴3的输入转速，n_r表示输出轴16的输出转速，n_s表示定子磁场的旋转转速，2p_s表示定子绕组8的极数，2p_r表示转子永磁体18的分布极数，Z_b表示凸极式磁导波转子6的凸极波数，Z_s表示定子铁芯9的嵌线槽数，B_bd表示在凸极式磁导波转子6的凸极直轴方向的气隙磁密波，I表示谐波电磁齿轮状态的直流励磁电流，i表示电磁齿轮和电动机复合状态的脉冲电流；Z₁表示机械式谐波齿轮的定子刚轮20的内齿数，Z₂表示机械式谐波齿轮的柔轮转子21的外齿数，b_n表示机械式谐波齿轮的波发生转轮22的波数。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明：

一、从图2、图3可知，双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理为：当定子绕组8内通过直流电流I时，定子气隙将产生空间固定的静止磁场，即图2中定子磁场旋转转速n_s＝0，定子磁场和转子的磁极数差很小，形成固定的少极差，通过少极差的异极性磁场吸引的原理在高速旋转的凸极式磁导波转子6的凸极直轴区域相互耦合，来驱动少极差的磁性齿轮副低速旋转，从而形成磁导谐波式电磁齿轮变速工作状态，控制输入的励磁直流电流I的大小就可以起到调节定子气隙磁场并改变输出力矩的效果；图2展示了为内置双波转子结构的磁导谐波电磁齿轮工作方式的径向拓扑图；图7展示了外置四波转子结构的磁导谐波电磁齿轮工作方式的径向拓扑图；当定子绕组8内通以频率为f_s且存在相位差的多相脉冲电流i，定子气隙将产生转速为n_s的旋转磁场，该旋转磁场将与从输入轴3传递给凸极式磁导波转子6的、转速为n_b的机械功率共同作用，驱动带有永磁极的永磁转子旋转，从而形成磁导谐波式电磁齿轮与永磁电机的复合工作状态；通过驱动电源控制器19调节脉冲电流i的幅值及脉冲频率f_s，可以实现较大范围的输出力矩和输出转速的调节，从而实现无级变速变矩的需要；图3、图5、图6和图8均展示了各种结构分类的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的工作原理径向拓扑图。

二、从图4可知，双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机存在通过输入轴3和输出轴16与外部机械连接的两个机械功率端口和一个电气联接端口，其中输入轴3与凸极式磁导波转子6连接，输出轴16与永磁转子连接，电气端口通过定子引出线10与驱动电源控制器19联接，构成该复合电机的主要传动部件是：具有2p_s极定子绕组8的定子、具有2p_r个转子永磁体18的永磁转子、具有Z_b个转子波数的凸极式磁导波转子6；以上主要传动部件在结构特征上满足：极对数p_s和p_r数差较小且为彼此互素的正整数对，且有|p_s-p_r|＝|Z_b|；如图2、图3所示，Z_b＝±2为双波电传动方式，如图5、图6所示，Z_b＝±3为三波电传动方式，如图7、图8所示，Z_b＝±4为四波电传动方式；该复合电机在工作方式上分为：离合器工作方式、齿轮变速传动工作方式、齿轮电动机复合工作方式、齿轮发电机复合工作方式，所有工作方式中输入转速n_b、输出转速n_r、定子磁场转速n_s和定子交变电流频率f_s均满足运动合成结构关系约束：n_r÷(n_b-n_s)＝1-(p_s÷p_r)，和n_s＝60×f_s÷p_s，该传动关系结构中出现小于零的负数表示输入和输出的旋转方向相反。

三、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子、永磁转子和凸极式磁导波转子6三者之间呈同心式分布结构，彼此间存在气隙并通过径向气隙磁场而耦合，输入轴3与凸极式磁导波转子6用螺栓5紧固连接，前端经轴承I2、前端盖1定位固定后与原动机连接，波转子端盖12与凸极式磁导波转子6定位后用螺钉11固定并经轴承III13与输出轴16连接；输出轴16与永磁转子的转子铁芯17紧固连接，并经轴承IV15、后端盖14定位固定后与负载机械连接；定子两个转子之间的整体布局结构分为两种形式：第一、将定子的定子铁芯6安装布置于两转子最外层的外定子内转子结构，第二、将定子的定子铁芯6安装布置于两转子最内层的内定子外转子结构；两个转子在装配布局结构上也分为两种结构形式：第一，凸极式磁导波转子6在永磁转子之内的内置式波转子结构，如图2、图6、图8所示，该结构的转子波数Zb等于凸出的导磁极数；第二，凸极式磁导波转子6在永磁转子之外的外置式波转子结构，如图3、图5、图7所示，该结构的导磁极采用空心爪极结构，其转子波数Zb等于空心爪极的导磁极数。

四、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的转子永磁体18的分布结构均采用N极、S极异极性两两相邻排列的形式安装，安装结构上有两种方式：第一，永磁体安装于铁芯表面的面磁式结构，图7展示了面磁式的外置四波转子结构的磁导谐波电磁齿轮工作方式的径向拓扑图；第二，永磁体安装于铁芯槽内的内埋式结构；图10展示了内埋式永磁极结构的磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的永磁转子立体结构示意图。

五、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子、永磁转子和凸极式磁导波转子6三者之间的气隙形式分为：第一，同心式的连续弧面均匀气隙结构，即定子内圆、永磁转子外圆和凸极式磁导波转子6的内外圆均为同心圆弧面，且所有圆弧表面均为无突变的连续弧面；第二，偏心圆弧式的连续弧面非均匀气隙结构，即通过将凸极式磁导波转子6的内外圆弧设置成与定子内圆和永磁转子外圆不同心的偏心圆弧结构，形成改善气隙磁密波形的非均匀气隙结构；第三，对于永磁体内埋式结构的定子铁芯9内圆和转子铁芯17外圆上开槽，就形成了可提高传动分辨率和动态平稳性的锯齿形非连续弧面的非均匀气隙结构。

六、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的凸极式磁导波转子6采用导磁的实心钢材加工成型，其空心爪极的导磁极数或实心的凸极极数Zb等于转子波数，凸极式磁导波转子6导磁极区域开设有数条径向分布的隔磁槽，隔磁槽的最小宽度两倍于最大气隙长度，凸极式磁导波转子6面向永磁定子和永磁转子的圆弧面分为两种形式：第一、同心圆弧，第二、偏心圆弧；凸极式磁导波转子6的导磁极也分为两种结构形式：第一、与旋转中心轴线平行的直向形式导磁极，图11展示了直向形式导磁极的波转子结构，第二、与旋转中心轴线空间呈斜向形式导磁极，斜极极距等于一个永磁转子永磁极的极间距离；凸极式磁导波转子6通过止口定位并用螺栓5与输入轴3紧固连接。

七、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子由具有Z_s个嵌线槽的定子铁芯9、形成2p_s个定子磁极的定子绕组8、定子机壳7、与外部电气端口联接的定子引出线10构成，定子铁芯9由硅钢薄板经冲压、焊接为整体，定子绕组8安装于定子铁芯9的嵌线槽内，定子铁芯9紧配合安装于定子机壳7内；图9、图10、图11分别展示出主要传动部件的装配结构立体图、永磁转子及凸极式磁导波转子的立体结构示意图。

以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本技术发明原理的前提下，还可以作出若干结构变形和改进(如将本发明涉及的总体结构改进设计为内定子外转子结构)，这些也应该视为本技术发明的保护范围，这些都不会影响本技术发明实施的效果和实用性。

Claims (3)

1.双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机，其特征是：

一、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机存在通过输入轴(3)和输出轴(16)与外部机械连接的两个机械功率端口和一个电气联接端口，其中输入轴(3)与凸极式磁导波转子(6)连接，输出轴(16)与永磁转子连接，电气端口通过定子引出线(10)与驱动电源控制器(19)联接，构成该复合电机的主要传动部件是：具有2p_s极定子绕组(8)的定子、具有2p_r个转子永磁体(18)的永磁转子、具有Z_b个转子波数的凸极式磁导波转子(6)；以上主要传动部件在结构特征上满足：极对数p_s和p_r数差较小且为彼此互素的正整数对，且有|p_s-p_r|＝|Z_b|；Z_b＝±2为双波电传动方式，Z_b＝±3为三波电传动方式，Z_b＝±4为四波电传动方式；该复合电机在工作方式上分为：离合器工作方式、齿轮变速传动工作方式、齿轮电动机复合工作方式、齿轮发电机复合工作方式，所有工作方式中输入转速n_b、输出转速n_r、定子磁场转速n_s和定子交变电流频率f_s均满足运动合成结构关系约束：n_r÷(n_b-n_s)＝1-(p_s÷p_r)，和n_s＝60×f_s÷p_s，该传动关系结构中出现小于零的负数表示输入和输出的旋转方向相反；

二、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子、永磁转子和凸极式磁导波转子(6)三者之间呈同心式分布结构，彼此间存在气隙并通过径向气隙磁场而耦合，输入轴(3)与凸极式磁导波转子(6)用螺栓(5)紧固连接，前端经轴承I(2)、前端盖(1)定位固定后与原动机连接，波转子端盖(12)与凸极式磁导波转子(6)定位后用螺钉(11)固定并经轴承III(13)与输出轴(16)连接；输出轴(16)与永磁转子的转子铁芯(17)紧固连接，并经轴承IV(15)、后端盖(14)定位固定后与负载机械连接；定子两个转子之间的整体布局结构分为两种形式：第一、将定子的定子铁芯(6)安装布置于两转子最外层的外定子内转子结构，第二、将定子的定子铁芯(6)安装布置于两转子最内层的内定子外转子结构；两个转子在装配布局结构上也分为两种结构形式：第一，凸极式磁导波转子(6)在永磁转子之内的内置式波转子结构，该结构的转子波数Z_b等于凸出的导磁极数；第二，凸极式磁导波转子(6)在永磁转子之外的外置式波转子结构，该结构的导磁极采用空心爪极结构，其转子波数Z_b等于空心爪极的导磁极数；

三、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的转子永磁体(18)的分布结构均采用N极、S极异极性两两相邻排列的形式安装，安装结构上有两种方式：第一，永磁体安装于铁芯表面的面磁式结构，第二，永磁体安装于铁芯槽内的内埋式结构；

四、双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机的定子、永磁转子和凸极式磁导波转子(6)三者之间的气隙形式分为：第一，同心式的连续弧面均匀气隙结构，即定子内圆、永磁转子外圆和凸极式磁导波转子(6)的内外圆均为同心圆弧面，且所有圆弧表面均为无突变的连续弧面；第二，偏心圆弧式的连续弧面非均匀气隙结构，即通过将凸极式磁导波转子(6)的内外圆弧设置成与定子内圆和永磁转子外圆不同心的偏心圆弧结构，形成改善气隙磁密波形的非均匀气隙结构；第三，对于永磁体内埋式结构的定子铁芯(9)内圆和转子铁芯(17)外圆上开槽，就形成了可提高传动分辨率和动态平稳性的锯齿形非连续弧面的非均匀气隙结构。

2.根据权利要求1所述的一种双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机，其特征是：凸极式磁导波转子(6)采用导磁的实心钢材加工成型，其空心爪极的导磁极数或实心的凸极极数Zb等于转子波数，凸极式磁导波转子(6)导磁极区域开设有数条径向分布的隔磁槽，隔磁槽的最小宽度两倍于最大气隙长度，凸极式磁导波转子(6)面向永磁定子和永磁转子的圆弧面分为两种形式：第一、同心圆弧，第二、偏心圆弧；凸极式磁导波转子(6)的导磁极也分为两种结构形式：第一、与旋转中心轴线平行的直向形式导磁极，第二、与旋转中心轴线空间呈斜向形式导磁极，斜极极距等于一个永磁转子永磁极的极间距离；凸极式磁导波转子(6)通过止口定位并用螺栓(5)与输入轴(3)紧固连接。

3.根据权利要求1所述的一种双机械端口磁导谐波式电磁齿轮复合永磁电机，其特征是：定子由具有Z_s个嵌线槽的定子铁芯(9)、形成2p_s个定子磁极的定子绕组(8)、定子机壳(7)、与外部电气端口联接的定子引出线(10)构成，定子铁芯(9)由硅钢薄板经冲压、焊接为整体，定子绕组(8)安装于定子铁芯(9)的嵌线槽内，定子铁芯(9)紧配合安装于定子机壳(7)内。

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