圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机的制作方法

圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机与直线传动技术领域，具体涉及一种圆筒式无刷直流直线电机，具有高推力密度、高功率因数特点，适用于低速、大功率的直驱式电力传动系统，也可用于斯特林发电和海洋波能发电等系统。
【背景技术】
[0002]高推力密度直线电机在电力传动领域的应用日益广泛，因省去了将旋转运动转换为直线运动的中间转换机构，减小了装置体积，节省了系统成本。由于不存在中间传动机构的运动惯量和阻力影响，直线传动系统的动静态性能得到显著提高。现代电力拖动系统一直倾向于直接驱动，这样可以省去机械齿轮传动机构，避免由此产生的振动噪声问题，减少机械损耗，获得更高的系统效率。然而，直驱式电机为了输出更大推力，一般体积较大，且负载运行时，电流较大，控制电路的成本也会偏高。英国Kais.Atallah、中国江建中等人提出了磁场调制式磁力齿轮(US7973441B2; GB2439111A; 201010118737.5)，利用磁力传动，实现了无机械接触的齿轮啮合，具有力密度高，机械损耗低，非接触性推力传递和过载自保护等特点，尤其在低温和低压等特殊环境下，可以避免传统机械齿轮因润滑油挥发等造成的不利影响。在此基础上，英国Kais.Atallah、Anthony G.Razzell和中国章跃进等人将磁力齿轮和永磁电机整合在一起得到直驱式磁齿轮复合型永磁电机(GB2437568B;US2011/0042965A1; US6794781B2; 201010608927.5)，具有结构紧凑、转矩密度高、效率高等诸多优点。复合电机是磁齿轮传动系统的发展，仍属于磁齿轮传动范畴，通过气隙磁场调制实现内外转子力矩的传递，类似一个磁悬浮随动系统，与传统电机相比，其不足之处在于力矩波动和振动噪声较大，尤其在起动或负载扰动过程中，由于不是刚性接触连接，通常会出现较为剧烈的速度波动问题，因此对稳定性和定位精度要求严格的场合其应用具有一定的局限性。

【发明内容】

[0003]本发明的目的是解决现有磁齿轮复合电机的推力波动问题，尤其在负载扰动或电机起、制动过程中，提尚电机的运彳丁稳定性。
[0004]本发明是圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，包括一个无刷直流直线电机和一个直线磁力齿轮，该复合永磁电机具有双机械端口，呈三层气隙结构，包括主电枢绕组和辅助阻尼绕组，能够实现机电能量的双向传递；所述的无刷直流直线电机和直线磁力齿轮均采用圆筒式结构同轴集成，即由构成磁力齿轮的低速动子17和内定子14与构成无刷直流直线电机的高速动子5和外定子6构成双定子双动子结构。
[0005]该电机的低速动子永磁体向外聚磁，提高内层气隙磁密。该电机高速动子具有内、外两层永磁体磁路，且相互屏蔽，内层永磁体向外聚磁，外层永磁体向内聚磁，从而在高速动子两侧获得比较理想的双边磁场，可以避免磁力齿轮谐波磁场对无刷直流直线电机的不利影响。
【附图说明】
[0006]图1是本发明一个实施例的结构示意图；图2是图1的双动子和双定子结构示意图；图3是图2的A-A线的剖视图；图4是图1的高速动子的准Halbach阵列永磁体充磁方式示意图；图5为图2的三维结构示意图。附图标记及对应名称为:电机中心轴1，端盖2，机座3，定子支架4，高速动子5，外定子6，电枢绕组7，高速动子外层永磁体8，高速动子外层铁轭9，阻尼绕组10，不锈钢隔磁圆筒11，高速动子内层铁轭12，高速动子内层永磁体13，内定子14，调磁环铁芯15，非导磁材料16，低速动子17，低速动子永磁体18，低速动子铁轭19，外层气隙20，中间层气隙21，内层气隙22，低速动子侧连杆23，高速动子侧连杆24。
【具体实施方式】
[0007]如图1所示，圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，包括一个无刷直流直线电机和一个直线磁力齿轮，该复合永磁电机具有双机械端口，呈三层气隙结构，包括主电枢绕组和辅助阻尼绕组，能够实现机电能量的双向传递；所述的无刷直流直线电机和直线磁力齿轮均采用圆筒式结构同轴集成，即由构成磁力齿轮的低速动子17和内定子14与构成无刷直流直线电机的高速动子5和外定子6构成双定子双动子结构。
[0008]如图1、图2、图3、图4所示，所述低速动子17引出低速侧动子连杆23 ;所述高速动子5引出高速侧动子连杆24 ;所述内定子14是由高导磁材料和非导磁材料交替组成的一种具有磁场调制作用的调磁定子，且调磁定子必须处于高、低速动子之间；所述的低速动子17由内层铁心19和Pl对极低速动子永磁体18组成，且相邻永磁体极性相反；所述的高速动子5具有双层永磁体结构特征，由高速动子外层永磁体8、高速动子外层铁心9、阻尼绕组10、不锈钢隔磁圆筒11、高速动子内层铁心12和高速动子内层永磁体13组成，高速动子外层永磁体8和高速动子内层永磁体13均由P2对极永磁体组成，Pl> P2，且相邻永磁体极性相反；所述的调磁定子由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2 ;高、低速动子的变速比K为两个动子的磁极对数之比，即K=P1/P2。
[0009]如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述的高速动子外层永磁体8、高速动子内层永磁体13、低速动子永磁体18均采用准Halbach阵列充磁方式，且高速动子外层永磁体8和高速动子内层永磁体13的磁路相互屏蔽，互不影响。在实际应用中，由于无法实现永磁体的充磁方向的连续变化，这里采用径向阵列、斜向阵列与轴向阵列相结合的准Halbach阵列充磁方式，将离散磁块拼接在一起得到近似正弦充磁的效果。准Halbach阵列充磁结构具有良好的自屏蔽效应，并且可以产生比剩余磁场强度值更大的静磁场，从而提高电机的功率密度。 [0010]如图1、图2、图3、图5所示，本发明的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，包括两套绕组，所述的高速动子外层铁心9上嵌入阻尼绕组10，作为辅助绕组；在外定子6上布置电枢绕组7，作为主绕组。
[0011]如图1所示，本发明的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，当作为电动机工作时，能够省去高速侧动子连杆24，在电枢绕组7通入三相交流电，受电磁力的作用高速动子5产生直线运动，通过内定子14的磁场调制作用，低速动子17也产生直线运动，低速侧动子连杆23实现低速大推力输出；当作为发电机工作时，外部原动机通过低速侧动子连杆23推动低速动子17直线运动，通过内定子14的磁场调制作用，高速侧动子随之运动，从而在电枢绕组中产生感应电势，给负载供电或通过变流装置实现并网运行。
[0012]本发明的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机可以作为电动机或发电机运行，当作为电动机工作时，通过变频电源给外定子电枢绕组7供电并实现高速动子的速度调节，根据磁力齿轮的变比关系，内动子速度随之被调节，此时，低速动子侧连杆23产生低速、大推力输出。当作为发电机工作时，低速动子侧连杆23由外部原动机驱动，利用磁力齿轮的耦合关系，带动高速动子5运动，从而在电枢绕组7内产生感应电动势，输出交流电能。
[0013]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:将圆筒式无刷直流直线电机与直线磁齿轮同轴集成，并在高速侧动子铁心中引入阻尼绕组或导条。
[0014]为了减小电机的总体重量，中心轴采用质量较轻的空心非导磁材料，可以减少动子的机械惯性，更加有利于电机的起动和加速过程。
[0015]该电机永磁体采用表贴式结构，由于动子上的永磁体在往复运动过程中容易受到轴向机械应力作用而损坏，造成磁性能下降，导致电机性能不稳定，甚至降低寿命，因此，动子采用套环结构，用高强度金属材料制成薄壁圆筒，紧套在动子外圆处，通过套筒把永磁体固定在应有的位置上。套筒的力学特点是，在它所包容下的动子内部各组件，在整个速度范围内，全部处于压缩状态。尤其对高速侧动子，确保运行过程中的机械强度。
【主权项】
1.圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，包括一个无刷直流直线电机和一个直线磁力齿轮，其特征在于:该复合永磁电机具有双机械端口，呈三层气隙结构，包括主电枢绕组和辅助阻尼绕组，能够实现机电能量的双向传递；所述的无刷直流直线电机和直线磁力齿轮均采用圆筒式结构同轴集成，即由构成磁力齿轮的低速动子(17)和内定子(14)与构成无刷直流直线电机的高速动子(5)和外定子(6)构成双定子双动子结构。2.根据权利要求1所述的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，其特征在于所述低速动子(17)引出低速侧动子连杆(23);所述高速动子(5)引出高速侧动子连杆(24);所述内定子(14)是由高导磁材料和非导磁材料交替组成的一种具有磁场调制作用的调磁定子，且调磁定子必须处于高、低速动子之间；所述的低速动子(17)由内层铁心(19)和Pl对极低速动子永磁体(18)组成，且相邻永磁体极性相反；所述的高速动子(5)具有双层永磁体结构特征，由高速动子外层永磁体(8)、高速动子外层铁心(9)、阻尼绕组(10)、不锈钢隔磁圆筒(11)、高速动子内层铁心(12 )和高速动子内层永磁体(13 )组成，高速动子外层永磁体(8 )和高速动子内层永磁体(13)均由P2对极永磁体组成，Pl> P2，且相邻永磁体极性相反；所述的调磁定子由Ns块铁心和Ns块非导磁材料交替组成，且Ns=Pl+P2 ;高、低速动子的变速比K为两个动子的磁极对数之比，即K=P1/P2。3.根据权利要求1所述的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，其特征在于所述的高速动子外层永磁体(8 )、高速动子内层永磁体(13 )、低速动子永磁体(18 )均采用准Halbach阵列充磁方式，且高速动子外层永磁体(8)和高速动子内层永磁体(13)的磁路相互屏蔽，互不影响。4.根据权利要求2所述的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，包括两套绕组，其特征在于所述的高速动子外层铁心(9)上嵌入阻尼绕组(10)，作为辅助绕组；在外定子(6)上布置电枢绕组(7)，作为主绕组。5.根据权利要求2所述的圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，当作为电动机工作时，能够省去高速侧动子连杆(24)，在电枢绕组(7 )通入三相交流电，受电磁力的作用，高速动子(5)产生直线运动，通过内定子(14)的磁场调制作用，低速动子(17)也产生直线运动，低速侧动子连杆(23)实现低速大推力输出；当作为发电机工作时，外部原动机通过低速侧动子连杆(23)推动低速动子(17)直线运动，通过内定子(14)的磁场调制作用，高速侧动子随之运动，从而在电枢绕组中产生感应电势，给负载供电或通过变流装置实现并网运行。
【专利摘要】圆筒式直线磁齿轮复合永磁电机，其目的是解决现有磁齿轮复合电机的推力波动问题，尤其在负载扰动或电机起、制动过程中，提高电机的运行稳定性；该电机包括一个无刷直流直线电机和一个直线磁力齿轮，该复合永磁电机具有双机械端口，呈三层气隙结构，包括主电枢绕组和辅助阻尼绕组，能够实现机电能量的双向传递；所述的无刷直流直线电机和直线磁力齿轮均采用圆筒式结构同轴集成，即由构成磁力齿轮的低速动子（17）和内定子（14）与构成无刷直流直线电机的高速动子（5）和外定子（6）构成双定子双动子结构。
【IPC分类】H02K41/02, H02K7/10
【公开号】CN104883027
【申请号】CN201510327369
【发明人】包广清, 刘美钧, 李树豹, 常勇, 杨巧玲, 任冰, 段晓燕, 张贝
【申请人】兰州理工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月15日