[發明專利]一種磁齒輪復合直驅電機及其應用

有效

• 申請號: 202011264247.6
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112467901B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 李大偉;黃海林;曲榮海;任翔;黃以波;郭文文
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02K1/2753
• 分類號: H02K1/2753;H02K1/17;H02K3/12;H02K21/02;H02K16/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種磁齒輪復合直驅電機及其應用，屬于低速大轉矩直驅電機領域，包括由外到內依次同心嵌套排列的永磁外定子、調制轉子、多磁勢永磁轉子和電樞內定子；永磁外定子與調制轉子之間、調制轉子與多磁勢永磁轉子之間，多磁勢永磁轉子和電樞內定子之間均具有氣隙；多磁勢永磁轉子包括不導磁框架和嵌入框架中的極弧寬度不等的多個徑向充磁永磁體，這些永磁體的極弧寬度和充磁方向經設計能在內外層氣隙上同時產生兩種幅值較大的主要磁勢。本發明提出的這種磁齒輪復合直驅電機能實現電機與磁齒輪轉子極對數的解耦，提升磁鋼利用率和輸出轉矩密度。

技術領域

本發明屬于低速大轉矩直驅電機領域，更具體地，涉及一種磁齒輪復合直驅電機及其應用。

背景技術

磁齒輪復合電機是隨著磁場調制型磁力齒輪而逐漸興起的一種新型電機，是將磁場調制型磁力齒輪同永磁電機進行緊湊復合，以實現低速大轉矩輸出的一種技術。根據復合電機氣隙數目和耦合程度的不同，衍生出不同的形式，包括永磁電機和齒輪磁路分開的三層氣隙磁齒輪復合電機，閉口槽定子嵌磁鋼的兩層氣隙準直驅磁齒輪復合電機等等。以上這些磁齒輪復合電機結構，主要通過設計磁力齒輪少極轉子極對數等于永磁電機轉子極對數，實現轉子結構的復用和轉矩直接傳遞，然后再通過磁力齒輪的調制轉子實現轉矩的減速放大輸出，實現較高的轉矩密度。

2018年Stiaan Gerber和Rong-Jie Wang提出了一種經典三氣隙磁齒輪復合電機結構，電機和磁齒輪共用一個五對極的無鐵心永磁轉子，永磁同步電機采用12槽10極分數槽集中繞組，磁力齒輪調磁塊數為36，外轉子極對數為31，減速比為7.2(S.Gerber and R.-J.Wang,―Comparison of Three Prototype Flux-Modulating Permanent MagnetMachines,”in 2018XIII International Conference on Electrical Machines(ICEM),Sep.2018,pp.2072–2078,doi:10.1109/ICELMACH.2018.8506736)。論文指出該三氣隙磁齒輪復合電機能夠實現98Nm/L的輸出轉矩體積密度，比傳統直驅電機高2.7倍，比雙層氣隙的偽直驅型磁齒輪復合電機高40％，是截至目前轉矩密度最高的磁齒輪復合電機結構。然而，該方案仍存在一些制約轉矩密度提升的問題：1.電機部分采用分數槽集中繞組永磁同步電機，且極對數選擇受到磁力齒輪少極轉子極對數的制約，小型電機中一般僅能取到6以下，電磁轉矩性能不如多極的直驅永磁電機；2.相應的，磁力齒輪內永磁轉子的極對數受到電機轉子極對數的制約，小型電機中一般需取為4以上，在機械復雜度和加工精度許可的限制下，磁力齒輪外定子多極永磁體極對數很難超過40，因此較高的內轉子極對數也限制了磁力齒輪減速比的提升；3.由于轉子極數較少，較長的繞組端部增加了電機體積質量，增大了電機銅耗，不利于電機效率的提升。

2018年美國德州農機大學的Matthew和Hamid提出了一種磁齒輪復合直驅電機，其通過在內轉子鐵心軛的內側和外側放置兩層不同極對數的永磁體來分別滿足直驅電機和磁力齒輪對永磁體極對數的要求，其中內層永磁體20對極，外層永磁體6對極，實現了對磁齒輪復合電機內轉子極對數的解耦和優化。(M.Johnson,M.C.Gardner,H.A.Toliyat,S.Englebretson,W.Ouyang,and C.Tschida,―Design,Construction,and Analysis of aLarge-Scale Inner Stator Radial Flux Magnetically Geared Generator for WaveEnergy Conversion,”IEEE Transactions on Industry Applications,vol.54,no.4,pp.3305–3314,Jul.2018,doi:10.1109/TIA.2018.2828383.)這一解決方案的缺點在于內轉子需要較厚的鐵心實現電機與磁力齒輪磁路的分別閉合，增加了電機系統的質量，同時也限制了永磁直驅電機的體積和輸出轉矩。

發明內容