專利名稱：新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機，是一種高轉速氣隙旋轉磁場通過磁場電磁調制而直接實現(xiàn)低轉速大力矩輸出的新型直接驅動永磁電機，可廣泛應用于風力發(fā)電、電動汽車、船艦驅動及其它需要直接驅動的工業(yè)傳動領域。
背景技術：
根據(jù)旋轉電機理論，要使電機獲得持續(xù)穩(wěn)定的負載運行能力，產(chǎn)生電磁感應的定子磁場和轉子磁場必須保持相對靜止，這就要求構成電機的定子和轉子必須保持相同極數(shù)，為了節(jié)約原材料，電機往往設計成少極數(shù)的高速電機，但許多傳動領域往往又需要低轉速大力矩的輸出，這使得常規(guī)電機在需要寬廣的恒功率調速范圍的應用受到很大限制，必須得借助機械齒輪變速傳動技術來實現(xiàn)低轉速、大力矩的輸出和恒功率調速范圍的要求， 從而使得系統(tǒng)傳動效率低、噪聲大、可靠性差，整個傳動系統(tǒng)體積大。長期以來機械齒輪傳動技術的基本形式?jīng)]有變化，即始終是依靠機械式齒輪副的兩輪齒的嚙合進行傳動。這就給齒輪傳動帶來了一些不可消除的問題，如機械疲勞、摩擦損耗、震動噪音等，盡管可以采用油脂潤滑技術，但以上問題依舊無法根除，導致使用維護極其繁瑣，而且機械式齒輪傳動的理論效率最多也只能達到85%，固定傳動速比的機械式齒輪副傳動使得需要在更寬轉速范圍的多級、分檔調速機構結構復雜，無法適應越來越多的無級變速的傳動技術要求。近年來，隨著風力發(fā)電、電動汽車等新能源應用領域的發(fā)展需求，國內外開始在新型磁性傳動技術上實現(xiàn)對機械傳動的技術突破，2004年英國工程師從理論和樣機的具體實踐上完成了一種新型徑向磁場磁性齒輪的設計工作，克服了以往永磁齒輪傳動扭矩較小的缺點，這給永磁材料在機械傳動領域的應用開辟了一個重要的研究方向和未來的應用領域；但是，英國人提出的徑向磁場磁性齒輪結構僅僅單純地利用磁性材料的異極性相吸引原理來構建導磁鼠籠，這樣的磁性齒輪傳遞的功率大小僅僅決定于磁性材料的磁能積大小，所以傳遞的力矩和能量雖有提高但還是受到磁能積的限制。2010年國內的上海大學在承接的國家“863”高科技項目(2007AA05Z233)中也提出了把磁性齒輪傳動技術與永磁電機融為一體的設計方案并試制出首臺復合電機的原形樣機，但該設計方案也僅僅是把磁性齒輪和永磁電機在結構上進行了簡單的一體化組合，從電磁場理論來看還是把永磁電機磁路與磁性齒輪磁路物理上分開設計的，使得復合電機具有3個氣隙磁場，從而增加了昂貴的稀土材料的單位消耗量，從電機驅動來講以上技術構思和設計還是僅僅單純地把磁性材料作磁極的同步驅動概念，使得磁性傳動所傳遞的功率大小僅僅決定于磁性材料的磁能積大小還沒考慮到在結構設計中借助于異步電機那種轉子鼠籠自感應電流引入異步轉矩來增加磁性齒輪所傳遞的功率。
發(fā)明內容針對現(xiàn)有旋轉電機技術、機械式齒輪傳動技術在應用上存在的問題，以及最新的磁性傳動技術的不足之處，本技術發(fā)明打破旋轉電機定轉子磁極極數(shù)必須保持相等以使產(chǎn)
4生電磁感應的定轉子磁場保持相對靜止的理論束縛，提供了一種高轉速氣隙旋轉磁場通過磁場電磁調制而直接實現(xiàn)低轉速大力矩輸出的新型直接驅動永磁電機新結構。本發(fā)明的基本構思是電機由極數(shù)為2ps的定子、電磁調制式空心雙鼠籠轉子、極數(shù)為2 的永磁轉子組成，三者之間呈徑向同心式結構且存在兩個氣隙，分別對應兩種同步轉速不同的氣隙旋轉磁場；運行時，定子鐵芯中的定子繞組流過三相對稱交變電流，產(chǎn)生極數(shù)為2Ps的少極數(shù)高速氣隙旋轉磁場，經(jīng)空心雙鼠籠轉子的導磁鼠籠、導電鼠籠聯(lián)合電磁調制后，成為極數(shù)為 2pr的多極數(shù)低速高次諧波旋轉磁場，從而以低轉速大力矩驅動永磁轉子。以下結合

圖1和圖2來說明這種新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的技術特征，圖中項1為后端蓋，項2為定子機殼，項3為定子繞組，項4為定子鐵芯，項5 為導電銅條，項6為短路端環(huán)，項7為前端蓋，項8為輸出轉軸，項9為轉子永磁體，項10為轉子鐵芯，項11為滾動軸承I，項12為前內端蓋，項13為導磁鼠籠，項14為后內端蓋，項15 為滾動軸承II ；另外，圖中字母符號標識N表示極性N的永磁體，S表示極性S的永磁體， &表示定子鐵芯槽數(shù)，Zg表示空心雙鼠籠轉子的導磁柵齒數(shù)，r^表示永磁轉子轉速，118表示空心雙鼠籠轉子轉速，ns表示定子氣隙旋轉磁場同步轉速，2 表示永磁轉子永磁體分布極數(shù)，2ps表示定子氣隙旋轉磁場極數(shù)，m表示定子繞組相數(shù)，A、X分別表示A相定子繞組首端、末端，B、Y分別表示B相定子繞組首端、末端，C、Z分別表示C相定子繞組首端、末端。(一 )、新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機由極數(shù)為2ps的少極數(shù)的定子、電磁調制式空心雙鼠籠轉子、極數(shù)為2 的多極數(shù)的永磁轉子組成，三者之間呈徑向同心式結構，且在軸向兩端由前端蓋7、后端蓋1、定子機殼2支撐固定，電磁調制式空心雙鼠籠轉子兩邊存在兩個氣隙，兩氣隙分別對應兩種同步轉速不同的氣隙旋轉磁場；( 二)、新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的定子與電磁調制式空心雙鼠籠轉子間的氣隙旋轉磁場是極數(shù)為2ps、同步轉速為ns的高速旋轉磁場，由嵌裝于定子鐵芯4上\個槽中的、相數(shù)m為3相、極數(shù)為2Ps的定子繞組3中流過的交變頻率為fs的三相對稱交流電流產(chǎn)生；(三)、新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的永磁轉子與電磁調制式空心雙鼠籠轉子間的氣隙旋轉磁場是極數(shù)為2 、同步轉速為的低速高次諧波旋轉磁場，由安裝于轉子鐵芯10表面的、極數(shù)為2 的轉子永磁體9產(chǎn)生，其中極數(shù)2 相對于極數(shù)2 3為多極；(四)、新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的電磁調制式空心雙鼠籠轉子中穿過的磁場是由定子繞組3產(chǎn)生的少極數(shù)高速旋轉磁場與轉子永磁體9產(chǎn)生的多極數(shù)低速旋轉磁場而合成，該合成磁場通過空心雙鼠籠轉子的具有Zg個導磁柵齒的導磁鼠籠13、具有Zg個導電銅條5和兩端的短路端環(huán)6構成的導電鼠籠聯(lián)合調制，Zg與極對數(shù) Pr和Ps滿足以下關系約束Zg = pr+ps0滿足以上特征的新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機具有如下特性
60x/s定子旋轉磁場同步速度
權利要求1.新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機，其特征是新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機由極數(shù)為2Ps的少極數(shù)的定子、電磁調制式空心雙鼠籠轉子、極數(shù)為2 的多極數(shù)的永磁轉子組成，三者之間呈徑向同心式結構，且在軸向兩端由前端蓋(7)、后端蓋(1)、定子機殼( 支撐固定，電磁調制式空心雙鼠籠轉子兩邊存在兩個氣隙，兩氣隙分別對應兩種同步轉速不同的氣隙旋轉磁場；新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的定子與電磁調制式空心雙鼠籠轉子間的氣隙旋轉磁場是極數(shù)為2ps、同步轉速為ns的高速旋轉磁場，由嵌裝于定子鐵芯(4) &個槽中的、相數(shù)m為3相、極數(shù)為2Ps的定子繞組(3)中流過的交變頻率為fs的三相對稱交流電流產(chǎn)生；新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的永磁轉子與電磁調制式空心雙鼠籠轉子間的氣隙旋轉磁場是極數(shù)為2 、同步轉速為的低速高次諧波旋轉磁場，由安裝于轉子鐵芯(10)表面的、極數(shù)為2 的轉子永磁體(9)產(chǎn)生，其中極數(shù)2 相對于極數(shù)2化為多極；新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機的電磁調制式空心雙鼠籠轉子中穿過的磁場是由定子繞組C3)產(chǎn)生的少極數(shù)高速旋轉磁場與轉子永磁體(9)產(chǎn)生的多極數(shù)低速旋轉磁場而合成，該合成磁場通過空心雙鼠籠轉子的具有Zg個導磁柵齒的導磁鼠籠 (13)、具有Zg個導電銅條( 和兩端的短路端環(huán)(6)構成的導電鼠籠聯(lián)合調制，Zg與極對數(shù)Pr和Ps滿足以下關系約束=Zg = pr+ps。
2.根據(jù)權利要求1所述的新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機，其特征是在定子和永磁轉子之間安裝有電磁調制式空心雙鼠籠轉子，電磁調制式空心雙鼠籠轉子由兩個空心鼠籠、前內端蓋(12)、后內端蓋(14)以及滾動軸承I(Il)所組成；起內外氣隙磁場調制作用的兩個空心鼠籠，其一是具有4個導磁柵齒的導磁鼠籠(13)，其二是具有 &個導電銅條(5)和兩端的短路端環(huán)(6)所組成的導電鼠籠；導磁鼠籠(13)上沿圓周弧面上均勻分布有&個長條形孔，長條形孔之間就是起導磁作用的&個均勻分布的導磁柵齒， 導磁鼠籠(1 由導磁的薄鋼板經(jīng)沖壓成形，再經(jīng)多片卷繞、疊壓、鉚焊成一整體；導磁鼠籠 (13)的導磁柵齒之間長條形孔中裝配有導電銅條(5)，并在導磁鼠籠(1 兩端面與短路端環(huán)(6)焊接為一整體，從而構成徑向對稱的導電鼠籠繞組，導電鼠籠與導磁鼠籠交錯排列形成空心雙鼠籠轉子結構；前內端蓋(12)、后內端蓋(14)與導磁鼠籠(13)之間采用緊配合連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機，其特征是永磁轉子由2 個轉子永磁體(9)、轉子鐵芯(10)、輸出轉軸(8)組成圓柱形狀結構，轉子永磁體(9)按N極S極間隔排列分布的方式分布于轉子鐵芯(10)的外圓表面，轉子鐵芯(10)由導磁的硅鋼板經(jīng)沖壓成片狀疊壓鉚焊成一整體并與輸出轉軸(8)緊配合連接， 永磁轉子與定子和電磁調制式空心雙鼠籠轉子之間分別通過滾動軸承11(1 和滾動軸承 I(Il)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機，其特征是定子由定子鐵芯G)、定子繞組(3)和定子機殼(2)組成，定子鐵芯由導磁的硅鋼板沖壓加工成沖片形狀并多片疊壓組焊成一整體；定子鐵芯內圓周均勻分布有&個槽，槽中安放有&個雙層結構的定子繞組(3)，定子繞組C3)在端部接成相數(shù)m為3相、每相串聯(lián)極數(shù)為2Ps的三相對稱Y型繞組，三相對稱Y型繞組中通以交變頻率為fs的三相對稱交流電流； 定子繞組C3)采用可克服齒槽效應的、削弱高次諧波成分的分數(shù)槽分布的、短矩、雙層疊繞組形式。
專利摘要新型雙鼠籠結構的氣隙磁場電磁調制式永磁電機，是一種高轉速氣隙旋轉磁場通過磁場電磁調制而直接實現(xiàn)低轉速大力矩輸出的新型直接驅動電機，可應用于風力發(fā)電、電動汽車、船艦驅動等需要直接驅動的傳動領域。其特征是電機由極數(shù)為2ps的定子、電磁調制式空心雙鼠籠轉子、極數(shù)為2pr的永磁轉子組成，三者之間呈徑向同心式結構且存在兩個氣隙，分別對應兩種同步轉速不同的氣隙旋轉磁場；運行時，定子鐵芯4中的定子繞組3流過三相對稱交變電流，產(chǎn)生極數(shù)為2ps的少極數(shù)高速氣隙旋轉磁場，經(jīng)空心雙鼠籠轉子的導磁鼠籠13、導電鼠籠聯(lián)合電磁調制后，成為極數(shù)為2pr的多極數(shù)低速高次諧波旋轉磁場，從而以低轉速大力矩驅動永磁轉子。
文檔編號H02K16/02GK202197194SQ20112024515
公開日2012年4月18日 申請日期2011年7月3日 優(yōu)先權日2011年7月3日
發(fā)明者余虹錦 申請人:余虹錦