一種多端口能量轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】一種多端口能量轉(zhuǎn)換裝置包括由低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛（1）和位于低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛（1）內(nèi)測的低速側(cè)永磁體（2）組成的低速側(cè)轉(zhuǎn)子，高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛（6）和位于高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛（6）內(nèi)側(cè)的高速側(cè)永磁體（5）組成的高速側(cè)轉(zhuǎn)子，以及由電樞繞組（4）和位于電樞繞組（4）兩側(cè)的調(diào)磁鐵塊（3）組成的調(diào)磁機構；低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子分別位于調(diào)磁機構兩側(cè)，與調(diào)磁機構之間留有空氣間隙，且與調(diào)磁機構同軸；低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子分別連接低速轉(zhuǎn)軸和高速轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸可自由旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)換裝置具有兩個機械端口和一個電氣端口，實現(xiàn)機械能和電能之間的多方向多輸出轉(zhuǎn)換。
【專利說明】一種多端口能量轉(zhuǎn)換裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，適用于非接觸式變速驅(qū)動、多向能量轉(zhuǎn)換等場合，屬于特種電磁裝備領域。
【背景技術】
[0002]作為一種速度轉(zhuǎn)換裝置，機械齒輪在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航空、航天等領域有著廣泛應用。但是，機械齒輪存在著諸如噪音大、維護多、壽命短、不隔離等問題。永磁齒輪是一種非接觸式的傳動裝置，具有可靠性好、傳動平穩(wěn)、壽命長，無摩擦能耗、無需潤滑、無油污，輸入與輸出隔離，自動過載保護等優(yōu)點。因此，在眾多領域可由永磁齒輪可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械齒輪，以減小維護工作量、降低噪音、污染、以及出現(xiàn)問題和故障的概率。[0003]盡管永磁齒輪能較好地實現(xiàn)速度轉(zhuǎn)換，但其所能傳遞的轉(zhuǎn)矩密度較小、效率較低，這一問題使永磁齒輪的應用受到了限制，進而促使人們不斷改進傳統(tǒng)永磁齒輪的基本結構。近期，基于磁場調(diào)制原理的永磁齒輪拓撲結構問世，大大提升了永磁齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩和效率。基于磁場調(diào)制原理的永磁齒輪與傳統(tǒng)永磁齒輪的區(qū)別在于兩個動子間加入了調(diào)磁機構，實現(xiàn)了氣隙磁場的調(diào)制，增加了能量轉(zhuǎn)換效率。這種結構的永磁齒輪在電氣化飛機引擎、船舶電力推進和風力發(fā)電等場合有著巨大的優(yōu)勢和應用前景。
[0004]現(xiàn)有基于磁場調(diào)制原理的永磁齒輪只能實現(xiàn)機械能到機械能的傳遞，能量轉(zhuǎn)換模式單一。拓展永磁齒輪的能量轉(zhuǎn)換模式是一種極具挑戰(zhàn)性的工作，具有實際意義和應用價值。例如，風力發(fā)電領域一直追求變速恒頻并網(wǎng)運行，通過使用具有調(diào)速功能的永磁齒輪則可在變風速下滿足這一要求；另外，遇到強風時風力發(fā)電領域要棄風運行以保證機組安全，通過使用具有多能量轉(zhuǎn)換模式的永磁齒輪即可保證發(fā)電機組的正常運行，還可以將多余機械能轉(zhuǎn)換成電能從另外的電氣端口對外輸出，豐富了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換模式，提高了風能的利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術問題:本實用新型的目的是提出一種多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，旨在通過將永磁齒輪和電機技術進行有效組合，實現(xiàn)多個方向機電能量的轉(zhuǎn)換及速度和功率控制。
[0006]技術方案:本實用新型的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置包括由低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛和位于低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛內(nèi)測的低速側(cè)永磁體組成的低速側(cè)轉(zhuǎn)子，高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛和位于高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛內(nèi)測的高速側(cè)永磁體組成的高速側(cè)轉(zhuǎn)子，以及由電樞繞組和位于電樞繞組兩側(cè)的調(diào)磁鐵塊組成的調(diào)磁機構；低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子分別位于調(diào)磁機構兩側(cè)，與調(diào)磁機構之間留有空氣間隙，且與調(diào)磁機構同軸；低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子分別連接低速轉(zhuǎn)軸和高速轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸可自由旋轉(zhuǎn)。
[0007]所述的調(diào)磁鐵塊的數(shù)量Z、高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)Ph和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)P1三者滿足Z=PdP1。
[0008]低速側(cè)轉(zhuǎn)子、高速側(cè)轉(zhuǎn)子以及調(diào)磁機構的工作轉(zhuǎn)速滿足Pini+Phnh = Zns，其中:?為低速側(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、nh為高速側(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、ns為調(diào)磁裝置的轉(zhuǎn)速。
[0009]當調(diào)磁機構固定時，轉(zhuǎn)速ns為零，此時高低速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比G滿足
? nh P1
[0010]G =——
fh ph
[0011 ] 高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛、調(diào)磁鐵塊和低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛由導磁材料制成。
[0012]位于電樞繞組同一側(cè)相鄰的調(diào)磁鐵塊之間為空氣隙或填充非導磁材料。
[0013]低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體采用表面粘貼式或內(nèi)嵌式結構固定在低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛上；高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體采用表面粘貼式或內(nèi)嵌式結構固定在高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛上。
[0014]固定在調(diào)磁機構上的電樞繞組為單相繞組或多相繞組。
[0015]固定在調(diào)磁機構上的電樞繞組為雙層繞組或單層繞組。
[0016]高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(5)和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(2)采用軸向充磁方式,沿轉(zhuǎn)子圓周方向排列。
[0017]該裝置內(nèi)的磁通依次經(jīng)過高速(或低速)側(cè)永磁體N極、氣隙、調(diào)磁鐵塊、氣隙、低速(或高速)側(cè)永磁體S極、低速(或高速)側(cè)轉(zhuǎn)子軛、低速(或高速)側(cè)永磁體N極、氣隙、調(diào)磁鐵塊、高速(或低速)側(cè)永磁體S極、高速(或低速)側(cè)轉(zhuǎn)子軛，最后至高速(或低速)側(cè)永磁體N極閉合。
[0018]該裝置完成機械能到機械`能的轉(zhuǎn)換時，電樞繞組開路，機械功率從高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或低速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸入，高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或低速側(cè)轉(zhuǎn)子)和其永磁體產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn)，與低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)磁場耦合后，帶動低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)同向旋轉(zhuǎn)，機械功率從低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸出，此時裝置可視為一臺具有磁場調(diào)制能力的永磁齒輪。
[0019]該裝置完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換時，電樞繞組兩端接負載，機械功率從高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或低速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸入，高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或者低速側(cè)轉(zhuǎn)子)和其永磁體產(chǎn)生的磁場以一定角速度旋轉(zhuǎn)，在調(diào)磁塊中產(chǎn)生調(diào)磁波磁場，與電樞繞組產(chǎn)生切相對運動發(fā)出電能，電能從電樞繞組中輸出。
[0020]該裝置完成電能到機械能的轉(zhuǎn)換時，電樞繞組通入一定頻率的交流電，產(chǎn)生一定角速度的旋轉(zhuǎn)磁場，與高速側(cè)轉(zhuǎn)子或者低速側(cè)轉(zhuǎn)子磁場耦合后，帶動高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或者低速側(cè)轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)，機械功率從低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸出。
[0021]有益效果:
[0022]I)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化的同時消除了機械式齒輪箱的摩擦損耗和振動噪音等問題；
[0023]2)實現(xiàn)了無接觸動力傳動，無需潤滑油和定期維護保養(yǎng)；
[0024]3)具有自動過載保護能力，提高了系統(tǒng)的可靠性；
[0025]4)能夠?qū)崿F(xiàn)機械能到機械能,機械能到電能以及電能到機械能的一種或多種轉(zhuǎn)換。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型的軸向展開結構示意圖。
[0027]圖2為本實用新型的調(diào)磁鐵塊和電樞繞組結構示意圖。
[0028]圖3為本實用新型的磁鋼內(nèi)嵌式的轉(zhuǎn)子結構示意圖。
[0029]圖4為本實用新型的磁鋼表面粘貼式的轉(zhuǎn)子結構示意圖。[0030]圖5為本實用新型沿徑向剖開后的平面展開結構示意圖。
[0031]圖6為本實用新型的四種運行狀態(tài)示意圖。其中(a)處于永磁齒輪驅(qū)動狀態(tài)；(b)處于永磁齒輪驅(qū)動和發(fā)電機運行狀態(tài)；(C)處于永磁齒輪驅(qū)動和電動機狀態(tài)；(d)處于純電動運行狀態(tài)。
[0032]圖中有:低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛1、低速側(cè)永磁體2、調(diào)磁鐵塊3、電樞繞組4、高速側(cè)永磁體
5、高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛6。
【具體實施方式】
[0033]多端口能量轉(zhuǎn)換裝置包括高速側(cè)轉(zhuǎn)子、低速側(cè)轉(zhuǎn)子和調(diào)磁機構，高速和低速側(cè)轉(zhuǎn)子分居在調(diào)磁機構兩側(cè)，與調(diào)磁機構之間留有空氣間隙，空間上關于調(diào)磁機構對稱，軸線與調(diào)磁機構的軸線重合。低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子上分別安裝永磁體，高速側(cè)和低速側(cè)轉(zhuǎn)子分別與高速和低速轉(zhuǎn)軸相連，兩轉(zhuǎn)軸可自由旋轉(zhuǎn)。調(diào)磁鐵塊由導磁材料制成，調(diào)磁鐵塊上放置有電樞繞組(如圖2所示)。
[0034]調(diào)磁鐵塊的數(shù)量Z、高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體5極對數(shù)Ph和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體2極對數(shù)P1 滿足 Z=PdP1。
[0035]所述的高速側(cè)轉(zhuǎn)子和低速側(cè)轉(zhuǎn)子均采用表貼磁鋼結構(如圖3所示)，轉(zhuǎn)子軛為圓盤無槽結構。N極和S極永磁體粘貼在轉(zhuǎn)子軛上,永磁體軸向充磁。沿轉(zhuǎn)子圓周方向，N極和S極永磁體交錯排列，兩者間留有空氣隙。
[0036]或者，所述的高速側(cè)轉(zhuǎn)子和低速側(cè)轉(zhuǎn)子均采用內(nèi)嵌式磁鋼結構(如圖4所示)，轉(zhuǎn)子軛為有槽結構，槽中放置永磁體。轉(zhuǎn)子軛上的N極和S極永磁體軸向充磁。沿轉(zhuǎn)子圓周方向，高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或者低速側(cè)轉(zhuǎn)子)永磁體的S極和N極相向相鄰交錯排列。
[0037]或者，所述的高速側(cè)轉(zhuǎn)子采用表貼磁鋼結構(如圖3所示)，低速側(cè)轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌式磁鋼結構(如圖4所示)。
[0038]或者，所述的高速側(cè)轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌式磁鋼結構(如圖4所示)，低速側(cè)轉(zhuǎn)子采用表貼磁鋼結構(如圖3所示)。
[0039]所述的調(diào)磁機構中相鄰的調(diào)磁鐵塊間留有空氣隙，利用非導磁材料將各調(diào)磁鐵塊固定在一起，并與其它機構相連、固定?；蛘撸龅恼{(diào)磁機構中相鄰的調(diào)磁鐵塊間采用環(huán)氧樹脂或其他非導磁材料填充，再將所有填充材料和調(diào)磁鐵塊固定在一起與其它機構相連、固定。
[0040]所述的調(diào)磁機構中相鄰的調(diào)磁鐵塊采用開槽結構，槽中放置電樞繞組。或者，所述的調(diào)磁機構中相鄰的調(diào)磁鐵塊為無槽結構，電樞繞組直接繞在調(diào)磁鐵塊表面。
[0041]所述的電樞繞組可為單相繞組或多相繞組。
[0042]根據(jù)能量流動方向的不同，多端口能量轉(zhuǎn)換裝置的工作狀態(tài)可分為四種，如圖6所示。
[0043]狀態(tài)一完成機械能到機械能的轉(zhuǎn)換(所圖6 (a)所示)，此時電樞繞組開路，機械功率從高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或低速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸入，經(jīng)變換后從低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸出，整套裝置可視為一臺具有磁場調(diào)制能力的永磁齒輪。
[0044]狀態(tài)二完成機械能到機械能和電能的轉(zhuǎn)換(所圖6 (b)所示)，此時電樞繞組4兩端接負載，機械功率從高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或低速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸入，經(jīng)變換后從低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸出，電功率則從電樞繞組4兩端輸出。
[0045]狀態(tài)三完成機械能和電能到機械能的轉(zhuǎn)換(所圖6 (c)所示)，此時電樞繞組兩端接電源，機械功率從高速側(cè)轉(zhuǎn)子(或低速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸入，經(jīng)變換后從低速側(cè)轉(zhuǎn)子(或高速側(cè)轉(zhuǎn)子)輸出。通過調(diào)節(jié)電源電壓或電流的大小，調(diào)節(jié)輸出側(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)輸出功率。
[0046]狀態(tài)四完成電能到機械能的轉(zhuǎn)換(所圖6 (d)所示)，此時電樞繞組兩端接電源，機械功率從高速側(cè)轉(zhuǎn)子和低速側(cè)轉(zhuǎn)子輸出，整套裝置可視為一臺雙轉(zhuǎn)子電動機。通過調(diào)節(jié)電源電壓或電流的大小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸出功率。
[0047]本實用新型的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置采用軸向磁場結構，通過在調(diào)磁機構上增加電樞繞組，引入了能控制能量傳遞方向的獨立變量，極大地豐富了換能裝置的工作模式。
[0048]高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體由釹鐵硼、釤鈷或者其它永磁材料制成。
[0049]高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體5和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體2為一體式結構或分塊式結構。
[0050]調(diào)磁機構可固定或旋轉(zhuǎn)。
[0051]調(diào)磁鐵塊3為開槽結構或不開槽結構。
[0052]高速側(cè)轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑等于、大于或小于低速側(cè)轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑。
【權利要求】
1.一種多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該裝置包括由低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(I)和位于低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(I)內(nèi)側(cè)的低速側(cè)永磁體(2 )組成的低速側(cè)轉(zhuǎn)子，高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(6 )和位于高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(6)內(nèi)側(cè)的高速側(cè)永磁體(5)組成的高速側(cè)轉(zhuǎn)子，以及由電樞繞組(4)和位于電樞繞組(4)兩側(cè)的調(diào)磁鐵塊(3)組成的調(diào)磁機構；低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子分別位于調(diào)磁機構兩側(cè)，與調(diào)磁機構之間留有空氣間隙，且與調(diào)磁機構同軸；低速側(cè)轉(zhuǎn)子和高速側(cè)轉(zhuǎn)子分別連接低速轉(zhuǎn)軸和高速轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸可自由旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的調(diào)磁鐵塊(3)的數(shù)量Z、高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(5 )極對數(shù)Ph和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(2 )極對數(shù)P1三者滿足Z=PdP1。
3.根據(jù)權利要求2所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:低速側(cè)轉(zhuǎn)子、高速側(cè)轉(zhuǎn)子以及調(diào)磁機構的工作轉(zhuǎn)速滿足P1IidPhIih = Zns，其中:?為低速側(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、nh為高速側(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、ns為調(diào)磁裝置的轉(zhuǎn)速。
4.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:當調(diào)磁機構固定時，轉(zhuǎn)速




ns為零，此時高低速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比G滿足
5.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(6)、調(diào)磁鐵塊(3)和低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(I)由導磁材料制成。
6.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:位于電樞繞組(4)同一側(cè)相鄰的調(diào)磁鐵塊(3 )之間為空氣隙或填充非導磁材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(2)采用表面粘貼式或內(nèi)嵌式結構固定在低速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(I)上；高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(5)采用表面粘貼式或內(nèi)嵌式結構固定在高速側(cè)轉(zhuǎn)子軛(6)上。
8.根據(jù)權利要求1所述的多端口`能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:固定在調(diào)磁機構上的電樞繞組(4)為單相繞組或多相繞組。
9.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:固定在調(diào)磁機構上的電樞繞組(4)為雙層繞組或單層繞組。
10.根據(jù)權利要求1所述的多端口能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:高速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(5)和低速側(cè)轉(zhuǎn)子永磁體(2)采用軸向充磁。
【文檔編號】H02K1/27GK203466696SQ201320544501
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權日:2013年9月3日
【發(fā)明者】付興賀, 李紅艷, 林明耀 申請人:東南大學