[发明专利]一种游标磁齿轮复合电机

说明书

本发明公开了一种游标磁齿轮复合电机，属于低速大转矩直驱电机领域。本发明提供的游标磁齿轮复合电机，通过改变传统分数槽集中绕组永磁电机为分裂齿游标电机，增加了同等体积和损耗下的电磁输出转矩；通过采用双层Halbach交替极永磁转子结构，在内外气隙产生不同极对数的工作磁场，缩短了磁力齿轮和永磁电机的磁通路径以及转子轭部厚度，提升了磁力齿轮的工作磁密和最大传递转矩。总结来说，本发明提供的游标磁齿轮复合电机，通过对电机类型、永磁转子结构的改变及优化，能实现低速大转矩输出，且相较传统磁齿轮复合电机具有更高的转矩密度和磁钢利用率。

技术领域

本发明属于低速大转矩直驱电机领域，更具体地，涉及一种游标磁齿轮复合电机。

背景技术

磁齿轮复合电机是随着磁场调制型磁力齿轮而逐渐兴起的一种新型电机，是将磁场调制型磁力齿轮同永磁电机进行紧凑复合，以实现低速大转矩输出的一种技术。根据复合电机气隙数目和耦合程度的不同，衍生出不同的形式，包括永磁电机和齿轮磁路分开的三层气隙磁齿轮复合电机，闭口槽定子嵌磁钢的两层气隙准直驱磁齿轮复合电机等等。以上这些磁齿轮复合电机结构，主要通过设计磁力齿轮少极转子极对数等于永磁电机转子极对数，实现转子结构的复用和转矩直接传递，然后再通过磁力齿轮的调制环转子实现转矩的减速放大输出，实现较高的转矩密度。

2018年Stiaan Gerber和Rong-Jie Wang提出了一种经典三气隙磁齿轮复合电机结构，电机和磁齿轮共用一个五对极的无铁心永磁转子，永磁同步电机采用12槽10极分数槽集中绕组，磁力齿轮调磁块数为36，外转子极对数为31，减速比为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)。论文指出该三气隙磁齿轮复合电机能够实现98Nm/L的转矩体积密度，比传统直驱电机高2.7倍，比双层气隙准直驱型磁齿轮复合电机高40％，是截至目前转矩密度最高的磁齿轮复合电机结构。然而，该方案仍存在一些制约转矩密度提升的问题：1.电机部分一般采用分数槽集中绕组永磁同步电机，且极对数选择受到磁力齿轮制约难以增加，故电磁转矩密度较低，不如应用磁场调制原理的游标电机；2.电机与磁齿轮磁路耦合，电机和磁齿轮的工作磁场均须穿过多层气隙闭合，降低了它们的工作磁场强度，不利于电机转矩和磁齿轮传递转矩的提升；3.内永磁转子采用表贴结构，且通过不导磁的金属框包围和固定，增加了气隙厚度，降低了气隙工作磁场。

2018年美国德州农机大学Hamid提出了一种磁齿轮复合直驱电机，其通过在内转子铁心轭的内侧和外侧放置两层不同极对数的表贴型永磁体来分别满足直驱电机和磁力齿轮对永磁体极对数的要求，其中内层永磁体 20对极，外层永磁体6对极，实现了对磁齿轮复合电机内转子极对数的解耦。(M.Johnson,M.C.Gardner,H.A.Toliyat,S.Englebretson,W.Ouyang, and C.Tschida,“Design,Construction,and Analysis of a Large-ScaleInner Stator Radial Flux Magnetically Geared Generator for Wave EnergyConversion,”IEEE Transactions on Industry Applications,vol.54,no.4,pp. 3305–3314,Jul.2018,doi:10.1109/TIA.2018.2828383.)这一解决方案的缺点在于：永磁转子内外层具有相反极性的永磁体磁场互相削弱，使得永磁体利用率不高；且仅有径向永磁体工作，使得内外层磁路需要较厚的铁心轭部实现磁路闭合，增加了永磁转子的体积和质量。

发明内容