轴向磁场调制型无刷双转子电机

摘要

轴向磁场调制型无刷双转子电机，属于电机领域，本发明为解决已有双转子电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护的问题。本发明的两个定子固定在壳体左右端面，调制环转子位置于两个定子之间、永磁转子的外部，原动机带动永磁转子旋转，形成2n极磁场，将定子通电形成2p极磁场，由调制环转子进行调制，调制环转子的转子支架两侧端面沿圆周方向交错设置q块导磁块和q块绝缘块；且满足关系式p＝|hn+kq|，由调制环转子的输出轴不同的转速给负载，本发明电机有两种结构，一种是轴向对称式，另一种是轴向单边式。本发明电机用于电动汽车、风力发电、鱼雷推进场合。

说明书

技术领域

本发明涉及轴向磁场调制型无刷双转子电机，属于电机领域。

背景技术

双转子电机具有两个转速彼此独立的转子以及转轴，可实现双轴独立驱动，因此在电动汽车、风力发电、鱼雷推进等场合具有广阔的应用前景。

目前已有的双转子电机实现双轴驱动的普遍方法是将传统电机的转子仍作为一个转子，并连接一个转轴，将传统电机的定子旋转起来作为另一个转子，并连接另一个转轴。其中，一个转轴与原动机相连作为能量的输入端，另一个转轴与负载相连作为能量的输出端，通过调节旋转的定子绕组中电流的频率，使输入轴和输出轴运行在不同转速下，从而实现原动机与负载之间的能量流动。但这种电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，这样会导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。

发明内容

本发明目的是为了解决已有双转子电机中旋转的绕组需要通过电刷和滑环引入电流，导致运行效率下降、可靠性降低，以及经常需要对电刷等部件进行维护的问题，提供了一种轴向磁场调制型无刷双转子电机。

本发明轴向磁场调制型无刷双转子电机的第一种结构：

轴向磁场调制型无刷双转子电机包括壳体、定子、永磁转子和永磁转子输出轴，其特征在于，它还包括调制环转子和调制环转子输出轴，

两个定子的各一个外圆环端面分别固定在壳体的左右端面内壁上，永磁转子固定在永磁转子输出轴上，永磁转子输出轴通过第一轴承与壳体的一侧端面转动连接，且通过第二轴承和第四轴承与调制环转子转动连接，调制环转子位于两个定子之间、永磁转子的外部，调制环转子输出轴的一端固定在调制环转子上，且调制环转子输出轴通过第三轴承与壳体的另一侧端面转动连接；调制环转子和定子的圆环端面之间有气隙L1；调制环转子与永磁转子之间有气隙L2，

定子由定子铁心和m相定子绕组构成，定子绕组通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

永磁转子由永磁转子铁心和多个永磁体单元构成，永磁转子铁心为圆盘形，永磁转子铁心的两侧圆盘端面上对称设置永磁体单元，每个圆盘端面上设置的2n个永磁体单元以永磁转子输出轴为中心呈放射线状均匀排布，永磁体单元沿轴向平行充磁，同一圆盘端面相邻两块永磁体单元的充磁方向相反，两侧圆盘端面上位置对称的两块永磁体单元充磁方向相同，永磁转子旋转时，形成2n极数的永磁转子端面磁场，n为正整数；

调制环转子由转子支架、2q块导磁块和2q块绝缘块构成，转子支架是由两个圆端面和一个圆环构成的封闭框架，每个圆端面上交错设置q块导磁块和q块绝缘块，且以永磁转子输出轴为中心呈放射线状均匀排布；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

本发明轴向磁场调制型无刷双转子电机的第二种结构：

轴向磁场调制型无刷双转子电机包括壳体、定子、永磁转子和永磁转子输出轴，其特征在于，它还包括调制环转子和调制环转子输出轴，

定子的外圆环端面固定在壳体的端面内壁上，永磁转子固定在永磁转子输出轴上，永磁转子输出轴通过第三轴承与壳体的一侧端面转动连接，调制环转子位于定子与永磁转子之间，调制环转子输出轴的一端通过第二轴承与永磁转子转动连接，且调制环转子输出轴通过第一轴承与壳体的另一侧端面转动连接；调制环转子和定子之间有气隙L1；调制环转子与永磁转子之间有气隙L2，

定子由定子铁心和m相定子绕组构成，定子绕组通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

永磁转子由永磁转子铁心和2n个永磁体单元构成，永磁转子铁心为圆盘形，2n个永磁体单元设置在与调制环转子相对的永磁转子铁心的圆盘端面，并以永磁转子输出轴为中心呈放射线状均匀排布，永磁体单元沿轴向平行充磁，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反，永磁转子旋转时，形成2n极数的永磁转子端面磁场，n为正整数；

调制环转子由转子支架、q块导磁块和q块绝缘块构成，q块导磁块和q块绝缘块交错设置在转子支架上，且以调制环转子输出轴为中心呈放射线状均匀排布；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

本发明的优点：本发明的电机具有两个转轴，这两个转轴的转速彼此独立且转速可调，两个转轴输出的转矩彼此独立且转矩可调，这样可以使一个转轴实现高速小转矩运行，另一个转轴实现低速大转矩运行。因此，本发明特别适合应用在电动汽车、风力发电、鱼雷推进等场合，而且在这些场合中应用，可以省去齿轮箱，从而使整个系统的体积减小、成本降低、可靠性增加。

本发明属于无刷结构，定子的电枢绕组不需要旋转，克服了采用电刷滑环馈电结构所导致的运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。

本发明电机具有功率密度高、转矩密度高的优点。

附图说明

图1是实施方式一的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的C-C剖视图；

图5是实施方式二的结构示意图；

图6是图5的I-I剖视图；

图7是图5的J-J剖视图；

图8是图5的K-K剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式包括壳体4、定子5、永磁转子7和永磁转子输出轴1，它还包括调制环转子6和调制环转子输出轴9，

两个定子5的各一个外圆环端面分别固定在壳体4的左右端面内壁上，永磁转子7固定在永磁转子输出轴1上，永磁转子输出轴1通过第一轴承2与壳体4的一侧端面转动连接，且通过第二轴承3和第四轴承10与调制环转子6转动连接，调制环转子6位于两个定子5之间、永磁转子7的外部，调制环转子输出轴9的一端固定在调制环转子6上，且调制环转子输出轴9通过第三轴承8与壳体4的另一侧端面转动连接；调制环转子6和定子5的圆环端面之间有气隙L1；调制环转子6与永磁转子7之间有气隙L2，

定子5由定子铁心5-2和m相定子绕组5-1构成，定子绕组5-1通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

永磁转子7由永磁转子铁心7-2和多个永磁体单元7-1构成，永磁转子铁心7-2为圆盘形，永磁转子铁心7-2的两侧圆盘端面上对称设置永磁体单元7-1，每个圆盘端面上设置的2n个永磁体单元7-1以永磁转子输出轴1为中心呈放射线状均匀排布，永磁体单元7-1沿轴向平行充磁，同一圆盘端面相邻两块永磁体单元7-1的充磁方向相反，两侧圆盘端面上位置对称的两块永磁体单元7-1充磁方向相同，永磁转子7旋转时，形成2n极数的永磁转子端面磁场，n为正整数；

调制环转子6由转子支架6-3、2q块导磁块6-1和2q块绝缘块6-2构成，转子支架6-3是由两个圆端面和一个圆环构成的封闭框架，每个圆端面上交错设置q块导磁块6-1和q块绝缘块6-2，且以永磁转子输出轴1为中心呈放射线状均匀排布；导磁块6-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

定子铁心5-2为圆环形，定子铁心5-2的外圆环端面固定在壳体4的端面内壁上，定子铁心5-2的内圆环端面上沿径向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线以调制环转子输出轴9为中心呈放射线状均匀分布，定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕组，m为正整数。

本实施方式所述的电机是轴向对称式结构，它可以避免轴向产生不对称的磁场拉力。

永磁转子7上设置的永磁体单元7-1有两种方式：

第一种：永磁体单元7-1的每个圆盘端面上嵌入设置的2n个永磁体单元7-1以永磁转子输出轴1为中心呈放射线状均匀排布。

第二种：永磁体单元7-1的每个圆盘端面上表贴设置的2n个永磁体单元7-1以永磁转子输出轴1为中心呈放射线状均匀排布。

下面对本实施方式电机的工作原理进行说明，本实施方式电机结构中存在两个气隙L1，这两个气隙中磁场作用机理是相同的；本实施方式电机结构中存在两个气隙L2，这两个气隙中磁场作用机理也是相同的。该实施方式为左右对称结构，下面以左侧的定子、调制环转子的左侧端面和永磁转子的左侧面为例说明该实施方式的工作原理，右侧作用机理与左侧相同。

首先原动机通过永磁转子输出轴1以驱动转矩T驱动永磁转子7逆时针旋转，其旋转速度为Ω₁，从永磁转子7向定子5方向看，下面说明中的视图方向相同；

为了使永磁转子7所受力矩平衡，此时将定子5的定子绕组5-1中通入m相对称交流电流，在外层气隙L1中产生2p极数的定子旋转磁场，所述定子旋转磁场的旋转速度为Ω₂；

所述定子旋转磁场通过调制环转子6的调制作用，在内层气隙L2中产生与永磁转子7相同极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的内调制转矩T₁作用在永磁转子7上，且转矩T₁的方向为顺时针方向；

由力矩平衡原理可知，T₁＝-T，二者大小相等，方向相反；

又根据作用力与反作用力的原理，可知在内层气隙L2中存在与内调制转矩T₁大小相等且方向相反的力矩T′₁同时作用在调制环转子6上，T′₁的方向为逆时针方向；

同时，内层以速度Ω₁旋转的永磁转子7产生的永磁转子旋转磁场通过调制环转子6的调制作用，在外层气隙L1中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转磁场相互作用，可产生外调制转矩T₂，并作用在定子5上，且外调制转矩T₂方向为顺时针方向；

根据作用力与反作用力的原理，可知在外层气隙L1中存在与外调制转矩T₂大小相等且方向相反的力矩T′₂同时作用在调制环转子6上，且方向为逆时针方向；

因此，调制环转子6的输出转矩T₃满足条件：T₃＝T′₁+T′₂＝-(T₁+T₂)，调制环转子6的旋转速度为Ω₂，且方向为逆时针方向，调制环转子输出轴9以转矩T₃驱动负载。

由此可以看出，调制环转子6的输出转矩T₃是内调制转矩T₁与外调制转矩T₂的合成转矩，而永磁转子7的输出转矩是内调制转矩T₁。因此，调制环转子6的输出转矩T₃将大于永磁转子7的输出转矩T₁，并且二者具有一定的变比。

本发明的双转子结构电机可以通过调节通入定子绕组5-1的电流的频率f来调节转速，定子旋转磁场的旋转速度Ω₂、调制环转子6的旋转速度Ω₃和永磁转子7的旋转速度Ω₁满足关系式：

${\Omega }_2=\frac{\mathrm{hn}}{|\mathrm{hn}+\mathrm{kq}|}{\Omega }_1+\frac{\mathrm{kq}}{|\mathrm{hn}+\mathrm{kq}|}{\Omega }_3---\left(1\right)$

下面具体分析几种特殊情况及其产生的原理：

1、在调制环转子6静止不动的情况下，即Ω₃＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：

${\Omega }_2=\frac{\mathrm{hn}}{|\mathrm{hn}+\mathrm{kq}|}{\Omega }_1---\left(2\right)$

其产生的原理为：

在调制环转子6静止不动的情况下，此时定子绕组5-1通m相对称交流电流产生定子旋转磁场，而永磁转子7在原动机的驱动下也在空间中产生了旋转速度为Ω₁的转子旋转磁场，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及定子旋转磁场的极对数p、永磁转子7的旋转磁场极对数n和调制环转子6中导磁块数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：当调制环转子6静止不动时，则定子旋转磁场的旋转速度Ω₂和内层的永磁转子7的旋转速度Ω₁满足关系式(2)，由此可知定子旋转磁场的旋转速度Ω₂与永磁转子7的旋转速度Ω₁具有一定的变比关系，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化。

2、通入定子绕组5-1的电流的频率f＝0，则定子绕组5-1通入直流电流时，产生恒定磁场，不旋转，Ω₂＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：

${\Omega }_3=\frac{-\mathrm{hn}}{\mathrm{kq}}{\Omega }_1---\left(3\right)$

其产生的原理为：

当定子绕组5-1通入直流电流时，产生恒定磁场，同时永磁转子7在原动机的驱动下在空间中产生了旋转速度为Ω₁的转子旋转磁场，而此时并不对调制环转子6进行固定，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的另一种工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及定子旋转磁场的极对数p、永磁转子7的旋转磁场极对数n和调制环转子6中导磁块数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：调制环转子6将会以一定的速度进行旋转，调制环转子6旋转速度Ω₃和永磁转子7的旋转速度Ω₁将满足关系式(3)，由此可知调制环转子6的旋转速度Ω₃与永磁转子7的旋转速度Ω₁具有一定的变比，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化；

下面进行说明公式(1)的产生原理，若此时使定子5产生的恒定磁场“旋转起来”，即当定子绕组5-1通入对称交流电流产生定子旋转磁场时，根据磁场调制原理可推导出，定子旋转磁场的旋转速度Ω₂与调制环转子6的旋转速度Ω₃和永磁转子7的旋转速度Ω₁满足关系式(1)。因此，当内层永磁转子7的速度Ω₁不变的情况下，调节定子旋转磁场的旋转速度Ω₂，可以实现调制环转子6的旋转转速Ω₃的调节。由此可以看出，调制环转子6的旋转速度Ω₃是由永磁转子7的旋转速度Ω₁和定子旋转磁场的旋转速度Ω₂共同决定的。

综上，本发明所述的双转子电机根据公式(1)调节通入定子绕组5-1的电流的频率f来调节转速。

具体实施方式二：下面结合图5至图8说明本实施方式，本实施方式包括壳体4、定子5、永磁转子7和永磁转子输出轴1，它还包括调制环转子6和调制环转子输出轴9，

定子5的外圆环端面固定在壳体4的端面内壁上，永磁转子7固定在永磁转子输出轴1上，永磁转子输出轴1通过第三轴承8与壳体4的一侧端面转动连接，调制环转子6位于定子5与永磁转子7之间，调制环转子输出轴9的一端通过第二轴承3与永磁转子7转动连接，且调制环转子输出轴9通过第一轴承2与壳体4的另一侧端面转动连接；调制环转子6和定子5之间有气隙L1；调制环转子6与永磁转子7之间有气隙L2，

定子5由定子铁心5-2和m相定子绕组5-1构成，定子绕组5-1通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

永磁转子7由永磁转子铁心7-2和2n个永磁体单元7-1构成，永磁转子铁心7-2为圆盘形，2n个永磁体单元7-1设置在与调制环转子6相对的永磁转子铁心7-2的圆盘端面，并以永磁转子输出轴1为中心呈放射线状均匀排布，永磁体单元7-1沿轴向平行充磁，相邻两块永磁体单元7-1的充磁方向相反，永磁转子7旋转时，形成2n极数的永磁转子端面磁场，n为正整数；

调制环转子6由转子支架6-3、q块导磁块6-1和q块绝缘块6-2构成，q块导磁块6-1和q块绝缘块6-2交错设置在转子支架6-3上，且以调制环转子输出轴9为中心呈放射线状均匀排布；导磁块6-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

定子铁心5-2为圆环形，定子铁心5-2的外圆环端面固定在壳体4的端面内壁上，定子铁心5-2的内圆环端面上沿径向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线以调制环转子输出轴9为中心呈放射线状均匀分布，定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕组，m为正整数。

本实施方式所述电机的结构为轴向单边式，使得电机的体积更小，结构更紧凑。

永磁转子7上设置的永磁体单元7-1有两种方式：

第一种，2n个永磁体单元7-1嵌入设置在与调制环转子6相对的永磁转子铁心7-2的圆盘端面。

第二种：2n个永磁体单元7-1表贴设置在与调制环转子6相对的永磁转子铁心7-2的圆盘端面。

下面对本实施方式电机的工作原理进行说明：

首先原动机通过永磁转子输出轴1以驱动转矩T驱动永磁转子7逆时针旋转，其旋转速度为Ω₁，从永磁转子7向定子5方向看，下面说明中的视图方向相同；

为了使永磁转子7所受力矩平衡，此时将定子5的定子绕组5-1中通入m相对称交流电流，在外层气隙L1中产生2p极数的定子旋转磁场，所述定子旋转磁场的旋转速度为Ω₂；

所述定子旋转磁场通过调制环转子6的调制作用，在内层气隙L2中产生与永磁转子7相同极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的内调制转矩T₁作用在永磁转子7上，且转矩T₁的方向为顺时针方向；

由力矩平衡原理可知，T₁＝-T，二者大小相等，方向相反；

又根据作用力与反作用力的原理，可知在内层气隙L2中存在与内调制转矩T₁大小相等且方向相反的力矩T′₁同时作用在调制环转子6上，T′₁的方向为逆时针方向；

同时，内层以速度Ω₁旋转的永磁转子7产生的永磁转子旋转磁场通过调制环转子6的调制作用，在外层气隙L1中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转磁场相互作用，可产生外调制转矩T₂，并作用在定子5上，且外调制转矩T₂方向为顺时针方向；

根据作用力与反作用力的原理，可知在外层气隙L1中存在与外调制转矩T₂大小相等且方向相反的力矩T′₂同时作用在调制环转子6上，且方向为逆时针方向；

因此，调制环转子6的输出转矩T₃满足条件：T₃＝T′₁+T′₂＝-(T₁+T₂)，调制环转子6的旋转速度为Ω₂，且方向为逆时针方向，调制环转子输出轴9以转矩T₃驱动负载。

由此可以看出，调制环转子6的输出转矩T₃是内调制转矩T₁与外调制转矩T₂的合成转矩，而永磁转子7的输出转矩是内调制转矩T₁。因此，调制环转子6的输出转矩T₃将大于永磁转子7的输出转矩T₁，并且二者具有一定的变比。

本发明的双转子结构电机可以通过调节通入定子绕组5-1的电流的频率f来调节转速，定子旋转磁场的旋转速度Ω₂、调制环转子6的旋转速度Ω₃和永磁转子7的旋转速度Ω₁满足关系式：

${\Omega }_2=\frac{\mathrm{hn}}{|\mathrm{hn}+\mathrm{kq}|}{\Omega }_1+\frac{\mathrm{kq}}{|\mathrm{hn}+\mathrm{kq}|}{\Omega }_3---\left(1\right)$

下面具体分析几种特殊情况及其产生的原理：

1、在调制环转子6静止不动的情况下，即Ω₃＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：

${\Omega }_2=\frac{\mathrm{hn}}{|\mathrm{hn}+\mathrm{kq}|}{\Omega }_1---\left(2\right)$

其产生的原理为：

在调制环转子6静止不动的情况下，此时定子绕组5-1通m相对称交流电流产生定子旋转磁场，而永磁转子7在原动机的驱动下也在空间中产生了旋转速度为Ω₁的转子旋转磁场，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及定子旋转磁场的极对数p、永磁转子7的旋转磁场极对数n和调制环转子6中导磁块数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：当调制环转子6静止不动时，则定子旋转磁场的旋转速度Ω₂和内层的永磁转子7的旋转速度Ω₁满足关系式(2)，由此可知定子旋转磁场的旋转速度Ω₂与永磁转子7的旋转速度Ω₁具有一定的变比关系，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化。

2、通入定子绕组5-1的电流的频率f＝0，则定子绕组5-1通入直流电流时，产生恒定磁场，不旋转，Ω₂＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：

${\Omega }_3=\frac{-\mathrm{hn}}{\mathrm{kq}}{\Omega }_1---\left(3\right)$

其产生的原理为：

当定子绕组5-1通入直流电流时，产生恒定磁场，同时永磁转子7在原动机的驱动下在空间中产生了旋转速度为Ω₁的转子旋转磁场，而此时并不对调制环转子6进行固定，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的另一种工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及定子旋转磁场的极对数p、永磁转子7的旋转磁场极对数n和调制环转子6中导磁块数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：调制环转子6将会以一定的速度进行旋转，调制环转子6旋转速度Ω₃和永磁转子7的旋转速度Ω₁将满足关系式(3)，由此可知调制环转子6的旋转速度Ω₃与永磁转子7的旋转速度Ω₁具有一定的变比，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化；

下面进行说明公式(1)的产生原理，若此时使定子5产生的恒定磁场“旋转起来”，即当定子绕组5-1通入对称交流电流产生定子旋转磁场时，根据磁场调制原理可推导出，定子旋转磁场的旋转速度Ω₂与调制环转子6的旋转速度Ω₃和永磁转子7的旋转速度Ω₁满足关系式(1)。因此，当内层永磁转子7的速度Ω₁不变的情况下，调节定子旋转磁场的旋转速度Ω₂，可以实现调制环转子6的旋转转速Ω₃的调节。由此可以看出，调制环转子6的旋转速度Ω₃是由永磁转子7的旋转速度Ω₁和定子旋转磁场的旋转速度Ω₂共同决定的。

综上，本发明所述的双转子电机根据公式(1)调节通入定子绕组5-1的电流的频率f来调节转速。