技术领域

本发明是一种双转子磁导谐波式交流永磁复合 电机， 是将磁导谐波式磁齿轮传动与永磁 式交流电机复合于一体的、 具有双转子结构和一个电功率端口的多端口永 磁式变速、 变矩电 机， 是实现高转速机械能、低转速大力矩机械能、 及电能相互转换的变速传动能量变换装置， 可广泛应用于工业机器人伺服驱动、 风力发电、 水力发电、 混合动力驱动、 船舰驱动及其它 需要直接驱动的工业传动领域。 背景技术

根据旋转电机理论， 要使电机获得持续稳定的负载运行能力， 产生电磁感应的定子磁场 和转子磁场必须保持相对静止， 这就要求构成电机的定子和转子必须保持相同 极数， 为了节 约原材料， 电机往往设计成少极数的高速电机， 但许多传动领域往往又需要低转速大力矩的 输出， 这使得常规电机在需要宽广的恒功率调速范围 的应用受到很大限制， 必须得借助机械 齿轮变速传动技术来实现低转速、 大力矩的输出和恒功率调速范围的要求， 从而使得系统传 动效率低、 噪声大、 可靠性差， 整个传动系统体积大。 长期以来机械齿轮传动技术的基本形 式没有变化， 即始终是依靠机械式齿轮副的两轮齿的啮合进 行传动。 这就给齿轮传动带来了 一些不可消除的问题， 如机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音等， 尽管可以采用油脂润滑技术， 但 以上问题依旧无法根除， 导致使用维护极其繁琐， 固定传动速比的机械式齿轮副传动使得需 要在更宽转速范围的多级、 分档调速机构结构复杂， 无法适应越来越多的无级变速的传动技 术要求。

近年来， 随着风力发电、 电动汽车等新能源应用领域的发展需求， 国内外开始在新型磁 性传动技术上实现对机械传动的技术突破， 2004年英国和丹麦学者提出了磁场调制技术理� � 及其传动结构，并从实践上完成了一种新型径 向磁场调制式磁性齿轮的设计及样机验证工作 ， 克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点， 这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一 个 重要的研究方向和未来的应用领域。 2012年本案发明人陆续提出了"新型径向磁场的� ��极差磁 场耦合式偏心磁性齿轮副" (PCT/CN2012/072497)和"径向磁场的少极差磁导谐波� ��磁性齿轮 副" (ZL201210097726.2)等磁性齿轮的多种新结构， 这些磁性齿轮副是根据少齿差齿轮和机械 谐波齿轮错齿传动技术原理提出的两种类型的 少极差磁场错极的偏心结构和同心结构， 从而 达到传递力矩和变速传动的目的， 但由于永久磁场无法调节， 所以也无法实现随负载变化的 力矩动态调节。 另外， 以上仅仅针对齿轮传动的单一技术领域的单一 产品研究， 使得磁性齿 轮的实际应用仍然承继传统的电机 +齿轮的模块式分段组合模式，没有站在将磁� �齿轮传动技 术与永磁电机技术融为一体的系统设计高度， 自然导致磁性传动新技术的应用受到限制和局 限。针对这些不足和局限， 本案发明人于 2012年提出了一种 "双机械端口磁导谐波式电磁齿轮 复合永磁电机 "C201220162899.3和 201210112820.0)，第一次尝试将气隙磁密波随负载 大小可调 节变化的磁导谐波式电磁齿轮与常规永磁无刷 电机复合为一体。 截止目前为止目前国内外没 有人提出过将磁导谐波式磁性齿轮与常规高转 速的交流电机从磁路结构上进行彻底融合统 一、 具有磁性齿轮变速和交流电机驱动功能复合为 一体的新结构， 而这样的技术研究和结构 发明对于工程应用尤其是对并联结构的混合动 力车驱动系统、 风机水泵类负载机械、 石油钻 踩机械、 以及风力发电、 潜艇可控驱动等具有重要的意义。 发明内容

针对现有旋转电机技术、 机械式齿轮传动技术在应用上存在的问题， 以及最新的磁性传 动技术的不足之处， 本技术发明打破旋转电机定转子磁极极数必须 保持相等以使产生电磁感 应的定转子磁场保持相对静止的理论束缚， 将定子三相绕组通电产生的高转速气隙旋转磁 场 通过磁导波转子的凸极分解调制成特定频率的 磁导谐波， 利用该磁导谐波来直接驱动低速大 力矩负载的新型直接驱动永磁电机新结构。 本发明的基本构思是： 构成电机的主要传动部件 包括具有 ¾¾极定子绕组的定子、 具有 2/^极转子永磁体的空心永磁转子、 具有 个磁导波 数的凸极式磁导波转子； 三者之间呈同心式分布结构， 空心永磁转子分布于定子和凸极式磁 导波转子之间， 彼此间存在气隙并通过径向气隙磁场而耦合， 分别对应两种同步转速不同的 气隙旋转磁场； 电机运行时， 定子铁芯中的三相定子绕组流过三相对称交变 电流 _s ， 产生极 数为 ¾¾、 转速为 的高速气隙旋转电磁场， 该高速电磁场将产生电磁力矩 r _s; 同时， 空心 永磁转子输入的转速为 、 转矩 7；的机械运动， 使得永磁转子形成极数为 的多极数低速 旋转磁场； 定子产生的高速电磁场与永磁转子形成的低速 永久磁场经磁导波转子的凸极分解 调制成特定频率的磁导谐波， 从而通过气隙磁场来实现合成运动输出， 通过凸极式磁导波转 子来驱动负载低速旋转， 从而实现无机械接触、 无摩擦的动力变速变矩可控传动。

以下借助图 1、 图 2和图 3来说明双转子磁导谐波式交流永磁复合电机� �结构特征和分 析其技术原理， 图中： 项 1为定子绕组， 项 2为定子铁芯， 项 3为定子机壳， 项 4为端盖 I， 项 5为转子永磁体， 项 6为空心转子磁轭， 项 7为转子端盖， 项 8为轴承 I， 项 9为转轴 I， 项 10为凸极式磁导波转子， 项 11为轴承 II， 项 12为轴承 III， 项 13为轴承 IV， 项 14为转 轴 II， 项 15为端盖 Π; 图中符号标识： Z _b 、 n _b 、 Γ _δ 分别表示凸极式磁导波转子的凸极波数、 转速与转矩， p _r 、 n _r 、 7；分别表示空心永磁转子的永磁体极对数、 转速与转矩， /¾、 n _s 、 T _s 分 别表示定子绕组通电后形成的旋转磁场极对数 、 转速与电磁转矩， ¾表示定子铁芯的嵌线槽 数， i' _s 、 / _s 分别表示定子绕组中通过的相电流和交变 频率， u、 V、 W分别表示定子绕组的三 相， 表示凸极式磁导波转子与空心永磁转子之间的 气隙， &表示定子铁心与空心永磁转子 之间的气隙， N、 S分别表示空心永磁转子的永磁体极性。 图 1为外定子结构的双转子磁导谐 波式交流永磁复合电机径向拓扑图； 图 2为外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电 机轴向剖面图； 图 3为外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电机主要传动部件的立 体剖面图。

由图〗和图 2可知， 双转子磁导谐波式交流永磁复合电机的结构特 征如下- ―、 双转子磁导谐波式交流永磁复合电机为双转子 结构，存在通过转轴 I 9和转轴 II 14与外 部旋转机械连接的两个机械功率端口和一个与 外部电联接的电功率端口，其中转轴 I 9与凸极 式磁导波转子 10组合为一体， 转轴 II 14与空心结构的永磁转子连接， 电功率端口通过定子 引出线与外部三相对称正弦波交流电源联接； 两个转子通过轴承〖8、 轴承 IV 13分别与端盖 1 4和端盖 II 15 定位连接； 两端盖通过止口定位分别安装于定子机壳 3的两端； 该复合电机 在工作方式上分为： 定子不通电的离合器工作方式、 任意一个转子静止的电动机固定速比齿 轮减速传动工作方式、 双转子运动的电动机与齿轮减速的复合变速传 动工作方式、 双转子运 动的发电机工作方式；

二、 构成双转子磁导谐波式交流永磁复合电机的主 要传动部件是： 具有 2 _A 极定子绕组 1的 定子、具有 2 _A 极转子永磁体 5的空心永磁转子、具有 个磁导波数的凸极式磁导波转子 10; 以上传动部件在结构特征上和所有工作方式中 都满足以下约束条件：

定子极对数;^空心转子极对数/^和凸极式磁� �波转子的波数 为整数， 且满足几何结构关 系约束： Z _b =p _s ±p _r ;

电机的波转子转速 与转矩 r _fc 、 永磁转子转速 与转矩 7；、 定子电磁场转速《 ₅ 与转矩 7；和 定子交变电流频率 / _s 满足：

运动合成结构关系约束： Z _b X n _b =p _s X n _s ± _Pr X n _r 和 n _s =60 X/ _s ÷p _s ，

功率平衡结构关系约束： r _s X « _s + T _b Xn„ +T _r X n _r ^0;

以上传动关系结构式中出现小于零的负数表 示旋转方向和功率传递方向彼此相反； 图 3展示 了外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁复 合电机主要传动部件的立体剖面图。

三、 双转子磁导谐波式交流永磁复合电机的定子、 空心永磁转子和凸极式磁导波转子 10三 者之间呈同心式分布结构， 空心永磁转子分布于定子和凸极式磁导波转子 10之间，彼此间存 在气隙 和 并通过径向气隙磁场而耦合，定子与两个转子 之间的整体布局结构分为两种结 构形式： 第一、 将定子的定子铁芯 2安装布置于两转子最外层的外定子结构， 第二、 将定子 的定子铁芯 2安装布置于两转子最内层的内定子结构。 更正页（细则第 91条） 从以上结构特征中可以分析双转子磁导谐波式 交流永磁复合电机的技术原理如下： 电机运行时， 定子铁芯 2中的三相定子绕组 1流过交变频率为 / _s 的三相对称交变相电流 is, 根据交流电机理论， 该电流必然在定子内产生极数为 ¾¾、 转速为 的高速气隙旋转电磁 场， 转速 与频率/ _s 、 极对数/ ¾必然满足 =60X/ _s ÷/¾的关系约束， 该高速气隙电磁场将产 生电磁转矩 T _s ， 从定子电端口输入的电功率扣除损耗后就为气 隙 &中交换的电磁功率 _∞ =7 Xn _s ÷9550; 同时， 空心永磁转子输入的转速为 、 转矩 7；的机械运动， 使得永磁转子形成 极数为 2/^的多极数低速旋转磁场，其机械功率 _m =7 X ÷9550 _; 定子产生的高速电磁场与 永磁转子形成的低速永久磁场经磁导波转子的 凸极分解调制成特定频率的磁导谐波， 从而通 过气隙 中的气隙磁场来实现合成运动输出， 通过凸极式磁导波转子来驱动负载低速旋转， 从而实现无机械接触、无摩擦的动力变速变矩 可控传动。 此时， 为形成持续稳定的输出转矩， 必须满足几何结构关系约束和运动合成的传动 结构关系约束：

Z _b =Ps士 p _r 禾口 X n _b =p _s Xn _s ±p _r Xn _r

由此， 根据功率守恒法则， 必然有功率平衡关系：

T _s Xn _s + T _b Xn _b +T _r X n _r =0

以上传动关系结构式中出现小于零的负数表 示旋转方向和功率传递方向彼此相反； 以上描述 的状态就是该电机常规的工作方式， 即双转子运动的电动机与齿轮减速的复合变速 传动工作 方式。

该复合电机在工作方式上分为：

第一、 定子不通电的离合器工作方式： 由图 1可知， 在定子无输入电流 时， 定子和双 转子之间的没有磁场耦合， 传动关系完全解耦， 空心永磁转子的旋转还不足以驱动凸极式磁 导波转子 6跟随旋转， 这是离合器工作状态。

第二、 任意一个转子静止的电动机固定速比齿轮减速 传动工作方式： 由图 1可知， 当定 子绕组 1 内通过交流电流 时， 定子气隙产生的是转速为 的旋转磁场， 若任意一个转子固 定不动， 定子旋转磁场与另一个自由状态的转子之间就 形成一对磁性齿轮副， 有两种齿轮减 速传动状态：

①空心永磁转子静止： " _r =0 ， n _b =n _s X(p _s ÷Z _b ) ， T _s Xn _s + T _b Xn _b =0 ；

②凸极式磁导波转子 6静止： ， n _r = ±n _s X(p _s ÷p;) ， T _s Xn _s + T _r Xn _r =0 ；

很显然， 上述两种状态的减速比都是固定的， 这时候的电机其实处于齿轮减速传动工作状态 。

第三、 双转子运动的电动机与齿轮减速的复合变速传 动工作方式： 见以上复合变速传动 工作方式的分析。

第四、 双转子运动的发电机工作方式： 这是复合变速传动工作方式的可逆工作方式， 此 时运动合成传动关系、 功率平衡关系仍然有效， 区别是输入的是机械功率， 输出的电功率， 正好处于发电机工作状态。 采用 技术方案腿到的技术经济效果：

与传统的普通交流电机与机械式齿轮传动所组 成的驱动系统相比， 本发明涉及的双转子 磁导谐波式交流永磁复合电机具有如下明显的 优势：

① 结构简单、 节省材料和安装空间： 以最简单的结构实现了低速大力矩的直接驱动 ， 可直 接取代许多传统的齿轮变速机构， 简化系统结构， 节省安装空间； 结构的集成化、 大型 化设计， 可直接应用于混合动力驱动的新能源汽车、 风力发电机组、 军用舰艇等装备的 直接驱动。

② 能量损耗小， 传动效率高： 由于消除了普通机械式齿轮传动的接触摩擦， 驱动损耗仅仅 只有电机损耗， 理论上最高驱动效率可比传统的带机械齿轮传 动机构的驱动系统普遍提 高 10%以上。

③ 可靠性高、 寿命长、 震动小、 噪声低： 由于无机械齿轮传动的机械接触摩损， 无需润滑， 清洁、 无油污、 防尘防水等； 同时， 也不存在机械齿轮传动时因齿部啮合接触而产 生的 震动和噪音； 这种优势对于长期水下航行的潜水艇降低本体 噪音具有重要意义。

④恒功率调速范围宽广： 改变调节输入的机械功率及转速 ， 即可在较大转速范围实现无级 变速的传动要求， 本发明通过气隙旋转磁场的分解调制来实现运 动合成， 从而避免了许 多机械机构里的机械运动合成相互干涉的弊端 ， 可直接取消常规机械变速系统常见的换 档离合机构， 这对混合动力汽车、 电动汽车以及电动摩托车的无级变速实现具有 实用价 值。

⑤ 调节控制简单： 通过正弦脉宽调制技术 SPWM控制、 变频控制等成熟技术， 就可以方便地 实现调压、 调频从而调节电机输出工况的要求， 无须常规直流无刷方波电机的位置反馈 回路， 根据负载状况采用简单的开环控制即可满足绝 大多数的应用场合。 附图说明

图 1为外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电机径向拓扑图；

图 2为外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电机轴向剖面图；

图 3为外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电机主要传动部件的立体剖面图； 图 4为内埋式永磁转子结构 +外定子结构双转子磁导谐波式交流永磁复合� �机径向拓扑图； 图 5为内定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电机径向拓扑图；

图 6为面磁式结构的空心永磁转子立体剖面图； 图 7为外定子结构的斜槽方式凸极式磁导波转子� �体图；

图 8为外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁� �合电机的定子绕组端部接线示意图。

以上图中： 项 1为定子绕组， 项 2为定子铁芯， 项 3为定子机壳， 项 4为端盖 I， 项 5 为转子永磁体， 项 6为空心转子磁轭， 项 7为转子端盖， 项 8为轴承 I， 项 9为转轴 I， 项 10 为凸极式磁导波转子， 项 11为轴承 II， 项 12为轴承 III， 项 13为轴承 IV， 项 14为转轴 II， 项 15为端盖 II。 图中符号标识： Z _b 、 n _b 、 ^分别表示凸极式磁导波转子的凸极波数、 转速与 转矩， p _r 、 n _r 、 7；分别表示空心永磁转子的永磁体极对数、 转速与转矩， p _s 、 n _s 、 7；分别表示 定子绕组通电后形成的旋转磁场极对数、 转速与电磁转矩， Z _s 表示定子铁芯的嵌线槽数， i _s 、 / _s 分别表示定子绕组中通过的相电流和交变 频率， U、 V、 W分别表示定子绕组的三相， 表 示凸极式磁导波转子与空心永磁转子之间的气 隙， &表示定子铁心与空心永磁转子之间的气 隙， N、 S分别表示空心永磁转子的永磁体极性。 具体实 i ¾r式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一 步的结构说明：

一、 如图 2所示， 双转子磁导谐波式交流永磁复合电机为双转子 结构， 存在通过转轴 1 9 和转轴 II 14与外部旋转机械连接的两个机械功率端口和� ��个与外部电联接的电功率端口，其 中转轴 I 9与凸极式磁导波转子 10组合为一体， 转轴 II 14与空心结构的永磁转子连接， 电功 率端口通过定子引出线与外部三相对称正弦波 交流电源联接；两个转子通过轴承 1 8、轴承 IV 13分别与端盖 1 4和端盖 II 15 定位连接;两端盖通过止口定位分别安装于定� �机壳 3的两端； 该复合电机在工作方式上分为： 定子不通电的离合器工作方式、 任意一个转子静止的电动机 固定速比齿轮减速传动工作方式、双转子运动 的电动机与齿轮减速的复合变速传动工作方式 、 双转子运动的发电机工作方式；

二、 构成双转子磁导谐波式交流永磁复合电机的主 要传动部件是：具有 ¾¾极定子绕组 1 的定子、 具有 2/^极转子永磁体 5的空心永磁转子、 具有 个磁导波数的凸极式磁导波转子 10； 以上传动部件在结构特征上和所有工作方式中 都满足以下约束条件：

定子极对数/ ¾、空心转子极对数/^和凸极式磁导波转子的� �数 为整数，且满足几何结构 关系约束：

电机的波转子转速 n _b 与转矩 T _b 、 永磁转子转速 与转矩 T _r 、 定子电磁场转速 与转矩 7；和 定子交变电流频率/ _s 满足：

运动合成结构关系约束： Z _b X n _b =p _s X n _s ±p _r X n _r 和 " _s =60 X/ _s ÷/¾，

功率平衡结构关系约束： T _s X n _s + T _b X n _b +T _r X n _r =0; 更正页（细则第 91条) 以上传动关系结构式中出现小于零的负数表示 旋转方向和功率传递方向彼此相反； 图 3展示 了外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁复 合电机主要传动部件的立体剖面图。 图 1所示 的案例展示的双转子磁导谐波式交流永磁复合 电机结构参数为：

定子： 槽数 Z _s =30 ， 极数 ¾¾=2 ， 频率/ _s =50Hz ， 电磁场转速 =60 X/ _s ÷/¾ =3000r/wz _; 永磁转子： 极数 2/^=26 ； 凸极式磁导波转子： 凸极波数 =/¾+/^=1+13=14 _;

电机的运动合成关系： 14 X /¾ = l X " _s +13 X w _r ， 即输出转速 /¾ =(w _s +13 X " _r ) ÷ 14 。 三、 如图 1所示， 双转子磁导谐波式交流永磁复合电机的定子、 空心永磁转子和凸极 式磁导波转子 10三者之间呈同心式分布结构，空心永磁转子� ��布于定子和凸极式磁导波转子 10之间，彼此间存在气隙 和&并通过径向气隙磁场而耦合，定子与两� ��转子之间的整体布 局结构分为两种结构形式： 第一、 将定子的定子铁芯 2安装布置于两转子最外层的外定子结 构， 见图 1所示的拓扑结构； 第二、 将定子的定子铁芯 2安装布置于两转子最内层的内定子 结构， 见图 5所示的拓扑结构。 四、 如图 6所示， 空心永磁转子的 2/^极转子永磁体 5的分布结构均采用 N极、 S极异 极性两两相邻排列的形式安装， 安装结构上有两种方式： 第一， 永磁体安装于空心转子磁轭 6内外表面的面磁式结构， 见图 1所示的拓扑结构； 第二， 永磁体安装于空心转子磁轭 6封 闭结构槽内的内埋式结构， 见图 4所示的拓扑结构。 如图 2所示， 对于外定子结构， 空心永 磁转子的空心转子磁轭 6—端与转子端盖 Ί紧固连接并通过轴承 II 11定位于凸极式磁导波转 子的转轴 I 9上， 另一端与转轴 II 14紧固连接并通过轴承 III 12定位于凸极式磁导波转子的 转轴 1 9上， 空心永磁转子包裹于凸极式磁导波转子 10的外面， 两者之间存在气隙 。 五、 凸极式磁导波转子的结构特征是： 一、 对于外定子结构的凸极式磁导波转子 10安 装于电机最内层，采用导磁的硅钢薄板冲压加 工并以紧配合方式叠压于转轴 1 9上，波转子外 圆表面均匀分布有波数为 的导磁凸极和与导磁凸极等量且间隔均布的凹 槽，详见图 1 ; 二、 对于内定子结构的凸极式磁导波转子 10安装于电机最外层，采用导磁的硅钢薄板冲� ��加工并 叠压焊接成一整体， 波转子内圆表面均匀分布有波数为 Ζ _δ 的导磁凸极和与导磁凸极等量且间 隔均布的凹槽， 详见图 5 ; 以上两种结构形式的凹槽最小径向深度十倍于 气隙长度 ; 凸极 式磁导波转子 10的导磁凸极分为两种结构形式： 第一、与旋转中心轴线平行的直向形式导磁 凸极， 详见图 3 ; 第二、 与旋转中心轴线空间呈斜向形式导磁凸极， 斜极极距等于空心永磁 转子上的相临两转子永磁体 5的极间距离， 图 7展示了外定子结构的斜槽方式凸极式磁导波 转子立体图。 六、 对于外定子结构的双转子磁导谐波式交流永磁 复合电机， 其定子由具有 Z _s 个嵌线 槽的定子铁芯 2、 通电后形成 ¾¾极旋转电磁场的定子绕组 1、 定子机壳 3构成； 定子铁芯 2 由硅钢薄板经冲压、 焊接为整体并紧配合安装于定子机壳 3内， 定子铁芯内圆周均匀分布有 _Zs 个槽， 槽中嵌装有空间对称安装的定子绕组 1 ; 定子绕组 1在端部接成相数为 3相、 每相 串联极数为 ¾¾的三相对称 Υ/Δ型绕组， 定子绕组 1采用可克服齿槽效应的、 削弱高次谐波 成分的分布式短矩叠绕组形式， 定子绕组 1通过引出线与交变频率为 _；的三相对称正弦波交 流电源联接。 图 8展示了一种 Z _s =18槽、 ¾¾=4极的定子三相交流绕组端部接线示意图， 从图 可知， 双转子磁导谐波式交流永磁复合电机的定子与 普通的交流异步电机和交流同步电机定 子结构上完全相同。 以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式， 对于本领域的技术人员来说， 在不脱离本 技术发明原理的前提下， 还可以作出若干结构变形和改进 (如将本发明涉及的双转子的双气隙 结构改进设计为单转子的单气隙结构)， 这些也应该视为本技术发明的保护范围， 这些都不会 影响本技术发明实施的效果和实用性。