CN101299567B

CN101299567B - 一种无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构

Info

Publication number: CN101299567B
Application number: CN2008101241936A
Authority: CN
Inventors: 程明; 孙西凯
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: CN101299567A

Abstract

一种无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构是一种关于无耦合电气无级变速器的结构设计技术，从拓扑结构上来分，该无级变速器包括外层部分(1)，中间部分(2)，内层部分(3)；从电机角度来说又可以分为定子、外转子和内转子，根据不同的应用场合，定子、外转子和内转子可以在以上三部分中任意选取；为了消除外层部分(1)和内层部分(3)之间的磁场耦合，在中间部分(2)添加了非导磁层(2.2)，使该电机外层部分(1)与内层部分(3)无磁场耦合；整体电机的电磁结构可以采用轴向式，或采用径向式，或采用混合式；绕组可以采用分布绕组，也可以采用集中绕组。

Description

一种无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构

技术领域

本发明是一种关于无耦合电气无级变速器的结构设计技术，涉及电机设计的技术领域。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，要求平滑调速的场合，诸如混合动力汽车，风力发电，可变齿轮箱，启动发电机等场合越来越多，对无级变速器的要求也不断提高，这使得电气无级变速器的结构和控制技术得到了不断的发展和改进。但纵观国内外，电气无级变速器的研究尚处于实验室研究起步阶段，大力研究和推广应用电气无级变速器，具有重要的理论意义和应用价值。近年来，一类具有双机械端口的电气无级变速器被提了出来，最主要的区别在于外转子结构，如基于鼠笼式外转子的电气无级变速器、基于单层永磁外转子的双机械端口式电机和基于双层永磁外转子的四象限变速器。这一类的电气无级变速器能够有效的无级调节输入与输出转速和转矩，满足以上的应用场合。然而，这一类电机在设计和运行过程中都会产成一系列问题，集中体现为以下三点：1.定子、外转子和内转子三部分磁场相互耦合，在负载运行中，磁场相互影响，使负载反电动势产生畸变，转矩脉动增大，对应用极为不利；2.由于各部分相互耦合，须采用复杂的控制算法和先进的控制器才能达到有效的控制，这无疑增加了系统的复杂性，限制了电气无级变速器的应用和发展；3.定子和内转子的磁场耦合非但对输出转矩无有利影响，反而产生谐波，增加了谐波损耗和杂散损耗，使电气变速器的效率下降。限制了电气变速器在航天、航空、航海、电动汽车等对电机效率和体积有严格要求领域的应用。因此，研究出能够克服上述缺点的新型结构电气无级变速器就成为电机工作者义不容辞的一个关键任务。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构，使得该变速器消除了外层部分和内层部分之间的磁场耦合，可以采用现有成熟的电机设计方案，具有较好正弦度的反电动势、较大的功率密度、低转矩脉动和较强的转矩输出能力，同时具备较强的转速转矩调节能力，能够应用于一切无级变速的场合。

技术方案：为解决上述技术问题本发明的无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构从拓扑结构上来分，该无级变速器包括外层部分，中间部分，内层部分；从电机角度来说又可以分为定子、外转子和内转子，根据不同的应用场合，定子、外转子和内转子可以在以上三部分中任意选取；为了消除外层部分和内层部分之间的磁场耦合，在中间部分添加了非导磁层，使该电机外层部分与内层部分无磁场耦合；整体电机的电磁结构可以采用轴向式，或采用径向式，或采用混合式；绕组可以采用分布绕组，也可以采用集中绕组。

定子、外转子、内转子可以在外层部分、中间部分、内层部分根据需要调整，即：外层部分是外转子，中间部分是定子，内层部分是内转子，或外层部分为外转子，中间部分为内转子，内层部分作为定子。

中间部分分为三层，中间层为非导磁层，内外两层可以采用永磁、或鼠笼式绕组、或绕线式绕组、或凸极结构，永磁体采用轴向式，或采用径向式。

内层部分中的散热孔的形状根据转轴的机械强度来调整，是圆形，或是圆环形；采用通风散热，或采用通入液体进行散热。

有益效果：由于本发明采用了非导磁层，消除了外层部分、中间部分和内层部分三部分之间的磁场耦合，三部分可以采取现有的任何适合于电动、发电的电机结构。所以本发明可以将现有的高功率密度，高效率，结构简单，可靠性高的电机有机的集成在一起，可以应用现有成熟的电机设计方案，设计方法，发挥出他们的优势，并且能够完全实现无级变速领域的要求。

由于其无耦合，控制简单，可以采用现有的成熟的电机控制策略，而不必采用复杂的控制算法，降低成本。

外层部分和内层部分可以采用分布绕组或正弦绕组，以获得良好的正弦电压电流，也可以采用集中绕组方式，减小端部长度，尽可能地减小电阻和铜耗，也保证了电机的结构紧凑，功率密度较大，效率较高；

中间部分可以采用鼠笼式绕组，也可以采用永磁，其中永磁体可以采用径向充磁，也可以采用轴向充磁，也可以采用混合式充磁，根据需要采纳。

附图说明

下面结合附图和一个具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构图；其中有：外层部分1，中间部分2，第一永磁体2.1、非导磁层2.2第二永磁体2.3；内层部分3，外气隙4，内气隙5。

图2为一具体的无耦合电气无级变速器电机本体组成图；其中有：外层部分1(定子)，定子槽1.1，中间部分2(外转子)，第一永磁体2.1(轴向充磁的外永磁)，非导磁层2.2(外铁轭)，第二永磁体2.3(非导磁环)，内铁轭2.4，内永磁2.5，非导磁衬套2.6，内层部分3(内转子)，内转子槽3.1，散热孔3.2。

具体实施方式

本发明的无耦合电气无级变速器从拓扑结构上来分，包括外层部分、中间部分、内层部分；从电机角度来说又可以分为定子、外转子和内转子，根据不同的应用场合定转子可以在三部分中任意选取。

外层部分和内层部分可以放置永磁体、鼠笼式绕组、绕线式绕组或凸极结构，可以采取三相或多相分布绕组或集中绕组，槽可以采取直槽，也可以采取斜槽。

中间部分由三层组成，内层和外层可以放置永磁体、鼠笼式绕组、绕线式绕组或凸极结构，中间层为非导磁层，可以为铝或其他非导磁材料，其中内外层永磁体可以为径向式，也可以为轴向式。

永磁体材料可以是铁氧体或者钕铁硼，磁化方向为依次切向或轴向交替充磁。

如图2所示，本发明无耦合电气无级变速器电机本体包括定子1(外层部分)，外转子2(中间部分)和内转子3(内层部分)三个部分。定子1和内转子3都采用开槽结构，上面设置有三相分布绕组。外转子2采用三层结构，外层包括外永磁2.1和外铁轭2.2，中间层2.3为非导磁环，内层包括内永磁2.5和为了消除内外部分耦合而设置的非导磁衬套2.6。

定子上采用48槽，每极每相下槽数为1，槽型采用平行齿斜肩圆底槽，且采用斜槽定子。绕组采用分布绕组，不短距。每相由16个线圈组成。

内转子采用36槽，每极每相下槽数为1，槽型采用平行齿斜肩圆底槽，且采用斜槽转子。绕组采用分布绕组，2/3短距。每相由12个线圈组成。

外转子采用三层结构。为了增加外转子的机械强度，中间为铝质非导磁环。铝质非导磁环的厚度必须在保证耗铝尽可能小的情况下，使定子和内转子磁场耦合最低。外层采用轴向充磁的永磁体2.1，相邻两永磁体交替反向充磁，由外铁轭2.2进行固定。内层采用径向充磁的永磁体2.5，由非导磁衬套2.6进行固定。

永磁体2.1，2.5可以采用铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢，定子1和内转子3铁心都可以采用硅钢片冲片压叠制成。

Claims

1.一种无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构，其特征在于从拓扑结构上来分，该无级变速器包括外层部分(1)，中间部分(2)，内层部分(3)；从电机角度来说又分为定子、外转子和内转子，根据不同的应用场合，定子、外转子和内转子在以上三部分中任意选取；为了消除外层部分(1)和内层部分(3)之间的磁场耦合，在中间部分(2)添加了非导磁层(2.2)，使该电机外层部分(1)与内层部分(3)无磁场耦合；整体电机的电磁结构采用轴向式，或采用径向式，或采用混合式；绕组采用分布绕组或采用集中绕组；

定子、外转子、内转子在外层部分、中间部分、内层部分根据需要调整，即：外层部分是外转子，中间部分是定子，内层部分是内转子，或外层部分为外转子，中间部分为内转子，内层部分作为定子；

中间部分(2)分为三层，中间层为非导磁层(2.2)，内外两层采用永磁、或鼠笼式绕组、或绕线式绕组、或凸极结构，永磁体采用轴向式，或采用径向式。

2.如权利要求1所述的一种无耦合电气无级变速器电机本体拓扑结构，其特征在于内层部分(3)中的散热孔(3.2)的形状根据转轴的机械强度来调整，是圆形，或是圆环形；采用通风散热，或采用通入液体进行散热。