專利名稱：電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)。

背景技術(shù)：
廣泛地使用機(jī)械齒輪箱來使原動機(jī)(prime-mover)的工作速度與它們的負(fù)載要求匹配，以便增加，諸如例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，或減小，諸如例如，電氣—船舶推進(jìn)裝置的旋轉(zhuǎn)速度。使用高速電機(jī)連同機(jī)械齒輪箱來得到必需的速度和轉(zhuǎn)矩特性通常會是成本更高和重量有效的。然而，如此的高速電機(jī)連同機(jī)械齒輪箱允許實現(xiàn)高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度，這種機(jī)械齒輪箱通常要求潤滑和冷卻。此外，可靠性也是一個重大的問題。結(jié)果，在不能夠使用機(jī)械齒輪箱的一些應(yīng)用中就使用直接驅(qū)動電機(jī)。
存在多種直接驅(qū)動電機(jī)布局。一種如此的布局是已知能提供最高轉(zhuǎn)矩/力密度的永久磁鐵旋轉(zhuǎn)/線性單極(橫向磁場)電機(jī)(TFM)。旋轉(zhuǎn)橫向磁場電機(jī)(TFM)具有范圍為40—60kNm/m3的轉(zhuǎn)矩密度。然而，單極電機(jī)具有數(shù)量級為0.3—0.45的固有的較差的功率因數(shù)，這使它們不適宜用來發(fā)電。此外，對于馬達(dá)應(yīng)用，它們需要顯著的更高的轉(zhuǎn)換器伏—安額定值。
本發(fā)明的一些實施例的目的在于至少減輕現(xiàn)有技術(shù)一些問題中的一個或多個問題。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一些實施例的第一方面提供一種電機(jī)，該電機(jī)包括內(nèi)可移動元件以及外可移動元件，所述內(nèi)可移動元件與外可移動元件布置成經(jīng)由與所述內(nèi)可移動元件相關(guān)聯(lián)的多個永久磁鐵按磁性嚙合方式相互作用；以及相對于至少所述內(nèi)可移動元件向外設(shè)置的繞組，其布置成與所述內(nèi)可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述多個永久磁鐵的所述磁場的所述基本諧波相互磁性作用。
本發(fā)明的一些實施例的第二方面提供一種電機(jī)，該電機(jī)包括第一可移動元件以及第二可移動元件，所述第一可移動元件以及第二可移動元件設(shè)置成經(jīng)由所述第一和第二多個永久磁鐵的異步諧波以磁性齒輪的方式相互作用；以及布置成與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述第一多個永久磁鐵的所述磁場的所述基本諧波相互磁性作用的繞組。
本發(fā)明的一些實施例的第三方面提供一種操作電機(jī)的方法，包括下列步驟通過調(diào)制與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的磁場來產(chǎn)生所述電機(jī)的第一和第二可移動元件之間的磁性激發(fā)嚙合相互作用；以及使布置成以與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述磁場相互作用的繞組通電。
本發(fā)明的一些實施例的第四方面提供一種電機(jī)，該電機(jī)包括以磁性嚙合方式相互作用的第一和第二可移動元件；以及布置成與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述第一多個永久磁鐵的磁場的第一/基本諧波相互作用的繞組。
有利地，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的電氣機(jī)器或電機(jī)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)高性能旋轉(zhuǎn)/線性電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩和/或力密度，，并且至少與單極機(jī)或橫向磁場電機(jī)一樣高。然而，不像單極機(jī)或TFM那樣，本發(fā)明的一些實施例具有相對高的功率因數(shù)。一些實施例具有0.9或更高的功率因數(shù)。



現(xiàn)在將參考附圖描述僅作為例子的本發(fā)明的一些實施例，在附圖中 圖1示意性地描繪已知的旋轉(zhuǎn)磁性齒輪； 圖2示出與圖1的組件相關(guān)聯(lián)的磁諧波； 圖3示意性地示出包括與磁性齒輪組合的發(fā)電機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)組件； 圖4示意性地描繪根據(jù)一個實施例的組合的電機(jī)和磁性齒輪； 圖5描繪根據(jù)一個較佳實施例的組合的電機(jī)和磁性齒輪； 圖6示出圖5的電機(jī)的軸向截面圖； 圖7示出與圖5和圖6的組合的電機(jī)和磁性齒輪相關(guān)聯(lián)的磁諧波； 圖8示出根據(jù)再又一個實施例的電機(jī)；以及 圖9示出與圖8的組合的電機(jī)和磁性齒輪相關(guān)聯(lián)的磁諧波。

具體實施例方式 圖1示出旋轉(zhuǎn)磁性齒輪100，它包括第一或內(nèi)轉(zhuǎn)子102、第二或外轉(zhuǎn)子104以及已知為干擾或干擾裝置的許多極靴106。第一轉(zhuǎn)子102包括承載各個第一數(shù)量的永久磁鐵110的支撐108。在所示的磁性齒輪中，第一轉(zhuǎn)子102包括布置成產(chǎn)生空間變化磁場的8個永久磁鐵或4個極—對。第二轉(zhuǎn)子104包括承載各個第二數(shù)量的永久磁鐵114的支撐112。所示的第二轉(zhuǎn)子104包括布置成產(chǎn)生空間變化磁場的46個永久磁鐵或23個極—對。永久磁鐵的第一和第二數(shù)量是不同的。因此，在永久磁鐵112和114之間會存在小的或無用的磁場耦合或相互作用，以致一個轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不會導(dǎo)致另一個轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
使用極靴106以允許永久磁鐵110和114的磁場相互作用。極靴106調(diào)制永久磁鐵110和114的磁場，所以它們相互作用到一個轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)會感應(yīng)另一個轉(zhuǎn)子以嚙合的方式旋轉(zhuǎn)的程度。以速度ω1旋轉(zhuǎn)的第一轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)會感應(yīng)以速度ω2旋轉(zhuǎn)的第二轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，其中ω1>ω2，反之亦然。
圖2示出了在安裝在外轉(zhuǎn)子104上的永久磁鐵114相鄰的氣隙中，安裝在圖1的磁性齒輪100的內(nèi)轉(zhuǎn)子102上的永久磁鐵110的磁通密度空間分布的諧波譜200?？梢岳斫猓V200包括與第一轉(zhuǎn)子102的永久磁鐵110相關(guān)聯(lián)的第一或基本諧波202。極靴106調(diào)制永久磁鐵110的磁場。例如，對于與永久磁鐵114具有相同數(shù)量的極的永久磁鐵110，這導(dǎo)致相當(dāng)大的異步諧波204，這使第一轉(zhuǎn)子102和第二轉(zhuǎn)子104之間的耦合成為可能，以致一個的移動感應(yīng)另一個按嚙合方式的移動。
然而，與第一轉(zhuǎn)子102的永久磁鐵110相關(guān)聯(lián)的基本分量202是始終存在的，并且是與磁性齒輪相關(guān)聯(lián)的極大多數(shù)電磁損耗的源頭。
熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解在給出第一永久磁鐵110和第二永久磁鐵114的情況下如何選擇和設(shè)計極靴106，以實現(xiàn)需要的磁路或耦合，以致例如，可以從K.Atallah，D.Howe的“A novel high-performance magnetic gear”(IEEETransactions on Magnetics，37卷，第4期，2844—2846頁，2001)和K.Atallah，S.D.Calverley，D.Howe的“Design，analysis and realisation of a highperformance magnetic gear”(IEEE Proceedings—Electric Power Applications，151卷，135—143頁，2004)中理解第一轉(zhuǎn)子102和第二轉(zhuǎn)子104之間的嚙合結(jié)果，為了所有的目的合并在此作為參考，并包括在附錄中。
圖3示出已知組件300，該組件包括與磁性齒輪304組合的電馬達(dá)/發(fā)電機(jī)302。磁性齒輪304與上面參考圖1所描述的實質(zhì)上相似。在US6794781的各個實施例中描繪和描述了該種組件。電馬達(dá)/發(fā)電機(jī)302包括具有各個3—相繞組306a—3061的中央電樞306。組件300包括第一或外轉(zhuǎn)子310，第一或外轉(zhuǎn)子310包括安裝在，例如，諸如護(hù)鐵(back-iron)之類的，基板314上的永久磁鐵312。永久磁鐵312按嚙合的方式與第二/內(nèi)轉(zhuǎn)子318的許多永久磁鐵316耦合。永久磁鐵316安裝在支撐320上。使用實質(zhì)上相互等間隔地設(shè)置在圓周上的多個極靴322實現(xiàn)建立在內(nèi)轉(zhuǎn)子318的永久磁鐵316和外轉(zhuǎn)子310的永久磁鐵312之間的磁路或耦合。第二轉(zhuǎn)子318的永久磁鐵與3—相繞組306a—3061耦合以進(jìn)行馬達(dá)/發(fā)電機(jī)操作。外轉(zhuǎn)子310是可旋轉(zhuǎn)的。極靴322是固定的，內(nèi)轉(zhuǎn)子318是可旋轉(zhuǎn)的，并且中央電樞306是固定的。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的電機(jī)400的工作原理。電機(jī)400包括具有支撐404的第一或內(nèi)轉(zhuǎn)子402，支撐404承載第一多個永久磁鐵406。在所示出的實施例中，使用具有10個極的永久磁鐵。然而，并不局限于使用如此數(shù)量永久磁鐵的實施例?？梢詫崿F(xiàn)使用其它數(shù)量永久磁鐵的實施例。電機(jī)400包括多個鐵磁極靴形式的第二轉(zhuǎn)子408。極靴408排列成使第一/內(nèi)轉(zhuǎn)子402的永久磁鐵406與多個永久磁鐵410磁耦合，所述多個永久磁鐵410固定到各個齒414的許多齒尖端412上，從而形成定子416。在所示的實施例中，60個永久磁鐵固定在齒尖端412上。該實施例包括具有各自齒尖端412的15個齒414?？梢岳斫?，并不局限于如此數(shù)量的永久磁鐵和齒的這些實施例?？梢詫崿F(xiàn)包括其它數(shù)量的永久磁鐵和齒的一些實施例。
極靴408是可旋轉(zhuǎn)的，即，它們形成轉(zhuǎn)子。內(nèi)轉(zhuǎn)子402是可旋轉(zhuǎn)的。齒414和相關(guān)聯(lián)的永久磁鐵410是固定的。使用可旋轉(zhuǎn)的極靴408來實現(xiàn)永久磁鐵406和永久磁鐵410之間的耦合。與定子416相關(guān)聯(lián)的是多個3—相繞組1，1’，2，2’，和3，3’。安排3—相繞組和相關(guān)聯(lián)的電路使之產(chǎn)生磁場，該磁場同磁路耦合或形成磁路，所述磁路具有與內(nèi)轉(zhuǎn)子402相關(guān)聯(lián)的永久磁鐵406的第一或基本諧波。在所示出的實施例中，第一/基本諧波對應(yīng)于具有5個極—對的永久磁鐵406。
通過利用至今未使用的、與內(nèi)轉(zhuǎn)子402相關(guān)聯(lián)的基本諧波，大大地提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和效率。一些實施例提供了實質(zhì)上0.9的提高的功率因數(shù)(最大為1)，這表示，與TFM相比較，電機(jī)的功率因數(shù)增加約200％—300％。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例的電機(jī)500。電機(jī)500包括承載許多永久磁鐵504的內(nèi)轉(zhuǎn)子502。在所示的實施例中，使用4個極的永久磁鐵。然而，可以實現(xiàn)使用其它數(shù)量永久磁鐵的一些實施例。電機(jī)500包括承載許多鐵磁極靴508的外轉(zhuǎn)子506。在所示的實施例中，外轉(zhuǎn)子506承載使內(nèi)轉(zhuǎn)子502的永久磁鐵504和安裝到定子512的許多永久磁鐵510之間的磁耦合成為可能的23個極靴。定子512包括與多個齒516的每一個相關(guān)聯(lián)的3—相繞組514a—514b。繞組與永久磁鐵504的第一諧波磁耦合。在較佳實施例中，繞組是3—相的，但是同樣也可以是其它類型的繞組，諸如例如，2—相繞組。所示的實施例包括設(shè)置在定子512上的永久磁鐵510的42個極。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，相對于繞組514a-b描繪的交叉和點示出線圈的極性。外轉(zhuǎn)子506的極靴508布置成以提供內(nèi)轉(zhuǎn)子502和外轉(zhuǎn)子506之間的嚙合。在一些較佳實施例中，嚙合是如此的，以致內(nèi)轉(zhuǎn)子502是相當(dāng)高速的轉(zhuǎn)子，而外轉(zhuǎn)子506是相當(dāng)?shù)退俚霓D(zhuǎn)子。一些較佳實施例具有11.51的齒輪比。
圖6示出圖5所示的電機(jī)500的軸向截面圖600?？梢钥吹?，電機(jī)500包括外殼602，該外殼通過多個軸承604支撐中央心軸606，在中央心軸606上安裝了內(nèi)轉(zhuǎn)子502和相關(guān)聯(lián)的永久磁鐵504，用于與其一起旋轉(zhuǎn)。包括相關(guān)聯(lián)的極靴508的外轉(zhuǎn)子506經(jīng)由各個軸承608可旋轉(zhuǎn)地安裝在心軸606和外殼602之間?？梢岳斫猓姌谢蚨ㄗ?12是固定的，并且相對于內(nèi)和外轉(zhuǎn)子是向外設(shè)置的。
圖7示出與氣隙中的永久磁鐵504相關(guān)聯(lián)的磁通密度變化的譜700，所述氣隙與圖5的電機(jī)500的較佳實施例的永久磁鐵510相鄰?？梢岳斫?，譜700包括與第一轉(zhuǎn)子502的永久磁鐵504相關(guān)聯(lián)的第一諧波702。極靴508調(diào)制永久磁鐵504的磁場，并且產(chǎn)生相當(dāng)大的異步諧波704，具有與永久磁鐵510相同的極數(shù)量。在該實施例中，與第一轉(zhuǎn)子502的永久磁鐵704相關(guān)聯(lián)的第一諧波702與繞組514a—b耦合以建立電機(jī)能量轉(zhuǎn)換，具有與TFM可比擬的轉(zhuǎn)矩密度，但是具有更高的功率因數(shù)。
圖8示出根據(jù)又一個實施例的電機(jī)800。電機(jī)800包括承載多個永久磁鐵804的內(nèi)轉(zhuǎn)子802。在所示的實施例中，示出了具有4個極的永久磁鐵，但是同樣可以使用其它數(shù)量的永久磁鐵。最好內(nèi)轉(zhuǎn)子802是相對高速的轉(zhuǎn)子。電機(jī)800包括承載多個永久磁鐵808的外轉(zhuǎn)子806。在所示的實施例中，具有38個極的永久磁鐵808形成部分外轉(zhuǎn)子806。然而，可以使用其它極數(shù)量的永久磁鐵808。電機(jī)800包括承載多個極靴812以及3—相繞組814的靜止電樞810。在該實施例中，極靴的數(shù)量是21個，雖然在一些實施例中可以使用其它數(shù)量的極靴。應(yīng)該注意，已經(jīng)示出了使用3—相繞組的實施例。然而，實施例并不局限于此?？梢詫崿F(xiàn)使用其它繞組的一些實施例，例如，諸如使用2相繞組。第二/外轉(zhuǎn)子806形成相對低速的轉(zhuǎn)子，該相對低速的轉(zhuǎn)子以嚙合方式經(jīng)由靜止電樞810的極靴812與相對高速的第一/內(nèi)轉(zhuǎn)子802耦合。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，齒輪比是191，并且與內(nèi)轉(zhuǎn)子802上的極—對數(shù)以及極靴數(shù)有關(guān)?？梢岳斫?，將電流施加于3—相繞組814會導(dǎo)致高速轉(zhuǎn)子802旋轉(zhuǎn)，這依次導(dǎo)致低速轉(zhuǎn)子806旋轉(zhuǎn)。再次，可以理解，繞組814a-b與第一/內(nèi)轉(zhuǎn)子802的永久磁鐵804相關(guān)聯(lián)的第一諧波耦合而建立電機(jī)能量轉(zhuǎn)換，具有與橫向磁場電機(jī)可比擬的轉(zhuǎn)矩密度，但是具有更高的功率因數(shù)。
圖9示出圖8的電機(jī)800的較佳實施例中在與永久磁鐵808相鄰的氣隙中與永久磁鐵804相關(guān)聯(lián)的磁通密度變化的譜900。可以理解，譜900包括與第一轉(zhuǎn)子802的永久磁鐵804相關(guān)聯(lián)的第一諧波902。極靴812調(diào)制永久磁鐵804的磁場，并且產(chǎn)生具有與永久磁鐵808相同數(shù)量的極、相當(dāng)大的異步諧波904。在該實施例中，與第一轉(zhuǎn)子802的永久磁鐵904相關(guān)聯(lián)的第一或基本諧波902與繞組814耦合以建立電機(jī)能量轉(zhuǎn)換。
可以理解，已經(jīng)參考電機(jī)描述了本發(fā)明的一些實施例。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，可以使用如此的電機(jī)作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)。向繞組施加3—相電源導(dǎo)致嚙合的電氣馬達(dá)。然而，使轉(zhuǎn)子502/508或802/806之一旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致電機(jī)用作嚙合的發(fā)電機(jī)。此外，雖然已經(jīng)參考使用3—相繞組描述了上述實施例，但是實施例并不局限于如此的配置?？梢詫崿F(xiàn)一些實施例，在這些實施例中使用某些其它形式的繞組，例如，諸如2—相繞組。
還可以按徑向場旋轉(zhuǎn)電機(jī)和軸向場旋轉(zhuǎn)電機(jī)的形式來實現(xiàn)本發(fā)明的一些實施例。
附錄 新穎的高性能磁性齒輪 K.Atallah和D.Howe 摘要 廣泛地使用機(jī)械齒輪箱來使原動機(jī)(prime-mover)的工作速度與它們的負(fù)載要求匹配。雖然，可以實現(xiàn)高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度，但是通常需要齒輪潤滑和冷卻，而噪聲、振動和可靠性是重大的問題。本文描述使用稀土磁鐵的磁性齒輪的設(shè)計和性能它的模擬研究已經(jīng)示出其具有超過100kNm/m3的傳輸轉(zhuǎn)矩密度。
術(shù)語索引齒輪箱、齒輪、磁路。
I.引言 由于與齒輪箱一起使用高速電機(jī)來變換速度和轉(zhuǎn)矩通常是成本高和重量顯著的，所以廣泛地使用機(jī)械齒輪箱來使原動機(jī)(prime-mover)的工作速度與它們的負(fù)載要求匹配，以便增加旋轉(zhuǎn)速度(例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī))和減小速度(例如，電氣船用推進(jìn)器)。然而，雖然可以實現(xiàn)高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度，但是通常要求齒輪潤滑和冷卻，而噪聲、振動和可靠性是重大的問題。對比之下，磁性齒輪受到相當(dāng)少的注意，大概是因為已經(jīng)提出的磁路[1]、[2]的相對復(fù)雜性和較差的轉(zhuǎn)矩密度。對于不能容納機(jī)械嚙合的一些應(yīng)用，必須使用直接電氣驅(qū)動。對于各種有競爭的直接驅(qū)動機(jī)器布局，永久磁鐵橫向磁場電機(jī)潛在地提供最高的轉(zhuǎn)矩密度[3]、[4]，一般在40—80kNm/m3的范圍內(nèi)。然而，由于它們固有的較差的功率因數(shù)，它們對于發(fā)電應(yīng)用是不適合的，對于電動回轉(zhuǎn)(motoring)應(yīng)用，它們與傳統(tǒng)永久磁鐵無電刷機(jī)器相比需要顯著較高的轉(zhuǎn)換器伏—安額定值。本文描述磁性齒輪的設(shè)計和性能，該磁性齒輪使用稀土磁鐵，其模擬研究已經(jīng)示出其所具有的傳輸轉(zhuǎn)矩密度能力可以與兩—和三—級螺旋形齒輪箱相比擬，即，50—150kNm/m3。當(dāng)與永久磁鐵無電刷機(jī)器的傳統(tǒng)布局組合時，在更多的電氣飛機(jī)引擎、電氣船用推進(jìn)器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等廣泛地實施的馬達(dá)/發(fā)電機(jī)單元的應(yīng)用中，如此的磁性齒輪箱可以提供顯著的優(yōu)點。
(2000年10月13日接收到原稿。
作者們是英國，Sheffield S1，3JD的Sheffield大學(xué)的電子和電氣工程部的(電子郵件k.atallah@sheffield.ac.uk)。
出版項目識別號S0018—9464(01)07092—3。)
圖1 磁性齒輪的示意圖 II.工作原理 圖1示出提出的磁性齒輪布局的示意圖。可以看到，由下式給出在通過高速或低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵產(chǎn)生的空間諧波磁通密度分布中的極—對數(shù)量 pm，k＝|mp+kns| m＝1，3，5，...，∞(1) k＝0，±1，±2，±3，...，±∞ 其中p是永久磁鐵轉(zhuǎn)子上的極—對數(shù)量，而ns是固定鋼極靴的數(shù)量。此外，由下式給出磁通密度空間諧波的旋轉(zhuǎn)速度 其中Ωr是永久磁鐵轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。從(2)可看到，由于引入了鋼極靴，即，k≠0，空間諧波的速度與承載永久磁鐵的轉(zhuǎn)子的速度不同。因此，為了以不同速度來傳輸轉(zhuǎn)矩，其它永久磁鐵轉(zhuǎn)子的極—對數(shù)量必須與k≠0的空間諧波的極—對數(shù)量相等。于是由下式給出齒輪比 表I

圖2示出由在低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的高速永磁轉(zhuǎn)子引起的徑向磁通密度的的變化 III.模擬研究 使用兩—維靜磁有限元件法進(jìn)行模擬研究。表I給出已經(jīng)為圖1所示的磁性齒輪假設(shè)的參數(shù)。高和低速轉(zhuǎn)子都配備有燒結(jié)的NdFeB永久磁鐵，并且由硅鋼疊層結(jié)構(gòu)來制造鋼極靴和轉(zhuǎn)子鐵心。
A.磁通密度分布 圖2示出由在低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的高速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的磁通密度的徑向分量的變化，而圖3示出對應(yīng)的空間諧波譜?？梢钥吹?，鋼極靴的存在導(dǎo)致許多異步的，即，k≠1，空間諧波，最大的是22個極—對空間諧波，(m＝1，k＝-1)，它與22個極—對低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵相互作用而以下式所示的旋轉(zhuǎn)速度來傳輸轉(zhuǎn)矩 其中Ωh和Ω1分別是高和低速轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。

圖3 由在低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的高速永磁轉(zhuǎn)子引起的徑向磁通密度的空間諧波譜
圖4 由在高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的低速永磁轉(zhuǎn)子引起的空間諧波譜
圖5 由在高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的低速永久磁鐵轉(zhuǎn)子引起的徑向磁通密度的空間諧波譜 相似地，圖4示出由在高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的磁通密度的徑向分量的變化，而圖5示出對應(yīng)的空間諧波譜。可以看到，鋼極靴的存在導(dǎo)致占優(yōu)勢的4個極—對異步空間諧波，(m＝1，k＝-1)，它與4個極—對的高速轉(zhuǎn)子永久磁鐵相互作用而以下式所示的旋轉(zhuǎn)速度來傳輸轉(zhuǎn)矩 其中Ωh和Ω1分別是高和低速轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。

圖6 高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中合成的磁通密度的徑向分量的變化
圖7 低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中合成的磁通密度的徑向分量的變化
圖8 低速和高速轉(zhuǎn)子上最大轉(zhuǎn)矩的變化
圖9 對于不同的電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度(磁性齒輪轉(zhuǎn)矩密度是100kNm/m3)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度隨齒輪比的變化 圖6和7示出由分別在高和低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的兩種永磁轉(zhuǎn)子引起的合成磁通密度徑向分量的變化。
B.轉(zhuǎn)矩傳輸 圖8示出當(dāng)高和低速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時施加在它們上的最大轉(zhuǎn)矩的變化。如所看到的，可以實現(xiàn)超過100kNm/m3的傳輸轉(zhuǎn)矩密度。圖9示出組合的磁性齒輪和永磁無電刷機(jī)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度是如何隨機(jī)器的齒輪比和轉(zhuǎn)矩密度而變化的，對于自然冷卻的、強(qiáng)制性空氣冷卻的和液體冷卻的徑向場永久磁鐵無電刷電機(jī)，通常分別為10kNm/m3、20kNm/m3、和30kNm/m3。如所看到的，通過使用5—10之間的齒輪比和傳統(tǒng)的徑向場機(jī)器布局可以實現(xiàn)與當(dāng)前技術(shù)水平的橫向磁場電機(jī)可比擬的或更優(yōu)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度，具有使制造簡單化、提高功率因數(shù)等附帶的優(yōu)點。
除了機(jī)械損耗，即軸承磨損和轉(zhuǎn)子偏差，之外，磁性齒輪具有兩個電磁損耗分量，即 ·在兩個轉(zhuǎn)子的層疊的護(hù)鐵中以及固定的層疊鋼極靴中的鐵損耗。
·在轉(zhuǎn)子永久磁鐵中誘發(fā)的渦流損耗。
進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬研究，以評估這些在所提出的磁性齒輪的效率和熱性能方面的效應(yīng)。
IV.結(jié)論 已經(jīng)展示了高性能磁性齒輪的新穎布局。已經(jīng)示出，通過使用稀土磁鐵，可以實現(xiàn)超過100kNm/m3的轉(zhuǎn)矩密度。還已經(jīng)示出了系統(tǒng)(即磁性齒輪和電機(jī))轉(zhuǎn)矩密度可比擬于或更優(yōu)于橫向磁場電機(jī)。
參考資料 [1]D.E.Hesmondhaigh和D.Tipping，“多元件磁性齒輪(A multielement magneticgear)”，IEE Proceedings，B部分，127卷，129-158頁，1980。
[2]K.Tsurumoto和S.Kikushi，“使用永久磁鐵的新的磁性齒輪(A new magnetic gearusing permanent magnet)”，IEEE transaction on Magnetics，MAG-23卷，第5期，3622-3624頁，1987。
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[4]H.Weh，“驅(qū)動和發(fā)電應(yīng)用中的橫向通量(TF)機(jī)器(Transverse flux(TF)machines in drive and generator applications)”，Proceedings of IEEE/KTH StockholmPower Technology Conference，Stockholm，Sweden，1995，75-80頁。
高性能磁性齒輪的設(shè)計、分析和實現(xiàn) K.Atallah、S.D.Calverley和D.Howe 摘要與機(jī)械齒輪相比，磁性齒輪提供巨大的潛在優(yōu)點，諸如減少維護(hù)和提高可靠性，固有的過載保護(hù)以及輸入和輸出軸之間的物理隔離。然而，至今，它們受到較少的注意，可能是由于已經(jīng)提出的磁路布局具有相對較差的轉(zhuǎn)矩傳輸能力。描述了一種新的磁性齒輪布局，它組合了有高度競爭性的轉(zhuǎn)矩傳輸能力和極高的效率。
I.引言 由于通常使用高速電機(jī)與齒輪箱一起來變換速度和轉(zhuǎn)矩是成本高和重量顯著的，所以廣泛地使用機(jī)械齒輪箱來使原動機(jī)(prime-mover)的工作速度與它們的負(fù)載要求匹配，以便增加旋轉(zhuǎn)速度(例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī))和減小速度(例如，電氣船用推進(jìn)器)。磁性齒輪提供數(shù)個潛在的優(yōu)點，諸如 ·減少聲音噪聲和振動，例如，這對于海軍的推進(jìn)系統(tǒng)是一個重要的因素。
·減少維護(hù)和提高可靠性，例如，這對于“更多—電子”的飛機(jī)是一個關(guān)鍵的考慮。
·精確的峰值轉(zhuǎn)矩傳輸能力以及固有的負(fù)載保護(hù)，例如，對于制造機(jī)器的共同要求。
·輸入和輸出軸之間的物理隔離，例如，這對于在許多泵應(yīng)用中防止處理液體的污染是有利的。
然而，盡管有這些優(yōu)點，磁性齒輪仍受到相當(dāng)小的注意，大概是因為已經(jīng)提出的磁路的相對復(fù)雜性和較差的轉(zhuǎn)矩密度。提出了一種磁性齒輪布局，它使用可變磁阻原理來傳輸轉(zhuǎn)矩，并且與以前的布局相比，具有更提高的磁路利用率[1]。然而，它的轉(zhuǎn)矩傳輸能力和效率分別低于5kNm/m3和35％。還提出和分析了使用高能量永久磁鐵的磁性齒輪[2、3]。然而，它們特征為都具有較差的磁路，如圖2所示，其中，在任何時刻，只有一部分的永久磁鐵對轉(zhuǎn)矩傳輸有貢獻(xiàn)。因此，它們特定的轉(zhuǎn)矩能力和效率也是低的。因此，在不能接納機(jī)械齒輪的應(yīng)用中，使用直接電氣驅(qū)動，提供最高轉(zhuǎn)矩密度的橫向磁場電機(jī)在相當(dāng)?shù)偷墓β室驍?shù)下工作。

圖1 典型的傳統(tǒng)外磁性齒輪的示意圖
圖2 提出的磁性齒輪布局 本文描述圖2所示的磁性齒輪布局的設(shè)計和性能。它的內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩者都使用稀土永久磁鐵，并且在兩個轉(zhuǎn)子之間具有鐵磁極靴。然而，與圖1所示的布局不同，所有的永久磁鐵對于轉(zhuǎn)矩傳輸都有貢獻(xiàn)。當(dāng)然，模擬和經(jīng)驗研究已經(jīng)示出如此的齒輪具有與兩—和三—級螺旋形齒輪箱可比擬的傳輸轉(zhuǎn)矩密度能力，即，50—150kNm/m3。因此，當(dāng)與永磁無電刷機(jī)的傳統(tǒng)布局結(jié)合時，在實施在“更多電子”的飛機(jī)引擎、電氣船用推進(jìn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等中的馬達(dá)/發(fā)電機(jī)單元的廣泛的應(yīng)用中，如此的磁性齒輪可以提供非常大的優(yōu)點。
2.工作原理 磁性齒輪的基本工作原理是通過鐵磁極靴調(diào)制由每個永久磁鐵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場，以致產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目臻g諧波，這些空間諧波具有與相關(guān)聯(lián)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子一樣的必需數(shù)量的極。
可以把通過每個永久磁鐵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的、在徑向距離r處的磁通密度分布寫成如下的形式 對于徑向分量
以及對于圓周分量
其中p是永久磁鐵轉(zhuǎn)子上的極—對的數(shù)量，ns是鐵磁極靴的數(shù)量，以及Ωr和Ωs分別是永久磁鐵轉(zhuǎn)子和鐵磁極靴的旋轉(zhuǎn)速度。此外，brm、bθm分別是沒有鐵磁極靴時的磁通密度分布的徑向和周向分量的傅里葉系數(shù)。相似地，對于圓周分量，λrj和λθj分別是與引入鐵磁極靴而產(chǎn)生的磁通密度分布的徑向和周向分量相關(guān)聯(lián)的調(diào)制函數(shù)的傅里葉系數(shù)。因此，對于徑向分量，從(1)
以及對于圓周分量， 因此，從(2)，由下式給出各個永久磁鐵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的空間諧波磁通密度分布中極靴的數(shù)量 pm，k＝|mp+kns| m＝1，3，5，...，∞(3) k＝0，±1，±2，±3，...，±∞ 并且由下式給出磁通密度空間諧波的旋轉(zhuǎn)速度 從(4)，可以看到，由于引入鐵磁極靴，即，k≠0，而導(dǎo)致的空間諧波的速度與他們正調(diào)制其磁場的轉(zhuǎn)子的速度是不同的。因此，為了以不同的旋轉(zhuǎn)速度傳輸轉(zhuǎn)矩，其它永久磁鐵轉(zhuǎn)子的極—對數(shù)量必須與k≠0的空間諧波的極—對數(shù)量相等。由于組合m＝1、k＝-1導(dǎo)致最高的異步空間諧波，其它轉(zhuǎn)子的極—對數(shù)量必須等于(ns-p)。然后，當(dāng)保持調(diào)制極靴為靜止時，即，Ωs＝0時，由下式給出齒輪比 另一方面，如果保持其它永久磁鐵轉(zhuǎn)子為靜止，則使轉(zhuǎn)矩傳輸?shù)秸{(diào)制鐵磁極靴，并且齒輪比變成 這可能是較佳的工作配置，由于它簡化了齒輪的總的機(jī)械設(shè)計，雖然，由于它正在旋轉(zhuǎn)，所以必須更小心地考慮鐵磁極靴結(jié)構(gòu)的剛性。此外，它使傳輸較高的轉(zhuǎn)矩成為可能，增加的量與齒輪比有關(guān)，這隨靜止極靴的變化結(jié)果而變化，(5)、(6)比較。
公式(5)和(6)示出，對于給定的齒輪比，存在內(nèi)永久磁鐵轉(zhuǎn)子上的極—對ph、外永久磁鐵轉(zhuǎn)子pb上的極—對以及鐵磁極靴數(shù)量ns的相當(dāng)大數(shù)量的切實可行的組合。
3.模擬研究 圖3示出使用兩維磁性靜態(tài)有限元件方法的、為分析而選擇的三個磁性齒輪的示意圖，齒輪比分別為5.5:1、5.75:1和11:1。對于三個齒輪，鐵磁極靴是靜止的，內(nèi)和外永久磁鐵轉(zhuǎn)子分別是高速轉(zhuǎn)子和低速轉(zhuǎn)子。此外，對于三個齒輪，承載分量的磁通的總直徑，即，有效直徑，是140mm，與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙的直徑是113mm，并且在低速轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵的厚度是6mm。

圖3 磁性齒輪示意圖
圖4 對于a.在與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的、 b.在與高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的 5.5:1的磁性齒輪，由高速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的徑向磁通密度波形，以及它們的空間諧波譜
圖5對于a.在與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的、 b.在與高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的 5.75:1的磁性齒輪，由高速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的徑向磁通密度波形，以及它們的空間諧波譜
圖6對于a.在與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的、 b.在與高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的 11:1的磁性齒輪，由高速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的徑向磁通密度波形，以及它們的空間諧波譜
圖7對于a.在與高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的、 b.在與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的 5.5:1的磁性齒輪，由低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的徑向磁通密度波形，以及它們的空間諧波譜
圖8對于a.在與高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的、 b.在與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的 5.75:1的磁性齒輪，由低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的徑向磁通密度波形，以及它們的空間諧波譜
圖9對于a.在與高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的、 b.在與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的 11:1的磁性齒輪，由低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的徑向磁通密度波形，以及它們的空間諧波譜
圖10對于5.5:1的磁性齒輪，低速轉(zhuǎn)子上最大轉(zhuǎn)矩隨極靴徑向厚度的變化
圖11對于5.75:1的磁性齒輪，低速轉(zhuǎn)子上最大轉(zhuǎn)矩隨極靴徑向厚度的變化
圖12對于11:1的磁性齒輪，低速轉(zhuǎn)子上最大轉(zhuǎn)矩隨極靴徑向厚度的變化
圖13 傳輸轉(zhuǎn)矩隨高速轉(zhuǎn)子的角度位置的變化
圖14 傳輸轉(zhuǎn)矩隨低速轉(zhuǎn)子的角度位置的變化
圖15 對于高速轉(zhuǎn)子上奇數(shù)數(shù)量的極—對，齒槽轉(zhuǎn)矩因子隨齒輪比的變化
圖16 對于高速轉(zhuǎn)子上偶數(shù)數(shù)量的極—對，齒槽轉(zhuǎn)矩因子隨齒輪比的變化 實心符號表示圖2中的5.5:1、5.75:1和11:1的齒輪設(shè)計 3.1 磁通密度波形 圖4—6分別示出對于5.5:1、5.75:1和11:1的磁性齒輪比的、由在與低速和高速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的高速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的磁通密度的徑向分量的變化，以及它們相應(yīng)的空間諧波譜。相似地，圖7—9分別示出對于5.5:1、5.75:1和11:1的磁性齒輪比的、由在與高速和低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中的低速轉(zhuǎn)子永久磁鐵引起的磁通密度的徑向分量的變化，以及它們相應(yīng)的空間諧波譜。清楚地，鐵磁極靴的存在導(dǎo)致許多異步空間諧波，即，k≠0，其最大的一個空間諧波(m＝1、k＝-1)具有與其它永久磁鐵轉(zhuǎn)子的極的數(shù)量相同的極數(shù)。還可以看到，在與其它轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙中，從一個轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵產(chǎn)生的異步空間諧波，即k≠0，是顯著地更大的。
3.2 轉(zhuǎn)矩傳輸 圖10—12示出當(dāng)與低速轉(zhuǎn)子相鄰的氣隙的直徑和低速和高速轉(zhuǎn)子上的磁鐵材料量保持不變的情況下，低速轉(zhuǎn)子上的最大轉(zhuǎn)矩如何隨著靜止極靴的徑向厚度而改變?？梢钥吹?，存在導(dǎo)致最大轉(zhuǎn)矩傳輸能力的極靴的最優(yōu)徑向厚度。還可以看到，低速和高速轉(zhuǎn)子上的極—對p1和ph的數(shù)量以及靜止極靴ns的數(shù)量的組合的選擇對于最大轉(zhuǎn)矩傳輸能力具有顯著影響。應(yīng)該注意，當(dāng)ph≤6時，為獲得5.75:1的齒輪比，只存在ph＝4、p1＝23和ns＝27的單種組合。
3.3 轉(zhuǎn)矩波動 雖然前面的結(jié)果已經(jīng)突出了主要磁性齒輪設(shè)計參數(shù)對于平均轉(zhuǎn)矩傳輸能力的影響，考慮在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動也是很重要的，因為這對性能有害。由轉(zhuǎn)子永久磁鐵與鐵磁極靴的相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，即，齒槽轉(zhuǎn)矩。圖13和14分別示出當(dāng)5.5:1、5.75:1和11:1的磁性齒輪正在傳輸最大平均轉(zhuǎn)矩時，在轉(zhuǎn)子相互相對設(shè)置時，高速轉(zhuǎn)子和低速轉(zhuǎn)子上傳輸轉(zhuǎn)矩的變化?？梢钥吹?，雖然5.75:1磁性齒輪事實上傳輸無波動的轉(zhuǎn)矩，并且5.5:1磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩波動與平均傳輸轉(zhuǎn)矩相比是相當(dāng)小的，但是11:1磁性齒輪的轉(zhuǎn)矩波動是極明顯的。
對于5.75:1磁性齒輪，高速轉(zhuǎn)子上的極數(shù)量，2×ph＝8，以及鐵磁極靴的數(shù)量，ns＝27，之間的最小公倍數(shù)是Nc＝216。相似地，對于5.5:1磁性齒輪，高速轉(zhuǎn)子上的極數(shù)量，2×ph＝8，以及鐵磁極靴的數(shù)量，ns＝26，之間的最小公倍數(shù)是Nc＝104，這表示齒槽轉(zhuǎn)矩波形的基波階數(shù)(fundamental order)，如可從圖13清楚地看到。對比之下，對于11:1磁性齒輪，高速轉(zhuǎn)子上的極數(shù)量，2×ph＝4，以及靜止極靴的數(shù)量，ns＝24，之間的最小公倍數(shù)僅是Nc＝24，這是11:1磁性齒輪的高速轉(zhuǎn)子上的明顯高的齒槽轉(zhuǎn)矩的原因?？蓮膱D13清楚地看到，階數(shù)Nc＝24的基波以及2×Nc＝48階的二次諧波是11:1磁性齒輪的齒槽轉(zhuǎn)矩波形中的主要分量。
上述內(nèi)容與定義了齒槽轉(zhuǎn)矩因子2pns/nc的[5]符合。因此，最小公倍數(shù)Nc越大，極數(shù)就越少，較小的是齒槽轉(zhuǎn)矩的幅度。
圖15和16示出當(dāng)改變高速轉(zhuǎn)子上的極—對的數(shù)量時高速轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩因子是如何隨齒輪比變化的。清楚地，在圖16中給出的齒槽轉(zhuǎn)矩因子的值和圖13和14中預(yù)測的轉(zhuǎn)矩波動水平之間存在較好的相關(guān)性。還值得注意的是，對于給定的齒輪比，高速轉(zhuǎn)子和低速轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩因子是相同的。還可以看到，可以實現(xiàn)具有低轉(zhuǎn)矩波動的較寬的齒輪比范圍。
4.樣品磁性齒輪 已經(jīng)有了顯示出實質(zhì)上無波動的轉(zhuǎn)矩傳輸能力的、具有ph＝4、p1＝23和ns＝27的5.75:1磁性齒輪的樣機(jī)。在其機(jī)械設(shè)計和制造期間，對于靜止鐵磁極靴給予特別的考慮，由于首先它們會經(jīng)受到隨時間而變化的磁場。因此，為了避免過度的渦流損耗，必須使用經(jīng)層疊的、經(jīng)燒結(jié)的或組合的軟磁性材料。其次，它們代表磁性齒輪的機(jī)械接地。因此，它們必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來傳輸最大的轉(zhuǎn)矩。
磁性齒輪樣機(jī)具有140mm的有效直徑和50mm的有效軸向長度，并且使用具有20℃時為1.25T的剩磁的經(jīng)燒結(jié)的NdFeB永久磁鐵，以及用于每個轉(zhuǎn)子的護(hù)鐵和靜止的極靴的0.35mm的3％SiFe。圖17示出制造層疊的極靴期間的各個階段，以及測試臺上經(jīng)組裝的磁性齒輪。
圖18示出對于不同的高速轉(zhuǎn)子速度，齒輪的測量的效率是如何隨低速轉(zhuǎn)子上的傳輸轉(zhuǎn)矩而變化的?？梢钥吹?，對于大于75％的～60Nm的測量的失步轉(zhuǎn)矩的傳輸轉(zhuǎn)矩值，效率超過97％。應(yīng)該注意，測量的失步轉(zhuǎn)矩比從兩—維靜磁有限元件分析法預(yù)測的失步轉(zhuǎn)矩要小～30％。這可能是由于下述的因素引起的第一，在一個轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵看到的有效磁氣隙包括靜止極靴結(jié)構(gòu)和內(nèi)和外轉(zhuǎn)子之間的物理氣隙，以及另一個轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵的徑向厚度。因此，這相對于磁性齒輪的有效軸向長度是相當(dāng)大的。因此，末端效應(yīng)是很明顯的，并且對于這些需要三—維靜磁有限元件分析法。
第二，靜止極靴表示磁性齒輪的機(jī)械接地，因此，必須傳輸高速和低速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩兩者。
因此，極靴結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛性是極重要的，因為從末端到末端的1°相對機(jī)械扭轉(zhuǎn)將導(dǎo)致相對于低速轉(zhuǎn)子上永久磁鐵的～23°電的有效歪斜。因此，需要扭轉(zhuǎn)剛性結(jié)構(gòu)。
為了示出具有與5.75:1磁性齒輪樣機(jī)具有相同轉(zhuǎn)矩密度(即，72kNm/m3)的磁性齒輪與永久磁鐵無電刷機(jī)組合的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度是如何隨齒輪比和無電刷機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度而變化的，圖19考慮了具有自然冷卻的、強(qiáng)制空氣冷卻的和液體冷卻的徑向場永久磁鐵無電刷機(jī)，10kNm/m3、20kNm/m3和30kNm/m3分別為其典型的轉(zhuǎn)矩密度?？梢钥吹剑ㄟ^使用齒輪比在5:1和10:1之間的磁性齒輪以及傳統(tǒng)的徑向場無電刷機(jī)，可以實現(xiàn)可比擬于或更優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)橫向磁場電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度(一般為40—60kNm/m3)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度，這提供了更加改進(jìn)的功率因數(shù)的附加優(yōu)點。

圖17 靜止疊層極靴和組裝的磁性齒輪樣機(jī)的制造 a 步驟1對帶有關(guān)于極靴的橋的疊層進(jìn)行放電加工 b 步驟2目的設(shè)計模型，使疊層堆疊中的槽填充高性能環(huán)氧樹脂和用來提供適當(dāng)軸向剛性的不銹鋼鉗桿 c 步驟3接著，加工而除去極靴之間的橋 d 步驟4加入玻璃纖維帶以得到適當(dāng)?shù)膹较騽傂? e 在測試臺上組裝磁性齒輪樣機(jī)
圖18 對于不同的高速轉(zhuǎn)子速度，磁性齒輪樣機(jī)的效率隨低速轉(zhuǎn)子上傳輸轉(zhuǎn)矩的變化
圖19 對于不同的電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度隨齒輪比的變化 5.結(jié)論 已經(jīng)展示了高性能磁性齒輪布局，并且已經(jīng)示出通過使用稀土磁鐵，可以實現(xiàn)高的轉(zhuǎn)矩密度。還已經(jīng)示出，設(shè)計參數(shù)的選擇對于轉(zhuǎn)矩傳輸能力和轉(zhuǎn)矩波動具有重要的影響，并且可以實現(xiàn)可比擬于或更優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)橫向磁場電機(jī)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩密度(即，組合的磁性齒輪和電機(jī))。
6.答謝
本文的作者感謝UK Engineering and Physical Science Research Council(EPSRC)授予研究許可(GR/R46519)。
7.參考資料
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權(quán)利要求
1.一種電機(jī)包括
內(nèi)可移動元件以及外可移動元件，所述內(nèi)可移動元件與外可移動元件布置成經(jīng)由與所述內(nèi)可移動元件相關(guān)聯(lián)的多個永久磁鐵以磁性嚙合方式相互作用；以及
相對于至少所述內(nèi)可移動元件向外設(shè)置的繞組，其布置成與所述內(nèi)可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述多個永久磁鐵的所述磁場的所述基本諧波相互磁性作用。
2.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述繞組相對于所述外可移動元件向內(nèi)設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述繞組相對于所述外可移動元件向外設(shè)置。
4.如上述任意一項權(quán)利要求所述的電機(jī)，其中所述外可移動元件包括多個極靴以影響所述磁性嚙合相互作用。
5.如權(quán)利要求1—3中任意一項所述的電機(jī)，還包括設(shè)置在所述內(nèi)和外可移動元件之間的多個極靴以影響所述磁性嚙合相互作用。
6.如上述任意一項權(quán)利要求所述的電機(jī)，其中所述外可移動元件布置成承載所述繞組。
7.一種電機(jī)，包括以磁性嚙合方式布置的第一組永久磁鐵、多個極靴以及第二組永久磁鐵；以及布置成與所述第一組永久磁鐵的所述基本空間諧波相互作用的繞組。
8.如權(quán)利要求7所述的電機(jī)，其中所述第一組永久磁鐵與用于與其一起旋轉(zhuǎn)/平移的第一轉(zhuǎn)子/平移器相關(guān)聯(lián)。
9.如權(quán)利要求7和8中任意一項所述的電機(jī)，其中所述第二組永久磁鐵設(shè)置成相對于所述繞組為固定的關(guān)系。
10.如權(quán)利要求7—9中任意一項所述的電機(jī)，其中所述多個極靴設(shè)置成相對于所述繞組為固定的關(guān)系。
11.如權(quán)利要求7—10中任意一項所述的電機(jī)，其中所述多個極靴設(shè)置成和用于與其一起旋轉(zhuǎn)/平移的轉(zhuǎn)子/平移器為固定的關(guān)系。
12.如權(quán)利要求7—11中任意一項所述的電機(jī)，其中所述第二多個永久磁鐵設(shè)置成和用于與其一起旋轉(zhuǎn)/平移的轉(zhuǎn)子/平移器為固定的關(guān)系。
13.一種電機(jī)，包括第一可移動元件以及第二可移動元件，所述第一可移動元件以及第二可移動元件布置成經(jīng)由所述第一和第二多個永久磁鐵的異步諧波以磁性嚙合的方式相互作用；以及布置成與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述第一多個永久磁鐵的所述磁場的所述基本諧波相互磁性作用的繞組。
14.如權(quán)利要求13所述的電機(jī)，其中，所述第一可移動元件是支承所述第一多個永久磁鐵的內(nèi)轉(zhuǎn)子或內(nèi)平移器。
15.如權(quán)利要求13所述的電機(jī)，其中，所述第二可移動元件是支承多個極靴的外轉(zhuǎn)子或外平移器。
16.如權(quán)利要求15所述的電機(jī)，其中所述第二多個永久磁鐵設(shè)置成相對于所述繞組為固定的關(guān)系。
17.如權(quán)利要求13—16中任意一項所述的電機(jī)，其中所述第二可移動元件包括多個永久磁鐵。
18.如權(quán)利要求17所述的電機(jī)，其中所述多個極靴設(shè)置成相對于所述繞組為固定的關(guān)系。
19.一種操作電機(jī)的方法，包括下列步驟通過調(diào)制與第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的磁場來產(chǎn)生所述電機(jī)的第一和第二可移動元件之間的磁性激發(fā)嚙合相互作用；以及使布置成與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述磁場相互作用的繞組通電。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述通電和繞組中的至少一個布置成與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述磁場的所述第一或基本空間諧波相互作用。
21.一種使用如權(quán)利要求1—16中任意一項所述的電機(jī)發(fā)電的方法，包括下列步驟移動至少所述第二可移動元件以引發(fā)所述第一可移動元件的移動而導(dǎo)致與所述第一可移動元件相關(guān)聯(lián)的所述磁場的所述第一或基本諧波和所述繞組之間的磁性相互作用。
22.一種電機(jī)，包括以磁性嚙合方式相互作用的第一(502、504；802、804)和第二可移動元件(506；806)；以及布置成與所述第一可移動元件(502、504；802、804)相關(guān)聯(lián)的所述第一多個永久磁鐵(504；804)的所述磁場的所述第一/基本諧波相互作用的繞組(514；814)。
23.如權(quán)利要求22所述的電機(jī)，包括多個極靴(508；812)，用于調(diào)制所述第一多個永久磁鐵和第二多個永久磁鐵(504、510)和(804、808)中至少一個的磁場以啟動所述嚙合的相互作用。
24.如權(quán)利要求22所述的電機(jī)，其中所述第二可移動元件(506；806)包括多個極靴(508)或多個永久磁鐵(808)。
25.如權(quán)利要求22—24中任意一項所述的電機(jī)，其中從所述第二可移動元件向內(nèi)設(shè)置所述第一可移動元件。
26.如權(quán)利要求22—25中任意一項所述的電機(jī)，其中所述繞組(514；814)安裝在靜止電樞(512；810)上，所述電樞支承第二多個固定的永久磁鐵(510)或多個極靴(812)。
27.如權(quán)利要求22—26中任意一項所述的電機(jī)，其中可操作所述繞組以接收電流而產(chǎn)生與所述第一多個永久磁鐵(504；804)的所述基本諧波的所述相互作用。
28.如權(quán)利要求22—27中任意一項所述的電機(jī)，其中可操作所述繞組以響應(yīng)于與所述第一多個永久磁鐵(504；804)的所述基本諧波的所述相互作用而發(fā)電。
29.如權(quán)利要求22—28中任意一項所述的電機(jī)，其中所述第一和第二可移動元件是可線性地移動的平移器。
30.如權(quán)利要求22—29中任意一項所述的電機(jī)，其中所述第一和第二可移動元件是可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。
31.一種實質(zhì)上如這里參考圖4—9中任何一幅所描述和/或如圖4—9中任何一幅所示出的電機(jī)。
32.一種電機(jī)包括
a.具有相關(guān)聯(lián)的第一組永久磁鐵的第一轉(zhuǎn)子/平移器，所述第一組永久磁鐵呈現(xiàn)各自第一數(shù)量的極—對；
b.具有各自第二數(shù)量的極—對的第二組永久磁鐵，極—對的所述第一和第二數(shù)量是不同的；
c.多個極靴，布置成調(diào)制所述第一和第二組永久磁鐵的所述場以產(chǎn)生啟動第一和第二組永久磁鐵之間的磁耦合因此而啟動轉(zhuǎn)矩傳輸?shù)南嗷テヅ涞臉O—對；
d.選中與所述第一轉(zhuǎn)子/平移器的所述永久磁鐵的所述第一諧波磁耦合的繞組。
33.如權(quán)利要求32所述的電機(jī)，其中所述第二組永久磁鐵和多—相繞組安裝在靜止電樞上。
34.如權(quán)利要求32和33中任意一項所述的電機(jī)，其中所述極靴安裝在所述第二可移動轉(zhuǎn)子/平移器上。
35.如權(quán)利要求34所述的電機(jī)，其中支承極靴的所述轉(zhuǎn)子/平移器可以按比所述第一轉(zhuǎn)子/平移器可移動的速度低的速度移動。
36.如權(quán)利要求32所述的電機(jī)，其中所述極靴和多—相繞組安裝在靜止電樞上。
37.如權(quán)利要求32和36中任意一項所述的電機(jī)，其中所述第二多個永久磁鐵安裝在所述第二可移動轉(zhuǎn)子/平移器上。
38.如權(quán)利要求37所述的電機(jī)，其中支承所述第二多個永久磁鐵的所述轉(zhuǎn)子/平移器可以按比所述第一轉(zhuǎn)子/平移器可移動的速度低的速度移動。
39.如上述任意一項權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一和第二可移動轉(zhuǎn)子以及靜止電樞是圓柱形形狀的，并且相對于旋轉(zhuǎn)軸同心地設(shè)置，從而形成徑向場旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
40.如上述任意一項權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一和第二可移動轉(zhuǎn)子以及靜止電樞是環(huán)形或盤形中的至少一種形狀，并且沿旋轉(zhuǎn)軸軸向地設(shè)置，從而形成軸向場旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
41.如上述任意一項權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，包括至少為0.9的功率因數(shù)。
全文摘要
一些實施例提供一種電機(jī)，其承載具有不同極-對數(shù)的第一和第二多個永久磁鐵、啟動使所述多個永久磁鐵之間磁性相互作用的多個極靴以及與所述第一多個永久磁鐵的第一/基本諧波耦合以啟動電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的繞組。
文檔編號H02K16/02GK101485068SQ200780023491
公開日2009年7月15日 申請日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者凱斯·阿塔拉, 吉安·杰夫·雷恩斯 申請人:馬格諾麥克斯有限公司