[发明专利]一种基于磁齿轮的旋转-直线变速电机

说明书

技术领域

本发明属于电工、电机领域，涉及一种旋转-直线变速电机。

背景技术

可再生能源开发利用过程中，波浪能、潮汐能越来越受到专家学者的关注。 以波浪发电为例，因波浪运动的特点，以往均采用低速电机设计，由低速发电 机与浮筒构成的发电系统存在功率密度低、效率低、成本高等问题，不利于波 浪发电的商业化推广。将低速直线运动的波浪能量捕获后，若能升速为高速旋 转运动，采用高速永磁同步发电机即能获得更高的功率密度和良好的电能质量。

此外，在需要将高速旋转运动转换为低速直线运动的场合(如机械加工等)， 较多地采用齿轮齿条啮合等机械传动装置实现两种运动形式之间的转化，除了 需要增加额外的中间传动装置，由此带来的功率损耗也影响整个系统的效率。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于磁齿轮的旋转-直线变速电机，将永磁同 步电机和旋转-直线变换型磁齿轮结合。采用该电机作为能量转换设备的系统， 不需要额外的机械传动装置，直接通过电磁耦合即可实现直线-旋转两种运动 模式转化以及速度变换的功能，使得整个系统的体积质量减小，成本降低、效 率提高。

技术方案：本发明的基于磁齿轮的旋转-直线变速电机，包括包括内至外 依次设置的定子电枢、高速永磁转子、调磁装置、低速永磁动子。定子电枢包 括定子铁芯、放置在定子铁芯外表面开槽中的电枢绕组；所述高速永磁转子环 绕定子电枢(1)设置，包括高速永磁转子铁芯、内嵌于所述高速永磁转子铁 芯内部的高速转子永磁体；所述调磁装置由铁磁极片和非铁磁材料间隔排列构 成；所述低速永磁动子包括低速永磁动子铁芯以及粘贴于所述低速永磁动子铁 芯表面的低速动子永磁体；所述定子电枢和高速永磁转子之间形成第一层气隙； 高速永磁转子和调磁装置之间形成第二层气隙；调磁装置和低速永磁动子的低 速动子永磁体之间形成第三层气隙。

进一步的，本发明电机中，定子电枢和高速永磁转子采用圆形旋转结构； 调磁装置面向高速永磁转子的内表面是与定子电枢和高速永磁转子同心的的 曲面，外表面为与低速永磁动子平行的平面结构；低速永磁动子为直线型平板 式结构。

本发明的基于磁齿轮的旋转-直线变速电机，可以看做是永磁同步电机和 旋转-直线变换型磁齿轮的耦合。进一步的，本发明电机中，定子电枢和高速 永磁转子作为同步永磁电机；高速永磁转子、调磁装置和低速永磁动子作为旋 转-直线型磁齿轮。高速永磁转子具有双重功能，既是同步永磁电机的转子， 也是磁齿轮装置的高速运动部件。

进一步的，本发明电机采用永磁同步电机与旋转-直线变换型磁齿轮并联 耦合方式。

进一步的，本发明电机中，电枢绕组通入频率为f的三相交流电，高速永 磁转子总磁极对数为p，则高速永磁转子的旋转速度为N_h＝60f/p，其中 p＝Np_h,(N≥2)，p_h为高速永磁转子在磁齿轮结构中发挥作用的有效磁极对 数。

进一步的，本发明电机中，高速永磁转子、调磁装置和低速永磁动子实现 磁齿轮的变速功能，也是旋转-直线运动形式变换的关键。高速永磁转子在磁 齿轮结构中发挥作用的有效磁极对数为p_h，调磁装置中铁磁极片数为p_s，低 速永磁转子的有效磁极对数为p_l，三者满足p_s＝p_h+p_l,(p_l＞p_h)。

进一步的，本发明电机中，调磁装置固定，旋转-直线变换型磁齿轮的高 速永磁转子和低速永磁转子运行速度的比值(简称速比)为G_r＝p_l/p_h。

进一步的，本发明电机中，三相交流电通过滑环通入电枢绕组，产生同步 转速为N_h的旋转磁场，推动高速永磁转子以N_h高速旋转，高速转子的磁场经 过调磁装置的调制后，形成与低速动子有效磁极对数p_l相同的低速行波磁场， 从而牵引低速永磁动子做往复直线运动，运行速度为N_l＝N_h/G_r。