同步差速调磁电机

技术领域

本发明涉及具有三个转动部件的可变电机。具体是转子采用永磁转子，调磁环位于定子和转子之间作为第二转子，调磁块数等于转子极对数，定子极对数可变极，使得定子极对数、调磁块数和转子极对数在相等关系和调磁匹配关系之间切换，定子电枢磁场转速、调磁环转速和转子转速在同步运动关系和调磁运动关系之间切换。这就是同步差速调磁电机。

背景技术

电机一般是圆柱状转子位于电机中心内部、圆环状定子位于外部包围转子，这是内转子径向磁通电机。拓扑技术可以实现圆柱状定子位于电机中心内部，圆环状转子位于外部包围定子，这是外转子径向磁通电机。拓扑技术还可以实现盘状定子位于电机一侧，盘状转子位于电机另一侧，定子转子均围绕电机轴转动，这是轴向磁通电机。拓扑技术还可以实现线状排列定子与线状排列转子相对平行运动的直线电机。上述运用于具有两个转动部件电机的拓扑技术是成熟技术，拓扑技术也可以运用于具有三个转动部件的电机。传统永磁电机，只有定子电枢磁场和永磁转子这两个转动部件，定子电枢磁场无形转动，永磁转子机械转动，定子电枢磁场与永磁转子之间是同步运动关系；功能单一，不能作为差速电机。作为差速电机需要具有三个转动部件，三个转动部件中需要有两个输出端。同步差速调磁电机，定子电枢绕组流通三相交流电、二相交流电或直流电形成定子极对数可切换的定子电枢磁场，定子电枢磁场、调磁环和转子各是一个转动部件，调磁环和转子各作为一个输出端，三个部件可以在同步运动关系和调磁运动关系之间切换；切换为同步运动关系时是双输出端同步运行的电机，切换为调磁运动关系时是双输出端差速运行的电机。本发明创造性地在电机中运用同心磁齿轮的调磁效应，利用定子电枢磁场转速替代同心磁齿轮中具有极对数的一个磁环的转速，改造无动力的同心磁齿轮，形成具有三个转动部件的电机称为调磁电机。所述调磁是调磁效应，是调磁环把电枢磁场调制成为与转子磁场匹配的谐波磁场，转子磁场与这谐波磁场同步；调磁环把转子磁场调制成为与电枢磁场匹配的谐波磁场，电枢磁场与该谐波磁场同步；像同心磁齿轮三部件一样按调磁运动关系互动。同心磁齿轮是具有永磁极对数的两个磁环被中间具有调磁块数的调磁环调制形成调磁效应的磁性齿轮传动结构，参见（Atallah and Howe,2001）。所述调磁匹配关系是定子极对数、调磁块数和转子极对数这三者形成下列等式关系即调磁匹配关系：定子极对数=转子极对数+调磁块数。与这调磁匹配关系对应的调磁运动关系是：定子极对数*定子电枢磁场转速=转子极对数*转子转速+调磁块数*调磁环转速。*为乘号。所述三相交流电为+a相、-c相、+b相、-a相、+c相和-b相的正弦交变电流，其中+a相、+b相和+c相这三相依次滞后120度电相位。所述二相交流电为+a相、+b相、-a相和-b相的正弦交变电流，这四相依次滞后90度电相位。所述直流电是在一个步长时间中不变的单向电流，在不同步长时间中可以为正电流或负电流。所述永磁转子上的永磁体形成转子极对数的结构形式有halbach式、表面贴合式、表面嵌入式、内部径向式、内部切向式和CP式，CP式又称为单极性式。

本发明提出转子采用永磁转子，调磁环位于定子和转子之间作为第二转子，定子极对数可变极的同步差速调磁电机，就是要创新电机结构、丰富电机性能。电机行业需要同步差速调磁电机。

发明内容

同步差速调磁电机，由定子、调磁环、转子、支承部件、机壳和控制电路组成。与电源等电气部件形成电路连接，与左右传动轴等机械部件形成机械连接。特征在于：转子作为一个输出端，调磁环位于定子和转子之间作为另一个输出端，调磁块数等于转子极对数，定子极对数可变极，定子极对数、调磁块数和转子极对数在相等关系和调磁匹配关系之间切换，定子电枢磁场转速、调磁环转速和转子转速在同步运动关系和调磁运动关系之间切换。

定子由定子铁芯和电枢绕组组成，采用成熟技术。定子铁芯由轭部和齿部组成，采用软磁材料，如硅钢材料。电枢绕组由导线绕制而成，绕制形式包括轭绕组和齿部绕组，分别围绕定子铁芯的轭部和齿部绕制而成，电枢绕组流通三相交流电、二相交流电或直流电形成转动电枢磁场，电枢磁场具有定子极对数，具有定子电枢磁场转速。切换电枢绕组流通的电流可以切换定子极对数和定子电枢磁场转速。齿部绕组形成电枢磁场是成熟技术。轭绕组形成电枢磁场的过程是，各轭绕组流通电枢电流形成轭部磁场，同向轭部磁场串联叠加、异向轭部磁场聚集，聚集在最近的齿部形成齿部磁场就是电枢磁场。流通正向电流形成顺时针方向轭部磁场的轭绕组是正轭绕组。

调磁环由调磁块、绝缘块和环体组成，位于定子与转子之间。是成熟技术。调磁块采用软磁材料，例如硅钢材料，沿调磁环周向均匀布置在环体上。绝缘块采用低磁导率材料，例如环氧树脂材料或永磁材料，沿调磁环周向均匀布置在调磁块的间隔中。绝缘块采用环氧树脂材料的调磁环是无永磁调磁环，比较节约永磁材料；绝缘块采用永磁材料的调磁环是单极性式调磁环，其永磁材料的磁场方向全部径向向内或全部径向向外。环体用于保持调磁块和绝缘块的位置，保持调磁环的形状。调磁环重心与转子轴线重合。调磁环可以机械转动，具有调磁环转速。

转子采用永磁转子，由转子铁芯、转子轴和永磁体组成，是成熟技术。转子可以机械转动，具有转子转速。转子铁芯采用软磁材料，如硅钢材料。转子轴是成熟技术。永磁体的磁场形成不变的转子极对数。永磁体采用硬磁材料，例如铁氧体材料或钕铁硼材料，具有永久励磁。永磁体形成转子极对数的结构形式有halbach式、表面贴合式、表面嵌入式、内部径向式、内部切向式和CP式，CP式又称为单极性式。

设置调磁块数等于转子极对数。切换定子极对数为小值，定子极对数、调磁块数和转子极对数形成相等关系：定子极对数=转子极对数=调磁块数。切换定子极对数为大值，定子极对数、调磁块数和转子极对数形成调磁匹配关系：定子极对数=转子极对数+调磁块数。本发明不限制定子电枢绕组形成可变极的定子极对数的结构形式。本发明不限制永磁体形成转子极对数的结构形式。

支承部件由轴承和支架等组成。机壳保护电机。均采用成熟技术。

控制电路控制定子电枢绕组的电流，包括控制幅值、电压、频率、相序、相位、步长、步距等，控制定子极对数变极。电源采用成熟技术。控制电路采用成熟技术。

同步差速调磁电机的三个转动部件是定子电枢磁场、调磁环和转子，定子电枢磁场是无形转动，调磁环和转子是机械转动。与相等关系对应，定子电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成同步运动关系：定子电枢磁场转速=转子转速=调磁环转速。与调磁匹配关系对应，定子电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成调磁运动关系：定子极对数*定子电枢磁场转速=转子极对数*转子转速+调磁块数*调磁环转速；当定子电枢磁场转速一定时，转子转速增量就是调磁环转速减量，转子转速减量就是调磁环转速增量，即转子转速和调磁环转速之间是差速关系。三个转动部件的力矩也是互动的。

各实施例，定子电枢绕组电路通过控制电路连接电源，传动轴分为左传动轴和右传动轴，调磁环机械连接一个传动轴作为一个输出端，转子机械连接另一个传动轴作为另一个输出端，形成双输出端可在同步运动关系和差速关系之间切换的调磁电机。所述传动轴是机械动力向动力使用机构输出的外部件。

传统永磁电机，只有定子电枢磁场和永磁转子这两个转动部件，不具有双输出端，当需要向互为差速关系的左右传动轴传动时，需要另外设置差速器与之匹配成为传动系统。本发明在电机中创造性运用同心磁齿轮的调磁效应，利用定子电枢磁场转速替代同心磁齿轮中具有永磁极对数的的一个磁环的机械转速，形成的同步差速调磁电机本身具有三个转动部件，当切换定子极对数为大值时，三个转动部件形成调磁匹配关系，就是双输出端转速形成差速关系的电机，这是第一个发明层次。当控制电路控制电枢绕组流通的电流，切换定子极对数为小值时，双输出端转速形成同步运动关系，相当于双输出端转速的差速关系被锁止变成同步运动关系的电机，这是第二个发明层次，即不仅是具有差速关系的双输出端电机，而且是可以切换同步运动关系和差速关系的双输出端变关系电机。相比于传统电机加上差速器向左右传动轴传动的传动系统，本发明无需匹配差速器就可实现双输出端转速的差速关系，而且可以在同步运动关系和差速关系之间切换，相当于具备了差速器功能再具备了差速锁功能的传动系统，本发明是结构功能性能前所未有的电机。定子极对数变极是成熟技术，永磁转子是成熟技术，调磁环设置在同心磁齿轮中是成熟技术。调磁环设置在调磁电机中、形成三转动部件双输出端的调磁电机是创新，调磁电机通过定子极对数变极来切换双输出端转速的同步运动关系和调磁运动关系是创新。

所述定子、调磁环、永磁转子、电枢绕组、轭绕组、齿部绕组、电枢磁场、极对数、同心磁齿轮和转动部件均为成熟技术。

附图说明

图1为同步差速调磁电机一剖面图，也是实施例1示意图。

图2为同步差速调磁电机二剖面图一，也是实施例2示意图之一。

图3为同步差速调磁电机二剖面图二，也是实施例2示意图之二。

图4为同步差速调磁电机二剖面图三，也是实施例2示意图之三。

图5为图2的A-A径向剖面图，也是实施例2示意图之四。

各图中，1为定子铁芯轭部，2为电枢绕组，3为定子铁芯齿部，4为调磁块，5为绝缘块，6为转子铁芯，7为转子永磁体，8为转子轴。各电枢绕组以少数匝数电线（小圆圈）示意，实际电线匝数按实际需要设置。各轭绕组的相位序号标示在该轭部外侧，相位序号是电枢绕组标示的成熟技术。支承部件、机壳和控制电路未画出，调磁环的环体未画出。电源和左右传动轴未画出。各永磁体的磁场方向如永磁体中的箭头所示。各部件只示意相互关系，未反映实际尺寸。

具体实施方式

实施例1：同步差速调磁电机一，由定子、调磁环、转子、支承部件、机壳和控制电路组成。参见图1。

定子由定子铁芯和电枢绕组组成，采用成熟技术。定子铁芯具有十六段轭部十六个齿部。电枢绕组采用十六段轭绕组，与电源通过控制电路形成电路连接，流通直流电形成电枢磁场。十六段轭绕组顺时针依次布置，分别是相序编号为a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o和p的绕组。电机双输出端需要同步运动关系时，流通直流电的方法是：十六段轭绕组，第一步依次分别流通+、+、+、+、-、-、-、-、+、+、+、+、-、-、-和-的直流电，第二步依次分别流通-、+、+、+、+、-、-、-、-、+、+、+、+、-、-和-的直流电，第三步依次分别流通-、-、+、+、+、+、-、-、-、-、+、+、+、+、-和-的直流电，第四步依次分别流通-、-、-、+、+、+、+、-、-、-、-、+、+、+、+和-的直流电，第五步依次分别流通-、-、-、-、+、+、+、+、-、-、-、-、+、+、+和+的直流电，第六步依次分别流通+、-、-、-、-、+、+、+、+、-、-、-、-、+、+和+的直流电，第七步依次分别流通+、+、-、-、-、-、+、+、+、+、-、-、-、-、+和+的直流电，第八步依次分别流通+、+、+、-、-、-、-、+、+、+、+、-、-、-、-和+的直流电，依此类推，直至第十六步依次分别流通+、+、+、-、-、-、-、+、+、+、+、-、-、-、-和+的直流电；每一步，形成的定子电枢磁场向前转动22.5度，即一个步进距离是一个极心距，转动方向为顺时针，定子极对数为2，每十六步为一个通电周期。第十七步与第一步相同，开始定子电枢绕组流通直流电的下一个通电周期。当需要时，本实施例还有每一步定子电枢磁场向前转动45度的流通直流电的方法等，定子极对数也是2，一个步进距离是二个极心距。所述极心距是定子铁芯相邻两个齿部齿顶中心之间的弧度。电机双输出端需要差速关系时，流通直流电的方法是：十六段轭绕组，第一步依次分别流通+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-和-的直流电，第二步依次分别流通-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+和-的直流电，第三步依次分别流通-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+和+的直流电，第四步依次分别流通+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-和+的直流电，第五步依次分别流通+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-和-的直流电，第六步依次分别流通-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+和-的直流电，第七步依次分别流通-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+和+的直流电，第八步依次分别流通+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-和+的直流电，依此类推，直至第十六步依次分别流通+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-、+、+、-、-和+的直流电；每一步，定子电枢磁场向前转动22.5度，即一个步进距离是一个极心距，磁场转动方向为顺时针，定子极对数为4，每十六步为一个通电周期。第十七步与第一步相同，开始定子电枢绕组流通直流电的下一个通电周期。业内人士依此可以推导出电枢磁场每一步向后转动的电枢绕组流通直流电的方法。实际上，上述十六段轭绕组，a与i为一相，b与j一相，c与k一相，d与l一相，e与m一相，f与n一相，g与o一相，h与p一相，一共是八相轭绕组流通不同的直流电；多相轭绕组流通直流电形成转动电枢磁场的方法参见本人2022年3月申报发明的《轭绕组少极多速直流定子》。

调磁环由调磁块、绝缘块和环体组成，位于定子与转子之间。是成熟技术。调磁块采用软磁材料硅钢材料，沿调磁环周向均匀布置在环体上，有2块。绝缘块采用低磁导率材料永磁材料，沿调磁环周向均匀布置在调磁块的间隔中，有2块。采用永磁材料的调磁环是单极性式调磁环，其永磁体的磁场方向全部径向向内。环体用于保持调磁块和绝缘块的位置，保持调磁环的形状。调磁环重心与转子轴线重合。调磁环可以机械转动，具有调磁环转速。

转子采用永磁转子，由转子铁芯、转子轴和永磁体组成，是成熟技术。转子可以机械转动，具有转子转速。转子铁芯采用软磁材料硅钢材料，有两个齿部两段轭部。转子轴是成熟技术。永磁体有2块，形成不变的转子极对数2。永磁体采用硬磁材料钕铁硼材料，具有永久励磁。永磁体形成转子极对数的结构形式是表面嵌入式且单极性式。两块永磁体嵌入转子铁芯的两段轭部，永磁体外表面与转子铁芯齿部齐平，内表面与转子铁芯轭部接触形成磁场通路，侧面设置绝缘体防止漏磁。

切换定子极对数为2，定子极对数、调磁块数和转子极对数形成相等关系：定子极对数2=转子极对数2=调磁块数2。切换定子极对数为4，定子极对数、调磁块数和转子极对数形成调磁匹配关系：定子极对数4=转子极对数2+调磁块数2。

支承部件由轴承和支架等组成。机壳保护电机。均采用成熟技术。

控制电路控制定子电枢绕组的电流，包括控制幅值、电压、步长、步距等，控制定子极对数变极。电源采用成熟技术。控制电路采用成熟技术。

传动轴输出机械动力，传动轴分为左传动轴和右传动轴，调磁环机械连接左传动轴作为一个输出端，转子机械连接右传动轴作为另一个输出端，定子电枢绕组电路通过控制电路电路连接电源，本实施例是双输出端可在同步运动关系和差速关系之间切换的调磁电机。所述传动轴是机械动力向动力使用机构输出的外部件。电机的三个转动部件是定子电枢磁场、调磁环和转子，定子电枢磁场是无形转动，调磁环和转子是机械转动。与相等关系对应，定子电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成同步运动关系：定子电枢磁场转速=转子转速=调磁环转速；定子电枢磁场每一步向前转动22.5度，双输出端每一步均向前转动22.5度。与调磁匹配关系对应，定子电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成调磁运动关系：定子极对数4*定子电枢磁场转速=转子极对数2*转子转速+调磁块数2*调磁环转速；定子电枢磁场每一步向前转动22.5度，每一步双输出端平均向前转动22.5度，调磁环转速的减量就是转子转速的增量。三个转动部件的力矩也是互动的。

如果该电机的定子铁芯不变，定子电枢绕组轭绕组改为流通二相交流电，方法是：当双输出端需要同步运动关系时，十六段轭绕组顺时针依次分别流通+a相、+a相、+b相、+b相、-a相、-a相、-b相、-b相、+a相、+a相、+b相、+b相、-a相、-a相、-b相和-b相的二相交流电，形成转动电枢磁场，磁场转动方向为顺时针，定子极对数为2。当双输出端需要差速关系时，十六段轭绕组顺时针依次分别流通+a相、+b相、-a相、-b相、+a相、+b相、-a相、-b相、+a相、+b相、-a相、-b相、+a相、+b相、-a相和-b相的二相交流电，形成转动电枢磁场，磁场转动方向为顺时针，定子极对数为4。控制电路相应调整为二相交流电的控制电路，控制电枢绕组流通电流的幅值、电压、频率、相位、相序，控制定子极对数变极；其他调磁环、转子、支承部件和外壳不变；则该电机也是双输出端可以在同步运动关系和差速关系之间切换的调磁电机。当定子极对数切换为2时，调磁环和转子为同步运动关系，二相交流电一个周期，定子电枢磁场转动180度，双输出端均转动180度。当定子极对数切换为4时，调磁环转速和转子转速为差速关系，二相交流电一个周期，定子电枢磁场转动90度，双输出端平均转动90度。

本实施例定子极对数（切换）、调磁块数和转子极对数的组合是（2切换4）/2/2，其他组合例如：（1切换2）/1/1、（3切换6）/3/3、（4切换8）/4/4等，这些组合均可像本实施例一样形成同步差速调磁电机，都属于发明保护范围。

实施例2：同步差速调磁电机二，由定子、调磁环、转子、支承部件、机壳和控制电路组成。参见图2。

定子由定子铁芯和电枢绕组组成，采用成熟技术。定子铁芯具有十二段轭部十二个齿部。电枢绕组采用十二段轭绕组，与电源通过控制电路形成电路连接，流通三相交流电形成电枢磁场。十二段轭绕组顺时针依次布置。电机双输出端需要同步运动关系时，流通三相交流电的方法是：十二段轭绕组顺时针依次分别流通+a相、-c相、+b相、-a相、+c相、-b相、+a相、-c相、+b相、-a相、+c相和-b相的三相交流电，形成转动电枢磁场，磁场转动方向为顺时针，定子极对数为2，参见图2。当双输出端需要差速关系时，十二段轭绕组顺时针依次分别流通+a相、+b相、+c相、+a相、+b相、+c相、+a相、+b相、+c相、+a相、+b相和+c相的三相交流电，形成转动电枢磁场，磁场转动方向为顺时针，定子极对数为4，参见图3。业内人士依此可以推导出电枢磁场向后转动的电枢绕组流通三相交流电的方法。

调磁环由调磁块、绝缘块和环体组成，位于定子与转子之间。是成熟技术。调磁块采用软磁材料硅钢材料，沿调磁环周向均匀布置在环体上，有2块。绝缘块采用低磁导率材料永磁材料，沿调磁环周向均匀布置在调磁块的间隔中，有2块。采用永磁材料的调磁环是单极性式调磁环，其永磁体的磁场方向全部径向向内。环体用于保持调磁块和绝缘块的位置，保持调磁环的形状。调磁环重心与转子轴线重合。调磁环可以机械转动，具有调磁环转速。

转子采用永磁转子，由转子铁芯、转子轴和永磁体组成，是成熟技术。转子可以机械转动，具有转子转速。转子铁芯采用软磁材料硅钢材料，有两个齿部两段轭部。转子轴是成熟技术。永磁体有2块，形成不变的转子极对数2。永磁体采用硬磁材料钕铁硼材料，具有永久励磁。永磁体形成转子极对数的结构形式是表面嵌入式且单极性式。两块永磁体嵌入转子铁芯的两个轭部，永磁体外表面与转子铁芯齿部齐平，内表面与转子铁芯轭部接触形成磁场通路，永磁体侧面设置绝缘体防止漏磁。

切换定子极对数为2，定子极对数、调磁块数和转子极对数形成相等关系：定子极对数2=转子极对数2=调磁块数2。切换定子极对数为4，定子极对数、调磁块数和转子极对数形成调磁匹配关系：定子极对数4=转子极对数2+调磁块数2。

支承部件由轴承和支架等组成。机壳保护电机。均采用成熟技术。

控制电路控制定子电枢绕组的电流，包括控制幅值、电压、频率、相位、相序等，控制定子极对数变极。电源采用成熟技术。控制电路采用成熟技术。

传动轴输出机械动力，传动轴分为左传动轴和右传动轴，调磁环机械连接右传动轴，转子机械连接左传动轴，定子电枢绕组电路通过控制电路电路连接电源，本实施例是双输出端可在同步运动关系和差速关系之间切换的调磁电机，调磁环与右传动轴的机械连接、转子与左传动轴的机械连接参见图5。电机的三个转动部件是定子电枢磁场、调磁环和转子，定子电枢磁场是无形转动，调磁环和转子是机械转动。与相等关系对应，定子电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成同步运动关系：定子电枢磁场转速=转子转速=调磁环转速；三相交流电每一周期，定子电枢磁场向前转动180度，双输出端均向前转动180度。与调磁匹配关系对应，定子电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成调磁运动关系：定子极对数4*定子电枢磁场转速=转子极对数2*转子转速+调磁块数2*调磁环转速；三相交流电每一周期，定子电枢磁场向前转动90度，双输出端平均向前转动90度，调磁环转速的减量就是转子转速的增量。三个转动部件的力矩也是互动的。

如果调磁环采用无永磁调磁环，即绝缘块采用环氧树脂材料，调磁块和环体不变，就可以节约永磁材料。该电机的功能不变，转矩等性能略有下降。参见图4。

本实施例定子极对数（切换）、调磁块数和转子极对数的组合是（2切换4）/2/2，其他组合例如：（1切换2）/1/1、（3切换6）/3/3、（4切换8）/4/4等，这些组合均可像本实施例一样形成同步差速调磁电机，都属于发明保护范围。

以上各实施例中，未显示定子的极弧、齿宽、齿高（极高）、齿形、轭厚度、线径、匝数、调磁环的详细性质和转子的详细性质等指标，对这些指标的优化选取均采用成熟技术。各实施例定子电枢绕组主要为轭绕组，电枢绕组改采用齿部绕组的方法已有先例，参见2022年3月申报发明的《双变极双馈异步电机》。