一种无级变速磁齿轮的制作方法

1.本发明涉及无级变速技术领域，更具体地，涉及一种无级变速磁齿轮以及一种利用无级变速磁齿轮对负载进行驱动的方法。


背景技术：

2.最早的磁齿轮诞生于上世纪初，但因传动效率低未引起重视，之后近百年的时间里，磁齿轮的研究和应用进展缓慢。2001年，英国谢菲尔德大学的k.atallah和d.howe首次提出了一种基于磁场调制原理的同心式磁力齿轮，由此使磁齿轮的研究和应用进入新的阶段。新型磁齿轮具有转矩密度大、无润滑、可靠性高、寿命长、噪声小等显著优点，在电力传动和新型电机设计方面具有广阔的应用前景。不过由于磁齿轮传动比固定，在需要进行变速调节的场合，其应用受到一定的限制。
3.当前，随着社会对环保和节能要求的日益提高，工业和民用领域电机的变速运行已非常普遍。目前交流电机的调速通常采用变频器实现，但变频器尤其是高压变频器价格较高，调速成本较大，且由此带来的谐波危害也不可小视。近年来，利用较小变频器容量实现交流电机调速的无刷双馈电机引起了研究者的持续关注，但其结构设计还有待进一步完善，比如损耗较大，磁场级数转化率不高等缺点。
4.因此，需要一种技术，以实现磁齿轮的无级变速。


技术实现要素：

5.本发明技术方案提供一种无级变速磁齿轮以及一种利用无级变速磁齿轮对负载进行驱动的，以解决电机的无级变速控制问题。
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种无级变速磁齿轮，所述磁齿轮由内层至外层依次包括：内转子磁极、调磁磁环、定子铁芯以及定子绕组；
7.当负载为低转速大转矩类型的负载时，驱动电机与所述内转子磁极相连接，负载与所述调磁磁环相连接；
8.当负载为高转速小转矩类型的负载时，驱动电机与所述调磁磁环相连接，负载与所述内转子磁极相连接；
9.根据负载的需求转速调节范围确定所述调磁磁环的铁块个数、所述内转子磁极的极对数、所述定子铁芯的槽数以及所述定子绕组的极对数，获取所述磁齿轮的初始传动比。
10.优选地，包括：
11.当所述内转子磁极的极对数为p1，所述调磁磁环上的铁块个数为n，外层定子绕组通电后极对数p2＝n
‑
p1；
12.所述定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波，空间谐波的极对数p
mk
＝|mp1 kn|，其中m＝1，3，5...，∞；k＝0，
±
1，
±
2，
±
3，...，
±
∞，所述定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波中各谐波的磁场机械旋转角速度为：
[0013][0014]
所述磁齿轮的工作磁场是当m＝1，k＝
‑
1对应的谐波，工作磁场的极对数为n
‑
p1，ω
r
表示所述磁齿轮内转子磁极的机械转速，ω
s
为调磁磁环的机械转速；，为产生恒定的转矩，所述定子绕组的极对数p2＝n
‑
p1；
[0015]
假设定子磁场机械角速度为ω
c
，则：
[0016][0017]
当定子绕组通直流电时，工作磁场静止不动，ω
c
＝0，所述调磁磁环与内转子磁极同方向旋转，且ω
r
/ω
s
＝n/p1；
[0018]
当定子绕组通入频率为f
c
的正序交流电时，则定子绕组的旋转磁场机械角速度ω
c
＝2πf
c
/(n
‑
p1)。
[0019]
优选地，当负载与所述内转子磁极相连接时，所述负载的机械角速度为：
[0020][0021]
当负载与所述调磁磁环相连接时，所述负载的机械角速度为：
[0022][0023]
优选地，当负载与所述内转子磁极相连接时，所述定子铁芯通入正序交流电时所述负载转速降低；当改变所述定子绕组交流电的相序时，所述负载转速增加；
[0024]
当负载与所述调磁磁环相连接时，所述定子铁芯通入正序交流电时所述负载转速增加；当改变所述定子绕组交流电的相序时，所述负载转速降低。
[0025]
优选地，还包括：
[0026]
变频器和所述调磁磁环传递给磁齿轮的所述内转子磁极的功率等于所述调磁磁环和所述变频器旋转磁场功率之和；同时，磁齿轮的所述内转子磁极的输出转矩等于所述变频器和所述调磁磁环输出的电磁转矩之和，获取功率平衡公式：
[0027]
p
r
＝p
s
p
c
＝t
s
ω
s
t
c
ω
c
＝(t
s
t
c
)ω
r
[0028]
其中p
r
表示磁齿轮的所述内环子磁极传递给负载的机械功率，p
s
表示所述调磁磁环输出的机械功率，p
c
表示变频器输出的机械功率，t
s
表示所述调磁磁环传递给所述内转子磁极的转矩，t
c
表示变频器传递给所述内转子磁极的转矩。
[0029]
优选地，还包括：
[0030]
将负载与内转子相连接时负载端机械角速度代入所述功率平衡公式，
[0031]
[0032]
假设变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
(即驱动电机输出的机械功率)之比为k
p
，则：
[0033][0034]
由上式可知，当ω
c
与ω
s
转向相同时k
′
p
为负，当ω
c
与ω
s
转向相反时k
′
p
为正，将k
′
p
p1ω
r
＝(n
‑
p1)ω
c
，代入将负载与内转子相连接时负载端机械角速度的计算公式，获取负载端机械角速度：
[0035][0036]
由上式知，当变频器不输出机械功率时，即所述定子绕组通入直流电时，ω
c
＝0，内转子磁极转速ω
r0
＝nω
s
/p1；
[0037]
对于负载与内转子相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
p
以及负载的机械角速度ω
r
的计算公式可知，当所述定子绕组交流电流产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向(即驱动电机转向)相同时，k
p
为负值，内转子磁极的负载转速低于ω
r0
，此时变频器向电源馈入电能；当定子绕组交流电产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向相反时，k
p
为正，内转子磁极的负载转速高于ω
r0
，变频器从电源吸收电能；
[0038]
当负载与所述内转子磁极相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相同时，通过变频器向电源馈入电能，使得所述负载转速降低；
[0039]
当负载与所述内转子磁极相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相反时，通过变频器从电源吸收电能，使得所述负载转速升高。
[0040]
若负载与调磁磁环相连，则变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
′
p
表示为：
[0041][0042]
由上式可知，当ω
c
与ω
r
转向相同时k
′
p
为正，当ω
c
与ω
r
转向相反时k
′
p
为负，将k
′
p
p1ω
r
＝(n
‑
p1)ω
c
代入负载与所述调磁磁环相连接时，所述负载的机械角速度的计算公式，负载转速为：
[0043][0044]
对于负载与调磁磁环相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
′
p
以及负载的机械角速度ω
s
的计算公式可知，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场ω
c
与所述内转子磁极的磁场ω
r
转向(即驱动电机转向)相同时，k
′
p
为正，变频器从电源吸收电能，负载转速增加；当所述定子绕组产生的旋转磁场ω
c
与所述内转子磁极的磁场ω
r
转向相反时，k
′
p
为负，变频器向电源馈入电能，负载转速降低。
[0045]
当负载与所述调磁磁环相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相同时，通过变频器从电源吸收电能，使得所述负载转速升高；当负载与所
述调磁磁环相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相反时，通过变频器向电源馈入电能，使得所述负载转速降低。
[0046]
基于本发明的另一方面，本发明提供一种利用无级变速磁齿轮对负载进行驱动的方法，所述方法包括：
[0047]
建立由内层至外层依次包括：内转子磁极、调磁磁环、定子铁芯以及定子绕组的磁齿轮；
[0048]
当负载为低转速大转矩类型的负载时，驱动电机与所述内转子磁极相连接，负载与所述调磁磁环相连接；
[0049]
当负载为高转速小转矩类型的负载时，驱动电机与所述调磁磁环相连接，负载与所述内转子磁极相连接；
[0050]
根据负载的需求转速调节范围确定所述调磁磁环的铁块个数、所述内转子磁极的极对数、所述定子铁芯的槽数以及所述定子绕组的极对数，获取所述磁齿轮的初始传动比。
[0051]
优选地，包括：
[0052]
当所述内转子磁极的极对数为p1，所述调磁磁环上的铁块个数为n，外层定子绕组通电后极对数p2＝n
‑
p1；
[0053]
所述定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波，空间谐波的极对数p
mk
＝|mp1 kn|，其中m＝1，3，5...，∞；k＝0，
±
1，
±
2，
±
3，...，
±
∞，所述定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波中各谐波的磁场机械旋转角速度为：
[0054][0055]
所述磁齿轮的工作磁场是当m＝1，k＝
‑
1对应的谐波，工作磁场的极对数为n
‑
p1，ω
r
表示所述磁齿轮内转子磁极的机械转速，ω
s
为调磁磁环的机械转速；，为产生恒定的转矩，所述定子绕组的极对数p2＝n
‑
p1；
[0056]
假设定子磁场机械角速度为ω
c
，则：
[0057][0058]
当定子绕组通直流电时，工作磁场静止不动，ω
c
＝0，所述调磁磁环与内转子磁极同方向旋转，且ω
r
/ω
s
＝n/p1；
[0059]
当定子绕组通入频率为f
c
的正序交流电时，则定子绕组的旋转磁场机械角速度ω
c
＝2πf
c
/(n
‑
p1)。
[0060]
优选地，当负载与所述内转子磁极相连接时，所述负载的机械角速度为：
[0061][0062]
当负载与所述调磁磁环相连接时，所述负载的机械角速度为：
[0063][0064]
优选地，当负载与所述内转子磁极相连接时，所述定子铁芯通入正序交流电时所述负载转速降低；当改变所述定子绕组交流电的相序时，所述负载转速增加；
[0065]
当负载与所述调磁磁环相连接时，所述定子铁芯通入正序交流电时所述负载转速
增加；当改变所述定子绕组交流电的相序时，所述负载转速降低。
[0066]
优选地，还包括：
[0067]
变频器和所述调磁磁环传递给磁齿轮的所述内转子磁极的功率等于所述调磁磁环和所述变频器旋转磁场功率之和；同时，磁齿轮的所述内转子磁极的输出转矩等于所述变频器和所述调磁磁环输出的电磁转矩之和，获取功率平衡公式：
[0068]
p
r
＝p
s
p
c
＝t
s
ω
s
t
c
ω
c
＝(t
s
t
c
)ω
r
[0069]
其中p
r
表示磁齿轮的所述内环子磁极传递给负载的机械功率，p
s
表示所述调磁磁环输出的机械功率，p
c
表示变频器输出的机械功率，t
s
表示所述调磁磁环传递给所述内转子磁极的转矩，t
c
表示变频器传递给所述内转子磁极的转矩。
[0070]
优选地，还包括：
[0071]
将负载与内转子相连接时负载端机械角速度代入所述功率平衡公式，
[0072][0073]
假设变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
之比为k
p
，则：
[0074][0075]
由上式可知，当ω
c
与ω
s
转向相同时k
p
为负，当ω
c
与ω
s
转向相反时k
p
为正，将k
p
nω
s
＝
‑
(n
‑
p1)ω
c
，代入将负载与内转子相连接时负载端机械角速度的计算公式，获取负载端机械角速度：
[0076][0077]
由上式知，当变频器不输出机械功率时，即所述定子绕组通入直流电时，ω
c
＝0，内转子磁极转速ω
r0
＝nω
s
/p1；
[0078]
对于负载与内转子相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
p
以及负载的机械角速度ω
r
的计算公式可知，当所述定子绕组交流电流产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向(即驱动电机转向)相同时，k
p
为负值，内转子磁极的负载转速低于ω
r0
，此时变频器向电源馈入电能；当定子绕组交流电产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向相反时，k
p
为正，内转子磁极的负载转速高于ω
r0
，变频器从电源吸收电能；
[0079]
当负载与所述内转子磁极相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相同时，通过变频器向电源馈入电能，使得所述负载转速降低；
[0080]
当负载与所述内转子磁极相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相反时，通过变频器从电源吸收电能，使得所述负载转速升高。
[0081]
若负载与调磁磁环相连，则变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率
p
r
之比k
′
p
表示为：
[0082][0083]
由上式可知，当ω
c
与ω
r
转向相同时k
′
p
为正，当ω
c
与ω
r
转向相反时k
′
p
为负，将k
′
p
p1ω
r
＝(n
‑
p1)ω
c
代入负载与所述调磁磁环相连接时，所述负载的机械角速度的计算公式，负载转速为：
[0084][0085]
对于负载与调磁磁环相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
′
p
以及负载的机械角速度ω
s
的计算公式可知，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场ω
c
与所述内转子磁极的磁场ω
r
转向(即驱动电机转向)相同时，k
′
p
为正，变频器从电源吸收电能，负载转速增加；当所述定子绕组产生的旋转磁场ω
c
与所述内转子磁极的磁场ω
r
转向相反时，k
′
p
为负，变频器向电源馈入电能，负载转速降低。
[0086]
当负载与所述调磁磁环相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相同时，通过变频器从电源吸收电能，使得所述负载转速升高；当负载与所述调磁磁环相连接时，当所述定子绕组的电流产生的旋转磁场与所述驱动电机的转向相反时，通过变频器向电源馈入电能，使得所述负载转速降低。
[0087]
本发明利用新型磁齿轮的磁场调制原理和电机的变频变速控制策略，提出了一种可实现无级变速的磁齿轮设计方案。本发明提供一种无级变速磁齿轮，磁齿轮由内层至外层依次包括：内转子磁极、调磁磁环、定子铁芯以及定子绕组；当负载为低转速大转矩类型的负载时，驱动电机与内转子磁极相连接，负载与调磁磁环相连接；当负载为高转速小转矩类型的负载时，驱动电机与调磁磁环相连接，负载与内转子磁极相连接；根据负载的需求转速调节范围确定调磁磁环的铁块个数、内转子磁极的极对数、定子铁芯的槽数以及定子绕组的极对数，获取磁齿轮的初始传动比。
附图说明
[0088]
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
[0089]
图1为根据本发明优选实施方式的无级变速磁齿轮结构示意图；
[0090]
图2为根据本发明优选实施方式的无级变速磁齿轮内部结构示意图；以及
[0091]
图3为根据本发明优选实施方式的一种利用无级变速磁齿轮对负载进行驱动的方法流程图。
具体实施方式
[0092]
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附
图标记。
[0093]
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0094]
图1为根据本发明优选实施方式的无级变速磁齿轮结构示意图。如图1所示，本发明提供一种能够实现电机无级变速运行的磁齿轮，
[0095]
如图1所示，本发明提供一种无级变速磁齿轮，磁齿轮由内层至外层依次包括：内转子磁极2、调磁磁环1、定子铁芯4以及定子绕组5；当负载为低转速大转矩类型的负载时，驱动电机与内转子磁极相连接，负载与调磁磁环相连接；当负载为高转速小转矩类型的负载时，驱动电机与调磁磁环相连接，负载与内转子磁极相连接；根据负载的需求转速调节范围确定调磁磁环的铁块个数、内转子磁极的极对数、定子铁芯的槽数以及定子绕组的极对数，获取磁齿轮的初始传动比。
[0096]
本发明实施方式中将新型磁磁齿轮中的一个永磁磁极磁齿轮用电励磁代替，此磁极保持静止不变；另外一个永磁磁极磁齿轮和调磁磁环为旋转部件，分别与驱动电机和负载相连。当电励磁通入直流电时，驱动端和负载端旋转部件保持固定的转速比，当电励磁通不同频率的正、负序交流电时，负载端的旋转转速会随着交流电的频率发生连续的变化。如图1所示，驱动电机与调磁磁环刚性连接，水泵、风机等负载与内转子刚性连接，最外层为定子铁芯和绕组；其中1为调磁磁环，2为内转子磁极，3为负载侧轴承，4为定子外壳，5为定子绕组，6为驱动端轴承，7为变频器。当负载为低转速大转矩负载时，驱动电机与内转子连接，负载与调磁磁环相连；反之当负载为高转速小转矩负载时，驱动电机与调磁磁环相连，负载与内转子相连。
[0097]
优选地，当内转子磁极的极对数为p1，调磁磁环上的铁块个数为n，外层定子绕组通电后极对数p2＝n
‑
p1；
[0098]
定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波，空间谐波的极对数p
mk
＝|mp1 kn|，其中m＝1，3，5...，∞；k＝0，
±
1，
±
2，
±
3，...，
±
∞，定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波中各谐波的磁场机械旋转角速度为：
[0099][0100]
磁齿轮的工作磁场是当m＝1，k＝
‑
1对应的谐波，工作磁场的极对数为n
‑
p1，ω
r
表示磁齿轮内转子磁极的机械转速，ω
s
为调磁磁环的机械转速；，为产生恒定的转矩，定子绕组的极对数p2＝n
‑
p1；
[0101]
假设定子磁场机械角速度为ω
c
，则：
[0102][0103]
当定子绕组通直流电时，工作磁场静止不动，ω
c
＝0，调磁磁环与内转子磁极同方向旋转，且ω
r
/ω
s
＝n/p1；
[0104]
当定子绕组通入频率为f
c
的正序交流电时，则定子绕组的旋转磁场机械角速度ω
c
＝2πf
c
/(n
‑
p1)。
[0105]
假设内层转子的极对数为p1，调磁磁环上的调磁磁铁个数为n，外层定子绕组通电
后极对数p2＝n
‑
p1。
[0106]
根据磁磁齿轮的工作原理，经调磁磁环后，靠近定子侧的气隙磁场中包含大量空间谐波，这些谐波的极对数p
mk
＝|mp kn|，其中m＝1，3，5...，∞；k＝0，
±
1，
±
2，
±
3，...，
±
∞。靠近定子侧气隙的各谐波磁场机械旋转角速度
[0107][0108]
磁齿轮的工作磁场是当m＝1，k＝
‑
1对应的谐波，该磁场极对数为n
‑
p1，ω
r
表示磁齿轮内转子的机械转速，ω
s
表示调磁磁环的机械转速。因此，为产生恒定的转矩，定子绕组极对数p2＝n
‑
p1。假设定子磁场机械角速度为ω
c
，则由(1)可得：
[0109][0110]
当定子绕组通直流电时，其磁场静止不动，ω
c
＝0，此时调磁磁环与内转子同方向旋转，且ω
r
/ω
s
＝n/p1。当定子绕组通入频率为fc的正序交流电时，则定子旋转磁场机械角速度ω
c
＝2πf
c
/(n
‑
p1)。
[0111]
优选地，当负载与内转子磁极相连接时，负载的机械角速度为：
[0112][0113]
当负载与调磁磁环相连接时，负载的机械角速度为：
[0114][0115]
优选地，当负载与内转子磁极相连接时，定子铁芯通入正序交流电时负载转速降低；当改变定子绕组交流电的相序时，负载转速增加；
[0116]
当负载与调磁磁环相连接时，定子铁芯通入正序交流电时负载转速增加；当改变定子绕组交流电的相序时，负载转速降低。
[0117]
本发明中若负载与内转子相连，则负载端机械角速度：
[0118][0119]
若负载与调磁磁环相连，则负载端机械角速度：
[0120][0121]
由(3)可见，当负载与内转子相连时，定子通入正序交流电时负载转速降低。当改变定子绕组交流电的相序，相当于将f＝
‑
f
c
代入(3)，此时负载转速会增加。对负载与调磁磁环相连的情况，则定子通电相序对负载转速的影响则正好相反。
[0122]
优选地，还包括：
[0123]
变频器和调磁磁环传递给磁齿轮的内转子磁极的功率等于调磁磁环和变频器旋转磁场功率之和；同时，磁齿轮的内转子磁极的输出转矩等于变频器和调磁磁环输出的电磁转矩之和，获取功率平衡公式：
[0124]
p
r
＝p
s
p
c
＝t
s
ω
s
t
c
ω
c
＝(t
s
t
c
)ω
r
[0125]
其中p
r
表示磁齿轮的内环子磁极传递给负载的机械功率，p
s
表示调磁磁环输出的
机械功率，p
c
表示变频器输出的机械功率，t
s
表示调磁磁环传递给内转子磁极的转矩，t
c
表示变频器传递给内转子磁极的转矩。
[0126]
优选地，还包括：
[0127]
将负载与内转子相连接时负载端机械角速度代入功率平衡公式，
[0128][0129]
假设变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
之比为k
p
，则：
[0130][0131]
由上式可知，当ω
c
与ω
s
转向相同时k
p
为负，当ω
c
与ω
s
转向相反时k
p
为正，将k
p
nω
s
＝
‑
(n
‑
p1)ω
c
，代入将负载与内转子相连接时负载端机械角速度的计算公式，获取负载端机械角速度：
[0132][0133]
由上式知，当变频器不输出机械功率时，即定子绕组通入直流电时，ω
c
＝0，内转子磁极转速ω
r0
＝nω
s
/p1；
[0134]
对于负载与内转子相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
p
以及负载的机械角速度ω
r
的计算公式可知，当定子绕组交流电流产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向(即驱动电机转向)相同时，k
p
为负值，内转子磁极的负载转速低于ω
r0
，此时变频器向电源馈入电能；当定子绕组交流电产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向相反时，k
p
为正，内转子磁极的负载转速高于ω
r0
，变频器从电源吸收电能；
[0135]
当负载与内转子磁极相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相同时，通过变频器向电源馈入电能，使得负载转速降低；
[0136]
当负载与内转子磁极相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相反时，通过变频器从电源吸收电能，使得负载转速升高。
[0137]
若负载与调磁磁环相连，则变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
之比k
′
p
表示为：
[0138][0139]
由上式可知，当ω
c
与ω
r
转向相同时k
′
p
为正，当ω
c
与ω
r
转向相反时k
′
p
为负，将k
′
p
p1ω
r
＝(n
‑
p1)ω
c
代入负载与调磁磁环相连接时，负载的机械角速度的计算公式，负载转速为：
[0140][0141]
对于负载与调磁磁环相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
′
p
以及负载的机械角速度ω
s
的计算公式可知，当定子绕组的电流产生的旋转磁场ω
c
与内转子磁极的磁场ω
r
转向(即驱动电机转向)相同时，k
′
p
为正，变频器从电源吸收电能，负载转速增加；当定子绕组产生的旋转磁场ω
c
与内转子磁极的磁场ω
r
转向相反时，k
′
p
为负，变频器向电源馈入电能，负载转速降低。
[0142]
当负载与调磁磁环相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相同时，通过变频器从电源吸收电能，使得负载转速升高；当负载与调磁磁环相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相反时，通过变频器向电源馈入电能，使得负载转速降低。
[0143]
本发明以负载与磁齿轮内转子相连为例，若忽略磁齿轮的损耗，则由变频器和调磁磁环传递给磁齿轮内转子的功率等于调磁磁环和变频器旋转磁场功率之和；同时，磁齿轮内转子输出转矩等于变频器和调磁磁环输出的电磁转矩之和，由此可得：
[0144]
p
r
＝p
s
p
c
＝t
s
ω
s
t
c
ω
c
＝(t
s
t
c
)ω
r
ꢀꢀ
(5)
[0145]
式(5)中p
r
表示磁齿轮内环传递给负载的机械功率，p
s
表示调磁磁环输出的机械功率，p
c
表示变频器输出的机械功率，t
s
表示调磁磁环传递给内转子的转矩，t
c
表示变频器传递给内转子的转矩。
[0146]
将(3)代入(5)可得：
[0147][0148]
假设变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
之比为k
p
，则：
[0149][0150]
由(7)可知，当ω
c
与ω
s
转向相同时k
p
为负，当ω
c
与ω
s
转向相反时k
p
为正。将k
p
nω
s
＝
‑
(n
‑
p1)ω
c
，将其代入(3)可得负载转速：
[0151][0152]
由此可知，当变频器不输出机械功率时，即外环定子绕组通入直流电时，ω
c
＝0，内环转速ω
r0
＝nω
s
/p1。当外环定子绕组交流电流产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向相同时，k
p
为负值，内环转速(负载转速)低于ω
r0
，此时变频器向电源馈入电能；当外环定子绕组交流电产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向相反时，k
p
为正，内环转速(负载转速)高于ω
r0
，变频器从电源吸收电能。
[0153]
若负载与调磁磁环相连，则变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
之比k
′
p
可以表示如下：
[0154][0155]
由(10)可知，当ω
c
与ω
r
转向相同时k
′
p
为正，当ω
c
与ω
r
转向相反时k
′
p
为负。将k
′
p
p1ω
r
＝(n
‑
p1)ω
c
代入(4)可得负载转速：
[0156][0157]
由(10)、(11)可知，对于负载与调磁磁环相连的情况，当外环定子绕组电流产生的旋转磁场ω
c
与内环磁场ω
r
转向相同时，变频器从电源吸收电能，k
p
为正，负载转速增加；当外环定子绕组产生的旋转磁场ω
c
与内环磁场ω
r
转向相反时，变频器向电源馈入电能，k
p
为负，负载转速降低。
[0158]
由(9)、(10)还可以看出，无级变速磁齿轮的调速范围与变频器容量成正比。不考虑驱动电机的损耗，当变频器容量为驱动电机容量的20％时，k
p
≈20％，无级变速磁齿轮的调速范围约为80％～120％额定转速。由于
±
20％的调速范围已经能满足大多数工业负荷的调速要求，因此本发明可以大幅降低变频器的容量，从而显著降低调速成本和变频器谐波污染。同时，由于变频器容量的降低，对于一定容量范围内的高压大型电机，可以采用无级变速磁齿轮 20％容量低压变频器代替全容量高压变频器的方式实现电机调速，考虑到高低压变频器单价的巨大差异，本发明的经济效益更加显著。
[0159]
本发明可以实现磁齿轮传动比的连续变化，克服传统磁齿轮只能提供固定传动比的不足。本发明中所用的变频器容量约为传统变频调速所用变频器容量的1/4～1/5，显著降低变频调速成本和谐波污染。本发明可以用低单价小容量的低压变频器代替高单价全容量的高压变频器实现一定容量范围内高压大型电动机的变频调速，经济效益更加显著。
[0160]
本发明对无级变速磁齿轮的结构原理进行举例说明。
[0161]
若负载为大转矩低转速负荷，则可将调磁磁环与负载相连，驱动电机与内环转子相连；若负载为小转矩高转速负荷，则将调磁磁环与驱动电机相连，负载与内环转子相连。同时，根据负荷所需的转速调节范围选择合理的调磁铁块个数和内转子极对数，确定磁齿轮初始传动比。
[0162]
假设负载正常调速范围为500
‑
700rpm，本发明设计一个如图2所示的无级变速磁齿轮。该磁齿轮内转子22对极、调磁铁块27块，外定子槽数60，绕组分上下两层布置，5对极。图2中1为内转子磁极，2为调磁铁块，3为定子铁心，4为定子绕组。定子每极每相槽数为2，短距系数5/6。
[0163]
本发明考虑到调速范围为500
‑
700rpm，因此在初始传动比的情况下负载转速在600rpm左右比较合适。若将驱动电机与内环转子相连，负载与调磁磁环相连，则由初始传动比情况下负载转速22n0/27约600rpm可知，选择4对极的驱动电机(额定转速约750rpm)比较合适。若将负载与内环转子相连，驱动电机与调磁磁环相连，则由27n0/22接近600rpm的原则可知，选择额定转速约500rpm的6对极驱动电机比较合适。
[0164]
本发明以驱动电机与内环转子相连为例，若驱动电机为4对极的异步电机，额定转差率2％，则其额定转速约735rpm。驱动电机与内环转子相连时，当定子绕组通入直流电时，负载转速约735*22/27≈599rpm。当采用转速表示时，(4)可表示如下：
[0165][0166]
式(12)中n
s
表示负载转速，n
r
表示驱动电机转速，n
c
表示磁齿轮定子旋转磁场转速，f
c
表示变频器输出频率。当外环定子绕组电流产生的磁场转向与内环转子转向(或负载转向)相同时，电网向变频器供电，f
c
为正；当外环定子绕组电流产生的磁场转向与内环转子转向(或负载转向)相反时，变频器向电源馈电，f
c
为负。调速的具体过程如下：
[0167]
当外环电流通入直流电时，负载转速约为599rpm；若要增加负载转速，则按照a、b、c的相序通过变频器向外环定子绕组通入一定频率的交流电，此交流电产生的旋转磁场ω
c
与内环转子转向ω
r
(或负载转向ω
s
)相同，由磁齿轮转速关系式(4)可知，负载转速ω
s
将增加，增加的幅度与通电频率成正比。
[0168]
若要降低负载转速，则可先将外环绕组断电，此时由于外环定子磁场消失，电磁耦合破坏，内环转子的转矩无法有效传递到负载上，由此导致负载转速下降，内环转子转速稍有上升。此时内转子磁场在外环产生的磁场转速如(1)所示，其工作谐波(m＝1，k＝
‑
1)转速如(2)所示，由于ω
s
降低和ω
r
的上升，工作谐波ω
c
磁场转向与与内环转子转向ω
r
(或负载转向ω
s
)相反，此反向旋转的磁场将在外环定子绕组中感应出负序的感应电动势。此时通过控制方式的调整，将与外环定子绕组相连的变频器逆变侧变为整流侧，而与电源相连的整流侧变为逆变侧，外环定子绕组作为发电机向电源馈电。通过控制逆变侧电流的频率，达到调节负载转速的目的。
[0169]
根据本方案的设计，磁齿轮定子绕组内通入直流电时，负载转速约为599rpm。当磁齿轮定子绕组交流电频率在
‑
44.55hz～45.45hz之间连续调节时，负载转速在500rpm～700rpm之间连续变化。由(10)可知，若变频器容量为驱动电机额定容量的20％，则本发明的调速范围约为479～719rpm。
[0170]
图3为根据本发明优选实施方式的一种利用无级变速磁齿轮对负载进行驱动的方法流程图。如图3所示，本发明提供一种利用无级变速磁齿轮对负载进行驱动的方法，方法包括：
[0171]
步骤301：建立由内层至外层依次包括：内转子磁极、调磁磁环、定子铁芯以及定子绕组的磁齿轮；
[0172]
步骤302：当负载为低转速大转矩类型的负载时，驱动电机与内转子磁极相连接，负载与调磁磁环相连接；
[0173]
步骤303：当负载为高转速小转矩类型的负载时，驱动电机与调磁磁环相连接，负载与内转子磁极相连接；
[0174]
步骤304：根据负载的需求转速调节范围确定调磁磁环的铁块个数、内转子磁极的极对数、定子铁芯的槽数以及定子绕组的极对数，获取磁齿轮的初始传动比。
[0175]
优选地，包括：
[0176]
当内转子磁极的极对数为p1，调磁磁环上的铁块个数为n，外层定子绕组通电后极对数p2＝n
‑
p1；
[0177]
定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波，空间谐波的极对数p
mk
＝|mp1 kn|，其中m＝1，3，5...，∞；k＝0，
±
1，
±
2，
±
3，...，
±
∞，定子铁芯侧的气隙磁场中包含空间谐波中各谐波的磁场机械旋转角速度为：
[0178][0179]
磁齿轮的工作磁场是当m＝1，k＝
‑
1对应的谐波，工作磁场的极对数为n
‑
p1，ω
r
表示磁齿轮内转子磁极的机械转速，ω
s
为调磁磁环的机械转速；，为产生恒定的转矩，定子绕组的极对数p2＝n
‑
p1；
[0180]
假设定子磁场机械角速度为ω
c
，则：
[0181][0182]
当定子绕组通直流电时，工作磁场静止不动，ω
c
＝0，调磁磁环与内转子磁极同方向旋转，且ω
r
/ω
s
＝n/p1；
[0183]
当定子绕组通入频率为f
c
的正序交流电时，则定子绕组的旋转磁场机械角速度ω
c
＝2πf
c
/(n
‑
p1)。
[0184]
优选地，当负载与内转子磁极相连接时，负载的机械角速度为：
[0185][0186]
当负载与调磁磁环相连接时，负载的机械角速度为：
[0187]
。
[0188][0189]
优选地，当负载与内转子磁极相连接时，定子铁芯通入正序交流电时负载转速降低；当改变定子绕组交流电的相序时，负载转速增加；
[0190]
当负载与调磁磁环相连接时，定子铁芯通入正序交流电时负载转速增加；当改变定子绕组交流电的相序时，负载转速降低。
[0191]
优选地，还包括：
[0192]
变频器和调磁磁环传递给磁齿轮的内转子磁极的功率等于调磁磁环和变频器旋转磁场功率之和；同时，磁齿轮的内转子磁极的输出转矩等于变频器和调磁磁环输出的电磁转矩之和，获取功率平衡公式：
[0193]
p
r
＝p
s
p
c
＝t
s
ω
s
t
c
ω
c
＝(t
s
t
c
)ω
r
[0194]
其中p
r
表示磁齿轮的内环子磁极传递给负载的机械功率，p
s
表示调磁磁环输出的机械功率，p
c
表示变频器输出的机械功率，t
s
表示调磁磁环传递给内转子磁极的转矩，t
c
表示变频器传递给内转子磁极的转矩。
[0195]
优选地，还包括：
[0196]
将负载与内转子相连接时负载端机械角速度代入功率平衡公式，
[0197]
[0198]
假设变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
之比为k
p
，则：
[0199][0200]
由上式可知，当ω
c
与ω
s
转向相同时k
p
为负，当ω
c
与ω
s
转向相反时k
p
为正，将k
p
nω
s
＝
‑
(n
‑
p1)ω
c
，代入将负载与内转子相连接时负载端机械角速度的计算公式，获取负载端机械角速度：
[0201][0202]
由上式知，当变频器不输出机械功率时，即定子绕组通入直流电时，ω
c
＝0，内转子磁极转速ω
r0
＝nω
s
/p1；
[0203]
对于负载与内转子相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与调磁磁环输出的机械功率p
s
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
p
以及负载的机械角速度ω
r
的计算公式可知，当定子绕组交流电流产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向(即驱动电机转向)相同时，k
p
为负值，内转子磁极的负载转速低于ω
r0
，此时变频器向电源馈入电能；当定子绕组交流电产生的旋转磁场ω
c
与调磁磁环ω
s
转向相反时，k
p
为正，内转子磁极的负载转速高于ω
r0
，变频器从电源吸收电能；
[0204]
当负载与内转子磁极相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相同时，通过变频器向电源馈入电能，使得负载转速降低；
[0205]
当负载与内转子磁极相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相反时，通过变频器从电源吸收电能，使得负载转速升高。
[0206]
若负载与调磁磁环相连，则变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
之比k
′
p
表示为：
[0207][0208]
由上式可知，当ω
c
与ω
r
转向相同时k
′
p
为正，当ω
c
与ω
r
转向相反时k
′
p
为负，将k
′
p
p1ω
r
＝(n
‑
p1)ω
c
代入负载与调磁磁环相连接时，负载的机械角速度的计算公式，负载转速为：
[0209][0210]
对于负载与调磁磁环相连的情况，由上述变频器输出的机械功率p
c
与内环转子输出的机械功率p
r
(即驱动电机输出的机械功率)之比k
′
p
以及负载的机械角速度ω
s
的计算公式可知，当定子绕组的电流产生的旋转磁场ω
c
与内转子磁极的磁场ω
r
转向(即驱动电机转向)相同时，k
′
p
为正，变频器从电源吸收电能，负载转速增加；当定子绕组产生的旋转磁场ω
c
与内转子磁极的磁场ω
r
转向相反时，k
′
p
为负，变频器向电源馈入电能，负载转速降低。
[0211]
当负载与调磁磁环相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相同时，通过变频器从电源吸收电能，使得负载转速升高；当负载与调磁磁环相连接时，当定子绕组的电流产生的旋转磁场与驱动电机的转向相反时，通过变频器向电源馈入电能，使得负载转速降低。
[0212]
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0213]
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。