基于单边调磁原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电机的制作方法

螺旋桨的反转螺旋桨相连。
10.优选地，环形绕组定子5包括定子铁心5-2和环形绕组5-1；环形绕组5-1是一个m 相定子绕组，当环形绕组5-1通有m相交流电流时，会产生极对数为ps的轴向电枢磁场， m、ps为正整数。
11.优选地，环形绕组定子5的槽采取半闭口槽的方式沿轴向等齿宽排列，其中两个端部 齿宽是中间齿宽的1/2，定子铁心5-2的半闭口槽的槽口面向永磁转子6，环形绕组5-1 嵌在所述半闭口槽中。
12.优选地，永磁转子6和调制转子7沿电机圆周方向采用单元电机转子的形式，单元电 机数为n，n为正整数；
13.永磁转子6的极对数为n
×
p
pm
，p
pm
为正整数；
14.调制转子7包括n
×
(pm×
p
pm
)个凸起部分7-1和调制转子铁心7-2；调制转子铁心 7-2上设置pm圈、每圈n
×
p
pm
个凸起部分7-1，pm为正整数，pm圈凸起结构沿轴向阵 列排布；
15.同时满足条件ps＝|ip
pm
±
kpm|，其中i、k是正整数。
16.优选地，调制转子7的n
×
(pm×
p
pm
)个凸起部分7-1分成p
pm
个调制组7-4，相邻两 个调制组7-4周向间距为2π/np
pm
；每个调制组7-4包括n个调制单元7-3，一个调制组 中的两个相邻调制单元7-3之间的周向间距为2π/n；沿任意一个调制单元建立a-c坐标 系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；该调制单元pm个凸起部分7-1的中心位置和 尺寸满足以下条件：
[0017][0018]
式中
[0019]
u——该调制单元中第u个凸起部分，且1≤u≤pm，u为整数；
[0020]
l——电机轴向有效长度；
[0021]
α1、α2——凸起部分沿周向和轴向的尺寸系数。
[0022]
优选地，永磁转子6包括永磁体6-1和永磁转子支架6-2，其中永磁体极对数为n
×
p
pm
； n
×
(pm×
2p
pm
)个永磁体6-1沿轴向方向等间距设置pm圈、每圈n
×
2p
pm
个永磁体6-1，pm圈永磁体6-1周向依次错位2π/npm，且周向相邻的两块永磁体6-1的充磁方向相反。
[0023]
优选地，永磁转子6的n
×
(pm×
2p
pm
)个永磁体6-1分成p
pm
个永磁体组6-5，相邻 两个永磁体组6-5周向间距为2π/np
pm
；每个永磁体组6-5包括n个永磁体单元6-4，1 个永磁体组中的两个相邻永磁体单元6-4之间的周向间距为2π/n；1个永磁体单元6-4 由斜向排布的2pm个永磁体6-1构成，且1个永磁体单元6-4斜向等效为1对极，在a-c 坐标系中，第一个永磁体单元pm个n极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
[0024]
[0025]
式中
[0026]
wn——该永磁体单元中周向方向第wn个n极永磁体，且1≤wn≤pm，wn为整数；
[0027]
α3、α4——永磁体沿周向和轴向尺寸系数；
[0028]
同时该永磁体单元pm个s极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
[0029][0030]
式中
[0031]ws
——该永磁体单元中周向方向第ws个s极永磁体，且1≤ws≤pm，ws为整数。
[0032]
优选地，铁心单元6-3为硅钢片或实心铁。永磁转子支架6-2使用不导电材料。
[0033]
优选地，永磁转子6包括n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1、n
×
(pm×
p
pm
)个铁心单元6-3 和永磁转子支架6-2；n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1和n
×
(pm×
p
pm
)个铁心单元6-3沿轴向 方向阵列排布pm圈，每圈n
×
p
pm
个永磁体6-1和n
×
p
pm
个铁心单元6-3沿圆周方向均匀 交错分布；n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1的充磁方向相同；永磁体6-1的充磁方向为径向充 磁；铁心单元6-3和永磁转子支架6-2为硅钢片或实心铁。
[0034]
优选地，还包括机壳4、永磁转子输出法兰轴9-1、永磁转子非输出法兰轴9-2和调 制转子输出轴1；永磁转子输出法兰轴9-1、永磁转子非输出法兰轴9-2和调制转子输出 轴1的轴线重合；永磁转子输出法兰轴9-1与正转螺旋桨相连，调制转子输出轴1与反转 螺旋桨相连；
[0035]
环形绕组定子5固定在机壳4的内圆表面上，调制转子7固定在调制转子输出轴1 上，永磁转子6左右两端分别固定永磁转子输出法兰轴9-1和永磁转子非输出法兰轴9-2， 永磁转子输出法兰轴9-1为空心轴，永磁转子输出法兰轴9-1套设在调制转子输出轴1一 端并与其转动连接，永磁转子输出法兰轴9-1从机壳4的侧端盖伸出，并与机壳4的侧端 盖转动连接；
[0036]
调制转子输出轴1的另一端与永磁转子非输出法兰轴9-2的内端转动连接，并从永 磁转子输出法兰轴9-1的空心轴中伸出；永磁转子非输出法兰轴9-2的外端与机壳4另 一侧端盖转动连接。
[0037]
本发明的有益效果：本发明的基于单边调磁原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子 电机是基于三维磁场调制原理的新型无刷双转子结构电机，方案中没有电刷滑环机构，两 个转轴转速相互独立，转速差可调；同时该方案中，定子仅受轴向力作用，基于角动量守 恒定律两个转子所受的电磁转矩实时大小相等、方向相反，避免双转子同步控制困难的问 题。因此，本发明特别适合应用于安装对转螺旋桨推进系统的水下无人航行器领域。
[0038]
本发明电机以磁场调制原理为基础进行工作，与中国专利cn112510953a中提及的 基于单边调磁原理的横向错位无刷双转子电机相比，调制转子的凸起部分排布方式不同； 永磁转子的永磁体个数和排布方式也完全不同；本发明电机的永磁体分段错位排布可以有 效减小永磁体涡流损耗，提高电机效率。
[0039]
本发明电机定子绕组采用环形绕组的形式，该绕组形式无端部，与径向或轴向磁
第3个n极永磁体的尺寸为：c方向上的尺寸为 a方向上的尺寸为
[0065]
同时该永磁体单元pm个s极永磁体的中心位置和尺寸满足以下条件：
[0066][0067]
式中ws——该永磁体单元中周向方向第ws个s极永磁体，且1≤ws≤pm，ws为整数；
[0068]ws
＝1,2,
…
,pm，以ws＝5为例说明，第5个s极永磁体的中心位置为：c方向上的坐标 为a方向上的坐标为a方向上的坐标为第5个s极永磁体的尺寸为：c方向上的尺寸为a方向上的 尺寸为
[0069]
一个永磁体组2pm个永磁体6-1分别沿着圆周方向阵列，得到p
pm
个永磁体组6-5， 图7中p
pm
个永磁体组6-5，每个永磁体组6-5中包括一个永磁体单元6-4，一个永磁体 单元6-4中包括2pm个永磁体6-1，由于图7(a)为展开图，且永磁体单元中2pm个永磁 体为斜向排布，因此部分永磁体单元的2pm个永磁体在图中上侧和下侧分别显示，相邻 两个永磁体组之间的周向间距为2π/np
pm
；图8中p
pm
个永磁体组6-5，每个永磁体组 6-5中包括2个永磁体单元6-4-1和6-4-2，永磁体单元6-4-1中包括2pm个永磁体6-1， 另一个永磁体单元6-4-2中也包括2pm个永磁体6-1，两个永磁体单元的周向间距为2π/n ＝180度；n
×
(pm×
2p
pm
)个永磁体6-1固定在永磁转子支架6-2上，永磁体6-1的充磁方 向为径向充磁；永磁转子支架6-2使用不导电材料；
[0070]
调制转子7包括n
×
(pm×
p
pm
)个凸起部分7-1和调制转子铁心7-2；调制转子铁心 7-2上设置pm圈、每圈n
×
p
pm
个凸起部分7-1，pm圈凸起结构沿轴向阵列排布；
[0071]
调制转子7的n
×
(pm×
p
pm
)个凸起部分7-1分成p
pm
个调制组7-4，相邻两个调制组 7-4周向间距为2π/np
pm
；每个调制组7-4包括n个调制单元(图5中n＝1，此时一个调 制组仅包括1个调制单元7-3；图6中n＝2，此时一个调制组包括2个调制单元7-3-1 和7-3-2)，一个调制组中的两个相邻调制单元7-3之间的周向间距为2π/n；一个调制 单元7-3由轴向阵列排布的pm个凸起部分7-1构成，参见图5，两条虚线之间的pm个凸 起部分7-1构成一个调制单元，参见图6，两个调制单元，其中调制单元7-3-1和调制单 元7-3-2分别包括pm个凸起部分7-1，两个调制单元构成一个调制组7-4；在a-c坐标系 中，该调制单元pm个凸起部分7-1的中心位置和尺寸满足以下条件：
[0072][0073]
式中u——该调制单元中第u个凸起部分，且1≤u≤pm，u为整数；
[0074]
α1、α2——凸起部分沿周向和轴向尺寸系数。
[0075]
同时满足条件ps＝|ip
pm
±
kpm|，其中i、k是正整数。
[0076]
u＝1,2,
…
,pm，以u＝6为例说明，第6个凸起部分7-1的中心位置：c方向上的坐标 为a方向上的坐标为第6个凸起部分7-1的 尺寸：c方向上的尺寸为a方向上的尺寸为
[0077]
为了说明本发明的工作原理，假设pm圈永磁体依次同向旋转(y-1)
×
2π/npm度，使 n
×
p
pm
个永磁体单元的永磁体均轴向对齐，其中圈数y为正整数，且y≤pm；同时pm圈 凸起部分跟随永磁体以相同方向和相同角度进行旋转，得到斜向分布的p
pm
个调制组。以 一个调制组为例，一个调制组包括n个调制单元。因此，将一个调制组中n个调制单元的 凸起部分和参与该组调制的永磁磁场同时投影到圆周方向和轴向方向，此时圆周方向和轴 向方向可分别看作1个磁场调制型旋转电机和n个磁场调制型直线电机，其中磁场调制型 旋转电机又由n个单元电机组成，且圆周方向极对数是轴向方向极对数的n倍，并分别分 析计算这两个方向的磁场调制效果。
[0078]
设电机永磁转子极对数为n
×
p
pm
，则圆周方向永磁极对数为n
×
p
pm
，轴向方向永磁 极对数为p
pm
。当永磁转子与调制转子发生相对转动时，参与该组调制的永磁磁场既沿圆 周方向转动，也沿轴向方向运动。设永磁转子圆周方向初始相位角为θ
pm
，轴向方向初始 位置为x
pm
，则永磁转子在圆周方向和轴向方向所形成的永磁磁动势f
cpm
(θ,t)和 f
apm
(x,t)可表示为：
[0079][0080]
式中下标c、a分别表示圆周方向和轴向方向；
[0081]fci
、f
ai
——圆周方向、轴向方向各次谐波磁动势幅值；
[0082]
ω
pm
、v
pm
——永磁转子周向旋转角速度和轴向等效运动速度；
[0083]
i——永磁磁动势谐波次数；
[0084]
θ——圆周方向机械角；
[0085]
x——轴向方向位移；
[0086]
t——时间。
[0087]
设一个调制组的凸起部分数为n
×
pm，圆周方向初始相位角为θm、轴向方向初始位
置 为xm，则在一个调制组转子的作用下，圆周方向和轴向方向的空间比磁导λc(θ,t)和 λa(x,t)可表示为
[0088][0089]
式中λ
c0
、λ
a0
——零次谐波比磁导幅值；
[0090]
λ
ck
、λ
ak
——各次谐波比磁导幅值；
[0091]
ωm、vm——调制转子周向旋转角速度和轴向等效运动速度；
[0092]
k——谐波比磁导次数，k＝1,2,3
…
。
[0093]
永磁体磁动势在一个调制组凸起部分的作用下产生的永磁磁场也可分别投影到圆周 方向和轴向方向，且圆周方向永磁磁场b
cpm
(θ,t)和轴向方向永磁磁场b
apm
(x,t)可分别表 示为：
[0094][0095]
式中b
ci
、b
ai
——自然谐波磁场幅值，且b
ci
＝f
ci
λ
c0
、b
ai
＝f
ai
λ
a0
；
[0096]bc(i,k)
、b
a(i,k)
——调制谐波磁场幅值，且
[0097]
根据电机实际机械结构，定子环形绕组的结构特点使得调制转子与定子磁场保持相对 静止。因此，式(9)中推导的斜向调制谐波磁场轴向速度和周向转速都要对应减去调制转 子的轴向速度和周向转速，即圆周方向永磁磁场和轴向方向永磁磁场实际表示为：
[0098][0099]
由式(10)可知，永磁转子和调制转子的共同作用下将会产生两类磁场。第一类为自然 谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁转子磁动势的极对数相同，且它的圆 周方向磁场转速、轴向方向磁场等效速度与永磁转子磁动势的圆周方向转速、轴向方向等 效速度分别相同，该类磁场的幅值分别为b
ci
、b
ai
。第二类为调制谐波磁场，该类磁场的 特点是它的磁场极对数与永磁转子极对数和一个调制组转子中凸起部分数相关，它的圆周 方向磁场转速与永磁转子和调制转子二者的转速相关，它的轴向方向磁场速度与轴向方向 永磁磁动势和调制转子的等效运动速度相关，该类磁场的幅值分别为b
c(i,k)
、b
a(i,k)
，具体 关系如下：
[0100]
p
i,k
＝|ip
pm
jpm|
ꢀꢀꢀ
(11)
[0101][0102][0103]
j＝0,
±
1,
±
2,...
ꢀꢀꢀ
(14)
[0104]
式中p
i,k
、ω
i,k
、v
i,k
——调制谐波磁场的极对数、圆周方向旋转角速度、轴向方向运 动速度。
[0105]
根据机电能量转换原理可知，只有当两个磁场的极对数、转速或速度相同情况下，才 能产生恒定的转矩，从而实现机电能量转换。因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计成 可产生与调制谐波磁场相同极对数、相同轴向方向速度的电枢磁场。那么，定子环形绕组、 调制转子和永磁转子就构成了基于单边调磁原理的永磁体横向分段错位式无刷双转子电 机，其具体工作原理圆周方向与径向或轴向磁场调制型电机相似，轴向方向与磁场调制型 直线电机相似，两个方向综合分析可得，本发明电机是在调制转子的作用下，将沿圆周均 匀分布、沿轴向分段错位分布的永磁体磁场调制成沿轴向分布的定子绕组磁场。所以由式 (13)和式(14)可以进一步推导出定子电枢磁场频率的表达式如下：
[0106][0107]
因为定子环形绕组产生的电枢磁场的速度与调制谐波磁场的轴向方向速度相等，
所以 本发明电机可参考式(15)进行调速。因此，在定子环形绕组、调制转子和永磁转子相互作用 下，调制转子和永磁转子可以实现转速解耦，且电磁转矩与永磁转子所受电磁转矩大小相 等、方向相反。
[0108]
图1、图2、图5和图7中单元电机数n＝1，永磁转子的极对数n
×
p
pm
是6，调制转 子中凸起部分数n
×
(pm×
p
pm
)是42，且凸起部分沿轴向阵列分布圈数pm是7，永磁转子 中分段错位的永磁体数n
×
(pm×
2p
pm
)是84，且1个永磁体组包括1个永磁体单元，每个 永磁体单元的永磁体数2pm是14。由式(10)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场， 其中轴向方向调制谐波磁场起主要作用。这些轴向方向调制谐波磁场当中，通常是i＝1， j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说轴向调制谐波磁场中1对极磁场幅值最大。 因此，将定子环形绕组通过绕组排布设计产生1对极轴向电枢磁场，并通过控制定子环形 绕组的通电频率使得电枢磁场的运动速度与1对极轴向调制谐波磁场的运动速度相同，从 而使定子环形绕组、调制转子和永磁转子实现机电能量转换。
[0109]
图6和图8中单元电机数n＝2，永磁转子的极对数n
×
p
pm
是12，调制转子中凸起部 分数n
×
(pm×
p
pm
)是84，凸起部分沿轴向阵列分布圈数pm是7，永磁转子中分段错位的永 磁体数n
×
(pm×
2p
pm
)是168，且1个永磁体组包括2个永磁体单元，每个永磁体单元的永 磁体数2pm是14。同样由式(10)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场，其中轴向方 向调制谐波磁场起主要作用。这些轴向调制谐波磁场当中，通常是i＝1，j＝-1时对应的调制 谐波磁场幅值最大，也就是说轴向调制谐波磁场中1对极磁场幅值最大。因此，将定子环 形绕组通过绕组排布设计产生1对极轴向电枢磁场，并通过控制定子环形绕组的通电频率 使得电枢磁场的运动速度与1对极轴向调制谐波磁场的运动速度相同，从而使定子环形绕 组、调制转子和永磁转子实现机电能量转换。
[0110]
具体实施方式二：下面结合图3、图4、图9和图10说明本实施方式，本实施方式 对实施方式一的不同之处在于，永磁转子6包括n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1、 n
×
(pm×
p
pm
)个铁心单元6-3和永磁转子支架6-2；n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1和 n
×
(pm×
p
pm
)个铁心单元6-3沿圆周方向均匀交错并沿轴向方向分段错位设置在永磁转 子支架6-3上；n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1的充磁方向相同；
[0111]
永磁体6-1的充磁方向为径向充磁；铁心单元6-3和永磁转子支架6-2为不导电材料。
[0112]
本实施方式的优点是在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。
[0113]
本实施方式中永磁体6-1和铁心单元6-3交错设置方式与实施方式一中相同，本实 施方式中的永磁体6-1和铁心单元6-3分别和实施方式一中的n极永磁体和s极永磁体 相对应，具体为：
[0114]
建立a-c坐标系，c、a分别表示圆周方向和轴向方向；
[0115]
永磁转子6的n
×
(pm×
p
pm
)个永磁体6-1分成p
pm
个永磁体组6-5，相邻两个永磁体 组6-5周向间距为2π/np
pm
，pm为正整数；每个永磁体组6-5包括n个永磁体单元(图 9中n＝1，此时一个永磁体组仅包括1个永磁体单元6-4；图8中n＝2，此时一个永磁 体组包括2个永磁体单元6-4-1和6-4-2)，1个永磁体组中的两个相邻永磁体单元6-4 之间的周向间距为2π/n；1个永磁体单元6-4由斜向排布的pm个永磁体6-1和pm个铁 心单元6-3构成，参见图9，两条虚线之间的pm个永磁体6-1和pm个铁心单元6-3构成 一个永磁体单元6-4，参见图10，两个永
磁体单元，其中永磁体单元6-4-1包括pm个永 磁体6-1和pm个铁心单元6-3，永磁体单元6-4-2同样包括pm个永磁体6-1和pm个铁心 单元6-3，两个永磁体单元6-4-1和6-4-2构成一个永磁体组6-5；1个永磁体单元由斜向 排布的包括pm个永磁体6-1和pm个铁心单元6-3构成，且1个永磁体单元6-4斜向等效 为1对极，在a-c坐标系中，第一个永磁体单元pm个永磁体6-1的中心位置和尺寸满足 以下条件：
[0116][0117]
式中wa——该永磁体单元中周向方向第wa个永磁体，且1≤wa≤pm，wa为整数；
[0118]
α3、α4——永磁体沿周向和轴向尺寸系数；
[0119]
wa＝1,2,
…
,pm，以wa＝3为例说明，第3个永磁体的中心位置为：c方向上的坐标为 a方向上的坐标为a方向上的坐标为第3个永磁体的尺寸为：c方向上的尺寸为a方向上的尺寸 为
[0120]
同时该永磁体单元pm个铁心单元6-3的中心位置和尺寸满足以下条件：
[0121][0122]
式中wb——该永磁体单元中周向方向第wb个铁心单元6-3，且1≤wb≤pm，wb为整数；
[0123]
wb＝1,2,
…
,pm，以wb＝5为例说明，第5个铁心单元6-3的中心位置为：c方向上的坐 标为a方向上的坐标为 第5个铁心单元6-3的尺寸为：c方向上的尺寸为 a方向上的尺寸为
[0124]
一个永磁体组pm个永磁体6-1和pm个铁心单元6-3分别沿着圆周方向交错阵列，得 到p
pm
个永磁体组6-5，图9中p
pm
个永磁体组6-5，每个永磁体组6-5中包括一个永磁 体单元6-4，一个永磁体单元6-4中包括pm个永磁体6-1和pm个铁心单元6-3，由于图9 (a)为展开图，且永磁体单元中pm个永磁体和pm个铁心单元6-3为斜向排布，因此部 分永磁体单元的pm个
永磁体在图中上侧和下侧分别显示，相邻两个永磁体组之间的周向 间距为2π/np
pm
；图10中p
pm
个永磁体组6-5，每个永磁体组6-5中包括2个永磁体单 元6-4-1和6-4-2，永磁体单元6-4-1中包括pm个永磁体6-1和pm个铁心单元6-3，另一 个永磁体单元6-4-2中也包括pm个永磁体6-1和pm个铁心单元6-3，两个永磁体单元的 周向间距为2π/n＝180度；n
×
(pm×
2p
pm
)个永磁体6-1固定在永磁转子支架6-2上，永 磁体6-1的充磁方向为径向充磁；永磁转子支架6-2使用不导电材料；
[0125]
本实施方式的工作原理与实施方式一相同，不再赘述。