CN102055290A - 可变几何形状的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可变几何形状的电机。可变几何形状的电机包括可移动磁构件，依据电机速度改变电机转子和定子之间的磁通路线以控制转子和定子间的磁通。当电机速度增加时，该磁构件在轴向上从转子和定子之间可选择地退出，以使在更高的电机速度时，减少电机的反电动势，从而提高电机速度。该磁构件包括安装在非磁性毂上的空间上分离的磁条。在一个实施例中，该磁条位于转子和定子间且与定子的齿端相对的空气隙内，其中定子线圈位于该齿间。在另一个实施例中，磁条位于定子的齿内。

Description

可变几何形状的电机
背景技术
1.技术领域
本发明总体涉及一种可变几何形状的电机以及，更具体地，涉及一种永磁电机，其采用位于电机的转子和定子之间的空气隙内的磁构件，其中该磁构件在轴向可移动以改变转子和定子间的磁链，从而在低速时提供高转矩并减少电机在高速时的反电动势。
2.背景技术
具有宽速度范围的电机对于汽车推进系统，例如对于混合动力车辆、电动车辆、燃料电池车辆等等，以及对于发电应用必不可少。为了使转矩/安培比率最大化，电机典型地被设计为具有尽可能高的感应电压速度比率。但是，由于感应电压是成比例的，尤其是当电机速度增加时，随着电机速度增加电机生成的反电动势(EMF)也随之增加，直到反电动势达到DC母线电压，通常为蓄电池电压，这将导致可用于驱动马达中电流的传导率的损失从而限制电机的速度。
为了克服这个问题，本领域建议通过向电机定子内注入退磁电流来提高电机速度，在本领域中被称作磁通弱化，其减少了电机的反电动势从而可以提高电机速度。但是向电机磁体注入电流导致了定子线圈中的高铜耗，并且因此导致电机内的高损耗。这样磁通弱化减小了电机效率和功率因数，并且提高了电机的逆变电流需求。可替代地，如果不这样做就必须增加电机尺寸以达到期望的速度。
发明内容
根据本发明的教示，公开了一种可变几何形状的电机，其包括包括可移动磁构件，该磁构件依据电机速度改变电机的转子和定子之间的磁通路线的几何形状从而控制转子和定子之间磁链磁通路线。当电机速度增加时，该磁构件从转子和定子之间在轴向可选择地退出，以使在更高的电机速度时，减少电机的反电动势，从而进一步提高电机速度。该磁构件包括安装在非磁毂上的多个空间上分离的磁条。在一个实施例中，该磁条位于转子和定子间的空气隙中且抵靠着定子的齿端，其中定子线圈位于该齿间。在另一个实施例中，磁条位于定子的齿内。
从之后的描述和附带的权利要求、以及结合附加的附图，本发明的其他特点将显而易见。
本申请还提供了以下方案：
方案1.一种永磁(PM)电机，包括：
包括定子芯的圆筒形定子，所述定子芯具有定子齿和定子槽，电力线圈缠绕在定子槽内；
圆筒形转子，包括具有多个空间上分离的磁体的转子芯，所述转子可相对于定子旋转，其中在转子和定子之间确定了空气隙；以及
可控的磁构件，其位于空气隙内或紧邻空气隙，所述磁构件包括多个空间上分离的磁条元件，并且相对于转子和定子可轴向移动，从而随着转子速度的增加，可移动的构件可以从电机中滑出以减少转子和定子之间的磁链并且减小电机的反电动势。
方案2.如方案1所述的电机，其中磁构件位于空气隙内，以使磁条元件与定子的齿对齐并且抵靠着定子的齿定位。
方案3.如方案1所述的电机，其中电条元件位于定子齿内以邻近空气隙。
方案4.如方案1所述的电机，其中可控磁构件包括非磁毂，所述磁条元件在一端被安装至该毂或者在两端被安装至该毂，以使磁构件可以从电机的两端轴向移出。
方案5.如方案1所述的电机，其中可控的磁构件具有与转子和定子的长度基本上相同的长度。
方案6.如方案1所述的电机，其中转子为内转子。
方案7.如方案1所述的电机，其中转子为外转子。
方案8.如方案1所述的电机，其中电机为表面安装电机。
方案9.如方案1所述的电机，其中电机为内电机。
方案10.如方案1所述的电机，其中电机具有V形定子。
方案11.如方案1所述的电机，其中定子为多层定子。
方案12.如方案1所述的电机，其中转子磁体为永磁体。
方案13.一种永磁(PM)电机，包括：
包括定子芯的圆筒形定子，所述定子芯具有定子齿和定子槽，电力线圈缠绕在定子槽内；
圆筒形转子，包括具有多个空间上分离的永磁体的转子芯，所述转子可相对于定子旋转，其中在转子和定子之间确定了空气隙；以及
可控的磁构件，位于空气隙内或紧邻空气隙，所述磁构件包括多个空间上分离的磁条元件以及安装有所述磁条元件的一个或多个非磁毂，其中磁条元件在一端被安装到该毂或者在两端被安装到该毂，所述磁构件相对于转子和定子可轴向移动，从而随着转子速度的增加，可移动的构件可以从电机中滑出以减少转子和定子之间的磁链并且减小电机的反电动势，其中可控的磁构件具有与转子和定子的长度基本上相同的长度，其中可控的磁构件具有与转子和定子的长度基本上相同的长度。
方案14：如方案13所述的电机，其中转子为内转子。
方案15.如方案13所述的电机，其中转子为外转子。
方案16.如方案13所述的电机，其中电机为表面安装电机。
方案17.如方案13所述的电机，其中电机为内电机。
方案18.如方案13所述的电机，其中电机具有V形定子。
方案19.如方案13所述的电机，其中定子为多层定子。
方案20：如方案13所述的电机，其中磁条元件的厚度范围为0.2-10毫米。
附图说明
图1为传统电机的横截面图；
图2为图1所示电机的四分之一的截面图，示出了磁通路线；
图3为具有位于在电机定子和转子之间的空气隙内的可控磁构件的电机的横截面图；
图4为图2所示电机的纵向断面的横截面图，其中磁构件位于部分地连接电机主磁通的位置；
图5为图2所示电机的纵向断面的横截面图，其中磁构件位于完全移出的位置，以使磁构件不连接电机的主磁通；
图6的图表中，横轴为磁构件被移出电机的百分比，纵轴为正常的反电动势；
图7的图表中，横轴为图3所示电机的传导构件的磁条的厚度，左纵轴为电机的负载损耗的瓦特数，以及右EMF轴为电机反电动势的伏特数；
图8为具有位于电机定子齿内的可控磁构件的电机的横截面图；
图9为包括外转子的电机的半球横截面图；
图10为表面安装永磁电机的横截面图；
图11为内永磁电机的横截面图；
图12为永磁电机的V形定子的横截面图；以及
图13位永磁电机多层定子的横截面图。
具体实施方式
对本发明实施例的以下讨论集中在可变几何形状的电机，该电机包括连接电机主磁通的可移动磁构件，在电机速度增加时该磁构件可移动来减小磁通，从而减小反电动势，这讨论实质上仅仅是示例性的，而并非旨在限制本发明或其应用或用途。
图1是传统永磁(PM)电机10的横截面图，图2是传统永磁(PM)电机10的四分之一截面图。电机10包括中心轴12，其被圆筒形转子14包围并安装在圆筒形转子14上。转子14包括转子芯16，多个永磁体18安装在转子芯16上，在本非限制性示例中具体为10个磁体。电机10还包括圆筒形定子20，定子20包括定子芯22，定子芯22具有空间上分离的齿38和位于齿38之间的多个定子线圈24。在本非限制性示例中有12个定子线圈24。空气隙26将转子14与定子18分开，从而允许转子14相对于定子18旋转。
如本领域技术人员所熟知的，向定子线圈24提供适宜相位的交流电流，使得流经线圈24的电流所产生的磁场与永磁体18所产生的磁场以这样的方式相互作用，该方式导致转子14相对于定子20旋转，并且从而导致轴12旋转来完成物理做功。图2所示为一个线圈24周围的主磁通路线28，其中主磁通路线28贯穿转子芯16，永磁体18，空气隙26以及定子20，从而形成闭合的环形路线并连接定子线圈24。定子20的感应电压与连接定子线圈24的总磁通成比例。图3为与电机10相似的PM电机30的横截面图，其中相同的部件由相同的参考数字表示。根据本发明，电机30包括所示的位于转子14和定子20之间的空气隙26内的可控磁构件32。磁构件32包括在一端安装在支撑毂36的磁条元件34，每个磁条元件34抵靠着齿38的其中之一的端部定位，磁条元件的数量等于齿38的数量。在替代实施例中，该磁条元件可在两端被安装到毂。如以下将要讨论的，磁构件32是可移动的，因为它可以相对于轴12的长度轴向滑动，从而调整转子14和定子20之间的磁通路线和磁链。
图4电机30的纵向断面的横截面图，表明磁构件32部分插入到隙26内从而提供部分磁通连接，以及图5电机30的横截面图，其中磁构件32完全从空气隙26移出。出于清楚的目的轴12没有示出。明显地，磁构件32的长度与转子14和定子20的有效长度大约相同，以使磁构件32可完全位于转子14和定子20之间的空气隙26内。磁条元件34可由任何适合的磁材料构成，例如叠片磁钢，粉状磁材料或者固体磁材料。而且，可使用任何适合的线性的或者旋转-至-线性的伺服位置控制装置40来在空气隙26中以合适的距离定位磁构件32，与这里的讨论相一致。
如上面提到的，磁构件32可位于空气隙26内的任何位置。通常，在较低的电机速度和较高的电机转矩时，磁构件32将完全插入到空气隙26内，以使磁构件32传导磁通从而在转子14和定子20之间的磁链很强。当电机30的速度增加并且磁构件32从相同的空气隙26中移出时，空气隙26变宽，因此减少了磁通28并且减少了由磁通28导致的反电动势。图6的图表中，横轴为磁构件32被移出电机30的百分比，纵轴为正常的反电动势，其示出了当磁构件32被移出电机30时反电动势减少的关系。因此，如上所述，可以提高电机30的速度而没有反电动势限制电机速度的缺点。磁构件32的轴位置可为转子速度、电机转矩、系统电压等的函数。
磁构件32还提供了在高于传统电机的电机速度下的减少的负载损耗。下面的表1的上面那行所示为传统PM电机，下面那行为以上讨论的具有磁构件的PM电机。明显地，具有磁构件32的电机在更高的速度下具有更低的负载损耗。
表1
Figure BSA00000386623100051
图7的图表中，横轴为磁条元件34的厚度的毫米数，左纵轴为负载损耗的瓦特数，以及右纵轴为反电动势的伏特数，表明当磁条元件34的厚度增加时，负载损耗减小如图线46所示，以及反电动势减小如图线48所示。
在电机30内，磁构件32位于空气隙26内。根据另一个实施例，磁构件位于转子齿38内。图8为表示本实施例的电机50的横截面图，其中磁构件52位于定子20的齿38内，如图所示。磁构件52包括多个磁条元件54，它们位于定子齿38中的适合的开口内，并且可以相对于电机50的长度轴向滑动从而以如上所述的方式控制转子14和定子20之间的磁通。
上述的电机30包括在定子24内部旋转的内转子14。这是一种非限制性的示例的方式，因为在本领域其他类型的转子设计是适用的。图9为永磁电机60的局部的半球横截面图，其包括轴62，具有永磁体66的外转子64，具有线圈70和齿72的定子68，以及具有如上所述的磁条元件76的磁构件74。
还提供了永磁电机转子的其他变形。图10为包括表面安装转子的电机80的横截面图，图11为包括内转子的永磁电机82的横截面图，图12为包括V形永磁体的电机转子84的横截面图以及图13为永磁电机多层永磁体定子86的横截面图。虽然在图10-13中没有示出磁构件，与这里的讨论相一致，它将位于定子和转子之间的空气隙内。
以上讨论仅公开和描述了本发明的典型实施例。在不脱离由以下权利要求所确定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员从这些讨论以及从所附的附图和权利要求中很容易意识到可以从中得到各种改变、修改和变形。

Claims (10)

1.一种永磁(PM)电机，包括：
包括定子芯的圆筒形定子，所述定子芯具有定子齿和定子槽，电力线圈缠绕在定子槽内；
圆筒形转子，包括具有多个空间上分离的磁体的转子芯，所述转子可相对于定子旋转，其中在转子和定子之间确定了空气隙；以及
可控的磁构件，其位于空气隙内或紧邻空气隙，所述磁构件包括多个空间上分离的磁条元件，并且相对于转子和定子可轴向移动，从而随着转子速度的增加，可移动的构件可以从电机中滑出以减少转子和定子之间的磁链并且减小电机的反电动势。
2.如权利要求1所述的电机，其中磁构件位于空气隙内，以使磁条元件与定子的齿对齐并且抵靠着定子的齿定位。
3.如权利要求1所述的电机，其中电条元件位于定子齿内以邻近空气隙。
4.如权利要求1所述的电机，其中可控磁构件包括非磁毂，所述磁条元件在一端被安装至该毂或者在两端被安装至该毂，以使磁构件可以从电机的两端轴向移出。
5.如权利要求1所述的电机，其中可控的磁构件具有与转子和定子的长度基本上相同的长度。
6.如权利要求1所述的电机，其中转子为内转子。
7.如权利要求1所述的电机，其中转子为外转子。
8.如权利要求1所述的电机，其中电机为表面安装电机。
9.如权利要求1所述的电机，其中电机为内电机。
10.一种永磁(PM)电机，包括：
包括定子芯的圆筒形定子，所述定子芯具有定子齿和定子槽，电力线圈缠绕在定子槽内；
圆筒形转子，包括具有多个空间上分离的永磁体的转子芯，所述转子可相对于定子旋转，其中在转子和定子之间确定了空气隙；以及
可控的磁构件，位于空气隙内或紧邻空气隙，所述磁构件包括多个空间上分离的磁条元件以及安装有所述磁条元件的一个或多个非磁毂，其中磁条元件在一端被安装到该毂或者在两端被安装到该毂，所述磁构件相对于转子和定子可轴向移动，从而随着转子速度的增加，可移动的构件可以从电机中滑出以减少转子和定子之间的磁链并且减小电机的反电动势，其中可控磁构件具有与转子和定子的长度基本上相同的长度，其中可控磁构件具有与转子和定子的长度基本上相同的长度。
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