CN102111048A

CN102111048A - 一种自动调磁的永磁电机

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Publication number: CN102111048A
Application number: CN2011100403530A
Authority: CN
Inventors: 刘行
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2011-06-29

Abstract

目前的永磁电机一旦完成生产制造，其电磁结构就固定下来，在运行过程中不再改变，这样导致电机过载时的电流较大，增加了控制器的成本，高速时电压偏高，影响到调速范围。本发明提供一种能自动调整匝链电机定子绕组磁通量大小的调速永磁电机，其特征是具有一个集成在电机内的调磁机构，它能根据电机转速的变化，改变匝链电机定子绕组磁通量的大小，调整电机的转矩系数和反电势系数，降低电机低速时的电流，降低电机控制器的成本；并能在高速时降低电机电压，减少弱磁电流或省去弱磁控制，扩宽电机的调速范围。

Description

一种自动调磁的永磁电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，尤其是能自动调整主磁路中永磁磁通量大小的调速永磁电机。

背景技术

由变频器控制的调速永磁电机，被广泛应用于伺服、电梯、风电、新能源汽车、工业驱动等领域。

目前，永磁电机一旦完成生产制造，其电磁结构就固定下来，在运行过程中不再改变，但这种单一电磁结构在调速场合往往会有电机加速段电流较大的缺陷，因为电机要实现加速，其加速转矩往往要比额定转矩大很多，因而加速时的电机电流也往往比额定电流大很多，所以电机控制器所能提供的电流也要比电机额定电流大很多，这给控制器的极限电流提出了更高的要求，抬高了控制器中电子开关的容量，使控制器的成本增加。

另外，对于永磁电机而言，随着速度的升高电机自身感应电动势也随之升高，电机供电的最大电压(即电机控制器输出的极限电压)限制了电机转速不能无限地增加，所以电机的调速范围受到了电压的限制。目前的永磁电机控制都是采用弱磁技术解决这个问题，在高速时对永磁电机进行弱磁控制，使电机的直轴磁场减弱，以达到降低电机电压和扩宽调速范围的目的，这就是所谓的“弱磁扩速”控制技术。但这种技术也存在一定的缺陷，即采用弱磁控制比不采用弱磁控制时的电流要大，因为在采用弱磁控制时，电机总电流中除了用于产生转矩的电流之外，还需要额外的电流用来进行弱磁，这样就导致总电流的增加，从而导致的电机发热和控制器发热的增加。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够自动调整主磁路中永磁磁通量大小的永磁电机，减小电机电流和发热，降低电机控制器成本。

本发明的技术构思是：提供一个集成在电机内的调磁机构，能根据电机转速的变化，改变主磁路中永磁磁通量的大小，调整电机的转矩系数和反电势系数，减小低速大转矩阶段的电机电流，降低电机控制器成本；并能在高速时减小弱磁电流或省去弱磁控制，减少电机和电机控制器的发热。

本发明的技术方案是：提供一种永磁电机，包括定子、转子、轴系、壳体以及调磁机构，其特征是所述调磁机构与电机本体集成为一体；该调磁机构通过机械力或电磁力执行调磁动作，改变电机内部结构的空间尺寸和电磁场的空间布局；该调磁机构执行调磁动作，可改变电机主磁路中永磁磁通量的大小；该调磁机构执行调磁动作是自动进行的，且是可逆的。

一般电机本体是由定子、转子、轴系等构成，根据本技术方案，在电机本体内除转子组件能以转轴为轴心旋转外，还有未完全固定的电磁部件，例如，设计转子组件上的永磁磁极能相对于转子铁心沿电机轴向移动，若通过机械力执行调磁动作，使该永磁磁极相对于定子沿轴向移动，那么，电机内部结构的空间尺寸和电磁场的空间布局就发生改变，同时，电机主磁路中永磁磁通量的大小。所谓的主磁路是永磁磁通匝连电枢绕组所经由的磁路，主磁路中永磁磁通量的变化，就能引起匝链电机电枢绕组的永磁磁通量发生改变，电机的转矩系数和反电势系数也同时改变。

所述的调磁机构用以改变主磁路中永磁磁通量的方式，至少包括：通过改变磁极的漏磁系数来实现、通过改变电机的有效轴向长度来实现、通过改变等效磁极宽度来实现。

在电机理论中，所谓的反电势系数是指单位转速对应的电机反电势的大小；所谓的转矩系数是指单位电流所能产生的转矩的大小，与反电势系数成正比；所谓的磁极漏磁系数是指磁极的总磁通与穿过空气隙的磁路主磁通的比值；所谓的电机有效轴向长度是指磁路计算时用于产生转矩和功率的有效的电机长度；所谓的电机等效磁极宽度是指磁路计算时用于产生转矩和功率的有效磁极宽度。

本技术方案的一个显著特征是，所述的调磁机构通过调整主磁路中永磁磁通量和电枢绕组匝连的永磁磁通量的大小来调节电压，其“调磁调压”的机理可通过电机反电势的公式进行解释，电机理论中，相反电势可表示为：E＝4.44×f×N×K_dp×Φ，式中E为相反电势、N为每相串联匝数、K_dp为绕组系数、f为电机的运行频率、Φ为绕组匝连的磁通量，空载时Φ值等于主磁路中的永磁磁通量。对于一颗造已经制造好的电机而言，电机绕组的每相串联匝数N、绕组系数K_dp、电机的运行频率f都是固定不变的，那么改变绕组匝连的磁通量Φ的大小就能改变电机电压。本技术方案正是通过改变Φ值进行调节电压的，电机低速时(一般是大转矩加速启动阶段)，调磁机构增大Φ值，使电机的反电势系数和转矩系数增大，降低电流，达到降低电机控制器最大电流的目的；电机高速时(一般是恒功率运行阶段)，调磁机构减小Φ值，使电机的反电势系数和转矩系数减小，降低电压，达到扩宽电机调速范围的目的。

实现改变主磁路中永磁磁通量所采取的手段至少包括如下几种：

其一，改变磁极的漏磁系数，至少有两种途径，分别是通过调整磁极间导磁介质来实现，和通过改变定转子间气隙来大小实现。调整磁极间导磁介质，能改变极间漏磁的大小，相应就能改变磁路中匝连绕组的主磁通的大小，从而影响到电机的反电势系数和转矩系数；改变定转子间气隙能改变主磁路的磁阻，而漏磁路的磁阻变化不大，故主磁阻的变化能影响到主磁通和漏磁通比例和各自的大小，从而影响到电机的反电势系数和转矩系数。

其二，改变电机有效轴向长度，可通过移动电机磁极并与电机定子在垂直于气隙磁路方向上发生相对偏移来实现。将电机磁极沿电机轴向相对于电机定子进行移动，形成定转子间的错位，或者说转子中心相对于定子中心在轴向上进行偏置，就会影响到电机电磁部分的有效轴向长度，而该有效轴向长度会直接影响到匝连绕组的主磁通的大小，故通过调整电机磁极轴向偏移量的大小就能调整匝连绕组的主磁通的大小，从而调整电机的反电势系数和转矩系数。

其三，改变电机等效磁极宽度，可通过把磁极在轴向分割为若干段且沿电机圆周方向相互错位来实现这种途径来实现。磁极沿电机圆周方向相互错位可等效为“斜磁极”的概念，等效为不同段磁极在绕组上产生的主磁通进行矢量叠加，因各磁极段之间相互错位，那么各磁极段对应的主磁通在空间矢量上相互存在偏移角度，因此主磁通的矢量叠加和小于标量叠加和，且相互错位的角度越大匝连绕组的主磁通就越小，故通过调整磁极段的错位能调整匝连绕组的主磁通的大小，从而影响到反电势系数和转矩系数。

本技术方案中的一种实施例是，在上述的调磁机构对电机转速的变化作出反应动作，执行该动作的原动力来自于能径向移动的重块的离心力。该重块安装在电机旋转部件上，并在电机旋转时产生离心力，该离心力可传递给调磁机构中的动作执行机构，并调节匝链绕组的磁通量大小，调节反电势系数和转矩系数。

上述的调磁机构可使用具有弹性的机械零部件进行复位，比如利用弹簧、钢条、钢丝等的弹力或拉力，驱使调磁机构中的动作执行机构恢复到初始的位置。

本技术方案中的电机使用变频器或PLC进行控制，其结构形式包括径向式气隙磁路结构永磁电机和轴向式气隙磁场结构的盘式永磁电机，且电机结构越扁平其效果越明显。

本技术方案中的永磁电机适用于宽调速范围的驱动场合，尤其适用于低速恒功率运行高速恒转矩运行的驱动场合，比如新能源汽车的驱动。

本技术方案的有益效果是：能够降低电机低速大转矩时的电机电流，降低控制器中电子开关晶闸管容量，降低控制器成本；电机高速时通过“调磁降压”，扩宽电机的调速范围，必要时不使用弱磁控制就能达到所需的调速范围，且能电机电流，降低电机发热。

附图说明

附图1是调磁机构的零件结构

附图2是由磁极、极靴、支架、重块等组成的调磁机构

附图3是电机转子与调磁机构

附图4是永磁电机结构之电机有效轴向长度可变

附图5是调磁机构执行调磁动作之改变电机有效轴向长度

附图6是调磁机构执行调磁动作之改变磁极的漏磁系数

附图7是永磁电机结构之磁极的漏磁系数可变

图中的标号表示：1、永磁磁极，2、极靴，3、转子铁心，4、转子铁心端面，5、转轴，6、支架，7、支架导向条，8、支架斜推面，9、弹簧，10、重块，11、重块背面，12、重块斜推面，13、重块卡槽，14、定子，15、绕组端部，16、机壳，17、轴承。

具体实施方式

通过下面实施例的说明，将有助于理解本发明的技术实质和技术效果，但不能以实施例来限制本发明。

图1到图5是本技术方案中永磁电机的一个实施例，见图1和图2，永磁磁极1贴附在导磁的极靴2上，并与转子铁心3之间用小间隙相隔开，极靴2通过螺钉或铆钉固定在非导磁的支架6上，支架6套在转轴5上并能相对于转子铁心3轴向偏移，因永磁磁极1、极靴2和支架6三者被固定在一起故能作为一个整体沿轴向滑移。见图3，支架6与转子铁心3之间用四条相同的弹簧9相连，该弹簧9施加给支架6指向转子铁，3的拉力，该拉力驱使支架6向转子铁心3靠拢。

见图2至图4，在支架6上卡有四块重块10，该重块10能在支架导向条7的引导下沿径向移动，重块背面11依靠在转子铁心端面4并能相对滑移，重块斜推面12与支架导向条上的斜推面8相互配合的，两斜推面能相对滑移，且能相互接触并相互施加作用力，径向移动的重块10可驱动支架6进行轴向移动，或者轴向移动的支架6可驱动重块10进行径向移动。

见图5，电机运行时，重块10随转轴5一起旋转并产生离心力，该离心力驱动重块10沿径向远离转轴5，重块背面11紧贴转子铁心端面4滑移，与此同时，重块斜推面12与支架斜推面8相互作用并将部分动力传递给支架6，该动力的轴向分量驱使支架6克服弹簧9的拉力沿轴向远离转子铁心3，于是支架6带动极靴2和永磁磁极1一起沿轴向移动，永磁磁极1与定子14发生相对位移，电机的有效轴向长度减小，从而绕组匝连的永磁磁通量减少，电机电压也随之降低。电机转速越高，重块10离心力就越大，永磁磁极1偏移量就越大，电机电压就越低。当电机转速降低时，离心力减小，在弹簧9拉力作用下支架6向转子铁心3方向移回，永磁磁极1实现复位。

图6和图7是另一个实施例，与上一个实施例的区别在于永磁磁极1是贴附在转子铁心3上的，并与极靴2之间用小间隙相隔开，极靴2和支架6两者能作为一个整体沿轴向滑移，而永磁磁极1不能相对于转子铁心3移动。与上一个实施例的机理类似，电机运行时，重块10的离心力驱动重块10沿径向远离转轴5，在重块斜推面12与支架斜推面8的作用下极靴2相对于转子铁心3进行轴向移动。极靴2具有聚磁和引导磁路的作用，随着极靴2的移动，有一部分永磁磁极1的磁场失去极靴2作用，相当于那部分永磁磁极1与定子14间的气隙增大，气隙的增加量等于极靴2的厚度，即永磁磁极1与定子14之间的导磁介质由导磁良好的极靴2变为空气，使主磁路的磁阻增大，但漏磁路的磁阻变化不大，故主磁阻的变化能影响到主磁通和漏磁通比例和各自的大小，从而影响到电机的反电势系数和转矩系数，进而影响到电机电压和电流。

以上所述之实施例只是本发明的两种实施例，发明人例举这些实施例，旨在说明本技术方案的实施方式，并非以此限制本发明的实施范围，比如，调磁机构的调磁方式、调磁机构的结构类型、电机种类等都可以与上文中例举的实施例有所不同，故凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种永磁电机，包括定子、转子、轴系、壳体以及调磁机构，其特征是：

所述调磁机构与电机本体集成为一体；

该调磁机构通过机械力或电磁力执行调磁动作，改变电机内部结构的空间尺寸和电磁场的空间布局；

该调磁机构执行调磁动作，可改变电机主磁路中永磁磁通量的大小；

该调磁机构执行调磁动作是自动进行的，且是可逆的。

2.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征是所述的调磁机构用以改变主磁路中永磁磁通量的方式，至少包括：通过改变磁极的漏磁系数来实现、通过改变电机的有效轴向长度来实现、通过改变等效磁极宽度来实现；

其中，改变磁极的漏磁系数所采取的方法至少包括，通过调整磁极间的导磁介质来实现，和通过改变定转子间的气隙大小来实现；

其中，改变电机有效轴向长度所采取的方法至少包括通过使电机磁极与电机绕组在垂直于气隙磁路的方向上产生相对偏移来实现；

其中，改变电机等效磁极宽度所采取的方法至少包括通过将磁极在轴向分割为若干段且沿电机圆周方向相互错位来实现。

3.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征是：

所述的调磁机构位于电机转子上，并能随电机转子一起旋转；

调磁机构中设计有能径向移动的重块，该重块在与电机转子一起旋转时产生离心力，且电机转速越高该离心力就越大；

该离心力通过机械传递施加到可移动的电磁部件，并驱使可移动的电磁部件移动。

4.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征是所述的调磁机构使用具有弹性的机械零部件进行复位。

5.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征是该电机在变频器或PLC的控制下进行调速。

6.根据权利要求1所述的永磁电机，其特征是所述的永磁电机的结构形式包括但不限于径向式气隙磁路结构永磁电机和轴向式气隙磁场结构的盘式永磁电机。