CN108964393B - 一种可变永磁磁阻电机 - Google Patents

Abstract

一种VPMRM可变永磁磁阻电机，包括定子，可移动的转子，使转子移动的变速机构，其特征在于所述VPMRM电机设计在现有技术永磁转子上增加了一段磁阻转子，从而成为一种永磁电机和磁阻电机相结合的、而且磁链和电感参数连续可变的、机械式转矩自适应调速或智能控制调速的高性能永磁磁阻无刷电机（Variable Permanent Magnet Resistance Moteor）；其中永磁转子的有效长度与定子铁芯长度相当，磁阻转子长度≤永磁转子，且相当于转子可轴向移动的距离，转子的总长度≤定子的2倍长；转子与轴之间设置有可使转子相对于轴移动移动的调节磁链的机构。本发明简单易行，综合性能高于现有技术相同成本的异步、同步或开关磁阻电机。

Description

一种可变永磁磁阻电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，尤其是需要变工况高速高效运行的永磁无刷电机。

背景技术

电动车辆的快速发展和普及，对驱动电机性能提出了越来越高的要求，对于关键的“三电技术”之一的电机，目前多数采用PMSM永磁同步电机、IM异步感应电机、和SRM开关磁阻电机，业内普遍认为：这三种电机各有优点和不足：永磁同步电机比功率高，调速性能好，运转平稳，但可能退磁，需要使用高等级稀土磁钢，适用于要求体积重量小，舒适性高的乘用车以及电动航空器等；异步感应电机鲁棒性好、但重量体积大、功率因数低，低速小功率运行效率较低，适用于要求功率大、车型大的机车；开关磁阻电机出现较晚，调速范围宽、可靠性高，但转矩波动较大，功率密度不及永磁同步电机，正在改进之中。目前永磁同步电机使用较多，为了获得较宽的调速范围，主要通过控制器对电机进行弱磁控制，由于直轴电感难以做大，弱磁效果有限且存在退磁风险。为了让永磁电机磁场可调，针对电机进行改进的尝试已经提出了许多方案，如绕组连接可变、双转子机械调磁、增加电励磁等。增加电励磁后形成的永磁为主、电磁可调的混合励磁电机（hybrid excitation-magnet motor）包括：各种转子磁分路结构、与同步电机的组合的HESM、与双凸极磁阻电机组合的DSHM，南京航空航天大学赵朝会等人编著的《混合励磁电机的结构和原理》一书对此有较为详细的论述。这些设计开始主要是为了解决使永磁无刷电机磁链可调的问题，由于结构较为复杂，成本较高，主要用于风电、航空航天等领域，未见报导商品化用于电动汽车之中。现有电动汽车驱动系统把调速的问题主要交给了控制器。但是，不易退磁，比功率高，可恒功率变速，全工况效率占比高，运行平稳可靠的永磁电机仍然是孜孜以求的目标。

已公开的发明ZL2015101271912和ZL2017100009173提出了机械式直接转矩调磁变速的技术方案，高效区间占比大，与矢量控制弱磁相比，无直轴磁场导致退磁的风险因数，实际验证效果明显。

进一步研究发现这种电机尚有不足之处。因为这种电机为了实现向高速变速，转子需移出定子以减弱磁链，这时定子将空出一段长度，这段长度的定子内没有对应转子，不输出功率，而且绕组的铜损也不会减少。此外，转子移出时电感变小，轴向产生抵抗移动的阻力，大小和绕组运行电流有关，不便于控制参数整定。

本发明的目的正是为了保留原技术方案的优点，克服现有技术的不足，重新设计一种转子，这种转子不仅能在轴上移动以调节磁链，而且还能在弱磁时使定子及绕组得到充分利用。

本发明的思路：在原转子一端附加一段磁阻转子，起动时利用开关磁阻电机起步力矩电流比大，中低速增磁时磁阻转子退出气隙，让永磁转子占据全部或大部分气隙空间，主要输出电磁力矩；高速弱磁时使磁阻转子进入气隙，增加磁阻反应力矩，可望获得更好的高速性能。

发明内容

一种VPMRM可变永磁磁阻电机，包括定子，可移动的转子，使转子移动的变速机构，其特征在于所述VPMRM电机的转子在现有技术永磁转子上增加了一段磁阻转子，从而成为一种永磁电机PM和磁阻电机SRM相结合的、而且磁链和电感参数连续可变的、机械式转矩自适应调速或采用智能控制的高性能永磁磁阻无刷电机（Variable Permanent MagnetResistance Motor英文缩写记为VPMRM）；

其中永磁转子的有效长度与定子铁芯长度相当，磁阻转子长度≤永磁转子，且相当于转子可轴向移动的距离，转子的总长度≤定子的2倍长；转子与轴之间设置有可使转子相对于轴移动的调节磁链的机构；

上述永磁转子（2-1）和磁阻转子（2-2）与转子毂（1）固定连接，结合成可移动的转子，变速机构（4）使转子在轴上移动；上述转子移动过程中电机有3种工作状态：永磁转子（2-1）独占气隙的永磁同步或永磁无刷状态，部分永磁转子和磁阻转子共用定子气隙的互补模式状态,磁阻转子（2-2）独占气隙的开关磁阻电机状态。

所述VPMRM可变永磁磁阻电机，其特征在于所述磁阻转子的凸极数等于永磁转子的磁极数，凸极齿顶宽略小于定子齿宽，且凸极所占弧度小于凸极之间的弧度，凸极与定子间第一气隙δ1小于1.5mm，凸极之外与定子间的距离即第二气隙δ2＞δ1。

作为应用之一，本发明所述VPMRM可变永磁磁阻电机，其特征在于所述永磁转子是按永磁同步电机（PMSM）要求优化的，气隙为正弦磁场，采用矢量控制或直接转矩控制，所述磁阻转子的凸极中心位于永磁转子的交轴（qz）附近，凸极数等于磁极数；定子磁势矢量Fa由永磁同步电机的控制器在超前转子直轴（dz）电角度75°～150°之间实时调节，可最大限度利用磁阻转矩。

作为应用之二，本发明所述VPMRM可变永磁磁阻电机，其特征在于所述永磁转子是按永磁无刷电机（PMBLM）要求优化的，气隙为方波磁场，每极每相槽数qm=0.5，采用3相6步方波控制，所述磁阻转子的凸极中心位于直轴（dz）附近，凸极数等于磁极数；控制器每换相一次，永磁转子和磁阻转子转过60°电角度，换相时刻，磁阻转子刚好有一半的凸极（奇数号）对着定子槽，磁阻转子另一半（偶数号）齿对着定子齿，磁阻转子受力处于不稳定平衡状态，换相后，平衡打破，转子转动，方向由永磁转子旋向决定。

所述VPMRM可变永磁磁阻电机，其特征在于所述用于调节磁链使转子移动的变速机构是电控伺服机构，主要包括与机壳连接伺服电机4-1，与伺服电机的轴相连的减速器小齿轮4-2，与小齿轮相啮合的减速器大齿轮4-3，空心丝杆4-5与减速器大齿轮4-3连接，减速器大齿轮4-3通过第一向心推力球轴承4-6支撑于电机轴5上，空心丝杆4-5与丝杆螺母4-4耦合，只能转动；丝杆螺母通过第二向心推力球轴承4-7与转子固定连接，只能移动；转子通过滚珠花键4-8与电机轴5连接只能相对轴移动；伺服电机受控旋转时，减速器将力矩放大通过丝杆螺母副将旋转力矩变为轴向力产生移动，转子通过滚珠花键带动电机轴转动输出动力，伺服机构由控制单元控制。

如前所述VPMRM可变永磁磁阻电机，其特征在于作为实例首选的变速机构是一个极简的自适应的位置调节系统，采用自适应控制，系统主要由螺旋传动副和测力弹簧4-12组成，螺旋传动副包括电机轴上的外螺旋花键5-1的和位于转子毂1内的螺旋花键套1-1，螺旋花键套与电机轴上的外螺旋花键偶合可作螺旋运动以改变转子位置；螺旋角对应系统比例系数，转子电磁力矩按比例被转换为轴向力，弹簧4-12在轴向力作用下变形产生位移既测试了力矩又实现了转子位置移动。基本结构见附图1和附图4。

本发明具有以下优点和突出效果：

简单实用。发明在保留原技术方案优点的基础上，仅仅在原转子一端曾加一段磁阻转子，配置在定子端部，利用绕组空余空间，不增大电机体积。

创意新颖。将永磁电机与开关磁阻电机相结合，使电机在运行期间根据需要可从永磁无刷同步电机变为混合励磁电机甚至开关磁阻电机。

效果突出。在永磁同步电机平稳高效基础上，利用开关磁阻电机起步力矩电流比大，弱磁范围宽的优点。起动时磁阻转子扭矩大电流小，中低速时以永磁转子为主输出电磁力矩，弱磁时辅以磁阻反应力矩，从而提高电机综合性能。

适应性好。本发明VPMRM可变永磁磁阻电机，容易与PMSM和PMBLM两种永磁电机相结合；除扭矩自适应调速外，还提供了采用伺服机构控制转子弱磁量的设计，为进一步实现智能控制满足高端应用提供了方便。

附图说明

图1是机械系统简图，低速工作状态。图中标号：1转子毂，2转子，2-1永磁转子，2-2磁阻转子，3定子，4变速机构，5电机轴，6位置传感器，7缓冲室，8端盖及壳体，9轴承，10接线盒，11信息接口，同一标号在所有附图中代表同名部件。

图2是机械系统简图，静止或高速工作状态，磁阻转子已进入定子内。

图3是电控伺服机构简图，图中标号：4-1伺服电机，4-2减速器小齿轮，4-3减速器大齿轮，4-4丝杆螺母，4-5空心丝杆，4-6向心推力球轴承a，4-7向心推力球轴承b，4-8滚珠花键。

图4是优选实例3D剖视图，显示渐开线螺旋花键副和弹簧组成的变速机构，其中标号4-12是测力弹簧；螺旋花键传动副包括电机轴5上的外螺旋花键5-1的和位于转子2内的螺旋花键套1-1，螺旋花键套与电机轴上的花键耦合可作螺旋运动以改变转子位置。

图5是优选实例3D剖视图，且用于摘要附图。显示初始静止状态或高速状态，磁阻转子进入定子气隙参与作用输出磁阻转矩。

图6是优选实例3D剖视图，显示低速大扭矩工作状态，永磁转子占据气隙提供最大永磁磁链，全部输出永磁转矩。

图7显示实施例，3相8极/12槽可变永磁磁阻电机的定子与转子及霍尔传感器之间的相位关系，图中A、B、C标明各相位置，Ha、Hb、Hc标明霍尔位置，转子逆时针旋转，交轴q转到Ha位置时刻，A相和B相即将开始通电。

图8显示实施例的转子AB相通电，转子逆时针转过30°电角度（机械角7.5°）时刻转子的位置以及磁力线和定子电流的方向，“X”表示电流进，“o”表示电流出，磁力线用虚线表示，磁力线上的箭头表示磁通方向。

图9显示实施例的转子转过60°后，Hc转到交轴位置，通电相即将由AB切换为AC。

具体实施方式

下面结合一个3相12槽8极的可变永磁磁阻电机实例对本发明进一步说明。定、转子槽极配置参见附图7，长度单位默认为mm，电机参数：M=3、q=12、2p=8，定子铁芯外径Da=135，气隙直径D=85，叠厚L=60；转子外径Dr=84，2p=8，永磁转子段铁芯长50，附加磁阻转子段30，相加得转子总长度80，设计转子移动范围30，机械弱磁60%左右，在最高转速工况时磁阻转子刚好完全移入定子内。可得转子的总长度为定子长度的1.6倍。

本实例定子每极每相0.5槽，为分数槽结构，含4个单元电机，绕组接法灵活。霍尔元件Ha、Hb、Hc置于定子槽口处依次安放，直接感应永磁转子磁场，电角度相差120度，采用3相6步方波控制。

本实例永磁转子2-1是按永磁无刷电机（PMBLM）要求优化的，气隙为方波磁场，反电势为梯形波；齿槽比取0.5左右，采用V形内置磁钢，参见附图4，通过磁极将磁钢表面磁通聚集到极弧内，可使气隙磁密高于永磁体本身剩磁Br，磁负荷的提高可降低电负荷及铜损。

磁阻转子2-2按磁阻电机转子设计，凸极数为8等于永磁转子的磁极数2p，凸极齿顶宽8.5，第一气隙δ1=0.5，凸极中心位于直轴d附近，参见附图7～附图9。

本实例电机的变速机构秉承极简设计理念，是一个自适应系统，基本结构见附图4，螺旋花键传动副和测力弹簧4-12。螺旋花键传动副包括电机轴5上的外螺旋花键5-1的和位于转子毂1内的螺旋花键套1-1，螺旋花键套与电机轴上的花键配合可作螺旋运动以改变转子位置；螺旋角为30°，转换系数为0.577，螺旋花键计算半径为0.01m，电机额定功率3KW，2855转/分时，可产生10Nm电磁力矩，它将产生10×0.577=577N的轴向力；以此作为配置弹簧的条件之一。如果使用滚珠螺旋花键，则可不考虑螺旋花键副内的摩擦系数。

变速机构的工作原理容易理解，本实施例测力弹簧4-12为圆柱形螺旋压缩弹簧，作用于转子毂1和电机轴5之间，弹簧刚度与扭矩系数相当，工作时转子将电磁扭矩在花键处传递给电机轴，同时通过螺旋花键产生轴向分力作用于弹簧使其缩短或伸长，改变和确定转子位置。系统以力矩为测控对象、输出所需磁链为结果、是自适应的闭环调节系统。

以下说明实施例磁阻转矩作用的机理。参见附图7～附图9，为了便于叙述，定子各齿的相位用A、B、C标识，位置传感器的顺序由Ha、Hb、Hc标识，磁极中心用d标识的箭头表示转子磁场的方向，磁极边沿用q表示交轴，图中只标识了一个磁极，余类同，ω标识转子旋向，图中的封闭曲线表示磁力线，对着定子槽的磁阻转子的齿视为奇数齿，其余为偶数齿。

电机通电前转子处于弱磁位置。磁阻转子只在电机由静止开始起动并加速的过程中和在额定转速以上需要弱磁、永磁转子不完全占据定子气隙而由磁阻转子替代的时候，磁阻转子发生作用。参见附图2和附图5。

转子逆时针旋转到某一时刻，交轴转到Ha位置时刻，控制器即将切换到A相和B相通电。此时，磁阻转子刚好有一半的齿（比如1、3、5、7奇数齿）对着定子槽，其余偶数齿对准定子齿，磁阻转子处于对称受力不稳定平衡状态（图8），但永磁转子继续旋转。

继而换相完成，这时C相不通电，C相齿属于关断相，磁势Fa为零，对偶数齿无作用力。而转子奇数齿越过齿槽中心，偏向前方定子齿，磁力线变化，打破平衡，磁阻转子凸极齿受麦克斯韦力（吸力或拉力）作用，趋向与前方定子齿对齐（图9）。

继而下一时刻，磁阻转子的奇数齿与前方转子齿对齐，磁阻转子另一半偶数齿对着定子槽，交轴对准Hc位置，控制器即将切换为A相和C相通电，进入循环的下一步。

由于磁阻转子的凸极齿没有极性，只在对准转子齿或对准槽之间变化，而定子总有一相不通电，其余2相通电，只在这2种状态转换，不断重复能量转移，而方向由永磁转子决定。

Claims (5)

1.一种可变永磁磁阻电机，包括定子（3），可移动的转子（2），使转子移动的变速机构（4），其特征在于所述可变永磁磁阻电机的转子在可移动的永磁转子（2-1）上增加了一段磁阻转子（2-2），从而成为一种永磁电机和磁阻电机相结合的而且磁链和交、直轴电感参数连续可变的机械式转矩自适应调速或采用智能控制的高性能可变永磁磁阻电机；

上述磁阻转子的凸极数等于永磁转子的磁极数，凸极齿顶宽略小于定子齿宽，且凸极所占弧度小于凸极之间的弧度，凸极与定子间第一气隙δ1小于1.5mm，凸极之间的弧度与定子间的距离即第二气隙δ2＞δ1；

上述永磁转子的有效长度与定子铁芯长度相当，磁阻转子长度≤永磁转子长度，磁阻转子的长度等于转子可轴向移动的距离，转子的总长度≤定子的2倍长；转子（2）与轴（5）之间设置有可使转子相对于轴移动的调节磁链的机构；

上述永磁转子（2-1）和磁阻转子（2-2）与转子毂（1）固定连接，结合成可移动的转子，变速机构（4）使转子在轴上移动；

上述转子移动过程中电机有3种工作状态：永磁转子（2-1）独占气隙的永磁同步或永磁无刷状态，部分永磁转子和磁阻转子共用定子气隙的互补模式状态,磁阻转子（2-2）独占气隙的开关磁阻电机状态。

2.如权利要求1所述可变永磁磁阻电机，其特征在于所述永磁转子是按永磁同步电机要求优化的，气隙为正弦磁场，采用矢量控制或直接转矩控制，所述磁阻转子的凸极中心位于永磁转子的交轴附近，凸极数等于磁极数；定子磁势矢量由永磁同步电机的控制器在超前转子直轴电角度75°～150°之间实时调节，可最大限度利用磁阻转矩。

3.如权利要求1所述可变永磁磁阻电机，其特征在于所述永磁转子是按永磁无刷电机要求优化的，气隙为方波磁场，每极每相槽数等于0.5，采用3相桥式方波控制，所述磁阻转子的凸极中心位于直轴附近，凸极数等于磁极数；控制器每换相一次，永磁转子和磁阻转子转过60°电角度，换相时刻，磁阻转子刚好有一半的凸极对着定子槽，磁阻转子另一半凸极对着定子齿，磁阻转子受力处于不稳定平衡状态，换相后，平衡打破，转子转动，方向由永磁转子旋向决定。

4.如权利要求1所述可变永磁磁阻电机，其特征在于所述使转子相对于轴移动的调节磁链的机构是电控伺服机构，主要包括与机壳连接伺服电机（4-1），与伺服电机的轴相连的减速器小齿轮(4-2)，与小齿轮相啮合的减速器大齿轮（4-3），空心丝杆（4-5）与减速器大齿轮（4-3）连接，减速器大齿轮（4-3）通过第一向心推力球轴承（4-6）支撑于电机轴（5）上，空心丝杆（4-5）与丝杆螺母（4-4）耦合，只能转动；丝杆螺母通过第二向心推力球轴承（4-7）与转子固定连接，只能移动；转子通过滚珠花键（4-8）与电机轴（5）连接只能相对轴移动；伺服电机受控旋转时，减速器将力矩放大通过丝杆螺母副将旋转力矩变为轴向力产生移动，转子通过滚珠花键带动电机轴转动输出动力，伺服机构由控制单元控制。

5.如权利要求1所述可变永磁磁阻电机，其特征在于所述使转子相对于轴移动的调节磁链的机构是一个机械式的位置调节系统，自适应控制；系统主要由螺旋传动副和测力弹簧（4-12）组成，螺旋传动副包括电机轴上的外螺旋花键（5-1）的和位于转子毂（1）内的螺旋花键套（1-1），螺旋花键套与电机轴上的外螺旋花键偶合可作螺旋运动以改变转子位置；转子电磁力矩按比例被转换为轴向力，弹簧（4-12）在轴向力作用下变形产生位移实现转子位置移动。

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