CN109995161A - 具有可移动的通量分流元件的永磁电动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆或其他系统的永磁电动机(PM机)包括转子组件、固定永磁体、定子、致动器和一个或多个可重新定位/可移动的通量分流元件。重新定位通量分流元件以控制PM机的特定操作点处的通量。转子组件具有同轴地围绕转子轴并且联接到转子轴的转子。永磁体安装在转子上或转子中，并且可移动的通量分流元件位于转子轴和相应的一个永磁体之间。每个相应的永磁体的内侧端和外侧端可以分别朝向转子轴和定子定向。致动器选择性地将可移动的通量分流元件定位在PM机的一个或多个操作点处，改变由定子和转子组件构成的磁路中的磁阻。

Description

具有可移动的通量分流元件的永磁电动机
引言
牵引电动机和发电机形式的电动机用于在各种机电系统中产生扭矩。电机包括相对于定子同心定位的转子，其中定子与转子外切。当电动机由诸如逆变器和多单元电池组的高压电源供电时，转子轴旋转。由转子轴传递的扭矩可用于在机电系统中执行工作，例如通过发电、起动和启动发动机或推进车辆。
在永磁电动机或“PM机”中，稀土永磁体在转子的结构的表面安装或嵌入转子的结构内。永磁体以偶数的数量在磁北极/南极交替围绕转子的圆周布置。定子限定多个定子槽，每个定子槽分别缠绕有导电线或导条，形成定子绕组。
然后，定子绕组依次由多相输入电压通电，产生旋转电磁场。该旋转电磁场与转子的固定永磁体的强磁场相互作用。磁场相互作用的力最终使转子轴旋转，从而使连接的转子旋转。输送到定子绕组的输入电压的外部控制最终控制由PM机产生的电动机扭矩的量和转子轴旋转的速度。在高速/低负载操作条件下，PM机倾向于经历相对高的能量损失作为总有用功率的百分比，这种损失效应主要归因于永磁体的大的固定磁场。
发明内容
本文公开了一种永磁型电机(“PM机”)，其中连接到周围定子的旋转磁场的转子组件的一组永磁体的永磁场被实时地主动或无源地控制，以有选择地实现基于操作点的通量分流效应。如本文所用，“通量分流”是指由于磁阻的选择性变化，通过由PM机的结构形成的磁路的磁通量的有目的方向，所述PM机的结构中尤其是永磁体和转子材料。
如本文和本领域所使用的，“磁阻”是指由磁路提供给磁通量的阻塞，有点类似于电路中的电阻。正如电流趋向于遵循电路中的最小电阻路径一样，磁通量将遵循最小磁阻路径。在数学上，磁阻(S)可以表示为磁动势(F)和磁通量(φ)的函数：
本方法通过在PM机的特定操作点处对一个或多个通量分流元件的位置控制来自动改变PM机的磁路中的磁阻。
更具体地，磁阻在转子的指定区域内变化，该指定区域距离上述永磁体的内侧/径向最内侧端最近。为了启动通量分流，可移动的通量分流元件放置于转子内并且在PM机的某些操作点处进行调整位置。例如，可以选择性地启动通量分流，使其高于旋转速度阈值和低于转子的扭矩阈值，从而减少与场相关的损耗，否则当需要通量来产生扭矩时，通量分流会保持未启动。
相对于内燃机的性能，PM机在低速/高扭矩条件下是相对有效的扭矩发生器，例如当电动机扭矩被引导为驱动机动车的车轮从静止状态加速。然而，PM机的效率随着速度增加和电动机扭矩减小而降低。也就是说，高速/低扭矩操作点可能导致与场相关的损耗，如果磁阻可以如本文所启用的以有目的的方式变化，则将极大地有益于使用PM机的车辆或其他系统的性能。因此，所公开的方法旨在提供与PM机相关的上述场损耗现象的可能解决方案，而不会损害PM机的结构完整性和封装要求。
在示例性实施例中，PM机包括转子组件和定子。转子组件包括转子轴、同轴围绕转子轴并联接到转子轴的转子、多个固定永磁体、以及定位在转子中的可移动的通量分流元件。定子邻近转子定位，形成磁路。PM机被配置为选择性地定位PM机的可移动的通量分流元件，以在PM机的一个或多个操作点处改变磁路中的磁阻。
每个相应的一个永磁体可以安装到转子上并且具有内侧端和外侧端。各个永磁体的内侧和外侧端分别朝向转子轴和定子来定向。
在一些实施例中，可移动的通量分流元件可围绕与转子的旋转轴线相同或平行的旋转轴线旋转。在这样的实施例中，可移动的通量分流元件可包括多个可移动的通量分流元件，这些通量分流元件由具有不同的相对磁导率值的第一和第二材料的半部连接构成。第一材料可以是非磁或顺磁材料，第二材料可以是铁磁材料。
转子可以限定弧形槽，并且可移动的通量分流元件包括轴向延伸的指状物，所述指状物可在转子的弧形槽内围绕与转子的旋转轴线相同的旋转轴线旋转。
或者，转子可以限定径向槽，并且可移动的通量分流元件可以在径向槽内朝向永磁体平移，以封闭相应的一个固定永磁体和通量分流元件之间的气穴。可移动的通量分流元件也可以在径向槽内平移远离相应的永磁体，从而打开相应的永磁体和通量分流元件之间的气穴。
在一些实施例中可以使用可旋转的凸轮盘。凸轮盘限定弧形通槽，其中可移动的通量分流元件包括多个可移动的通量分流元件。凸轮盘通过致动器可旋转，以使通量分流元件在转子相应的一个径向槽内相对于转子的旋转轴线平移。凸轮盘的旋转通过相应的一个弧形通槽和相应的一个可移动的通量分流元件之间的接触来平移通量分流元件。
转子被分成交替的第一和第二转子段，可移动的通量分流元件具有不同几何形状或形状的交替的第一和第二通量分流段，并且其中可移动的通量分流元件在一个轴向上平移，使第一和第二通量分流段分别与第一和第二转子段对齐，并且可移动的通量分流元件在另一轴向方向上平移，使第一和第二通量分流段分别与第二和第一转子段对齐。
致动器和控制器可以彼此通信，致动器配置成响应于来自控制器的控制信号移动可移动的通量分流元件。
致动器可以可选地实施为无源致动器，该无源致动器配置成在第一旋转方向上偏置可移动的通量分流元件，使其低于转子的阈值加速力，并且允许可移动的通量分流元件在第二旋转方向上以高于阈值的加速力移动。
在一些实施例中，致动器被配置成平衡由于向心加速度、通量分流元件上的磁力以及无源致动器施加到通量分流元件的弹力而产生的力，从而无源地定位通量分流，以从而无源地定位通量分流元件，使得通量分流在高速和低扭矩下是启动状态，并且在其他情况下是非启动状态。
由于磁场围绕或穿过通量分流元件，通量分流元件受到力。力分解为净力和/或扭矩，其倾向于取代通量分流元件。这些力的大小是施加在定子绕组中的电流的函数。例如，在没有定子电流的情况下，通量分流元件位移到“完全分流”位置的趋势可能最强。随着定子电流增大，趋向于将通量分流元件移动到“完全分流”位置的力或扭矩可以减小。
特别地，直轴(d轴)电流和正交(q轴)电流可以对作用在通量分流元件上的力具有不同的影响。可以使用无源致动来利用这一事实。通过适当地平衡由于向心加速度、通量分流元件上的磁力和施加的弹簧力而产生的力，致动器可能能够无源地定位通量分流元件，使得通量分流在高速和低扭矩下是启动状态，并且在其他情况下是非启动状态。如果致动不能实现完全无源，也可以采用这种布置来降低主动致动器所需的能力。
可移动的通量分流元件可包括多个可移动的通量分流元件，每个可移动的通量分流元件安装到相应一个可旋转的扭矩传递元件上或与其一体构成。
具有可旋转的小齿轮的齿轮组可以与太阳齿轮啮合，其中每个小齿轮与相应一个扭矩传递元件连接或与其一体构成。该实施例中的致动器配置成使太阳齿轮旋转。
本文还公开了一种车辆，包括驱动轮、具有输入构件和输出构件的变速器，其中，输出构件连接到驱动轮，PM机联接到输入构件。PM机可以配置成将电动机扭矩传递到输入构件，并且其包括转子组件，该转子组件具有转子轴、同轴围绕转子轴并联接到转子轴的转子、多个固定永磁体，每个永磁体安装到转子上并且具有相应的内侧端和外侧端以及位于转子中的可移动的通量分流元件。PM机还包括定子，该定子围绕转子组件以与其构成磁路。每个相应的永磁体的内侧端和外侧端分别朝向转子轴和定子定向。致动器可以被配置为选择性地定位PM机的可移动的通量分流元件，从而在PM机的一个或多个速度和扭矩操作点处改变磁路中的磁阻。
本公开的上述和其他特征和优点将从以下结合附图和所附权利要求的实施例的详细描述和用于执行本公开的最佳模式中变得显而易见。
附图说明
图1是具有永磁型电动机(“PM机”)的示例性车辆的示意图，该永磁型电动机具有如本文所述的可选择性重新定位的通量分流元件。
图2是示例性电动机速度-扭矩-通量图，其中纵轴表示电动机扭矩和通量，横轴表示电动机速度。
图3A和图3B是与根据示例性配置的图1的PM机一起使用的转子的一部分的示意性平面视图，其中可旋转的通量分流元件用于改变转子的指定区域中的磁阻。
图4是转子组件和齿轮组的示意性平面视图，该齿轮组可用于重新定位图3A和图3B中所示的通量分流元件。
图5A和图5B是转子的一部分的示意性平面视图，示出了示例的极和上述通量分流元件的另一可能实施例，其中通量分流元件被实施为同轴可旋转元件的轴向指状物，其同时控制转子的极的通量分流。
图6是转子的一部分的示意性平面视图，示出了上述通量分流元件的另一可能实施例。
图7是转子和可与图5A和图5B中所示实施例一起使用的同轴可旋转元件的示意性侧视图。
图8是图7中所示的转子和同轴可旋转元件的示意性端视图。
图9A和图9B是根据另一个可能实施例的转子的局部示意性平面视图，在另一个可能实施例中，通量分流元件可在径向方向上移动。
图10A、图10B和图10C是可用于图9A和图9B的实施例的可旋转凸轮盘的示意性平面视图。
图11A和图11B是根据实施例的具有旋转轴线和通量分流段的分段转子的局部示意性侧视图，在该实施例中通量分流段可平行于旋转轴线平移。
图12A、图12B、图12C和图12D是根据图11A和图11B的实施例的转子的代表性极的局部示意性平面视图。
本公开易于进行各种修改并具有替换形式，已经通过附图中的示例示出了一些代表性实施例，并且将在本文中对其进行详细描述。
然而，应该理解，本公开的新颖方面不限于附图中示出的特定形式。相反，本公开将覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等同物、组合、子组合、排列、分组和替代。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示出了具有电传动系12的示例性机动车辆10。电传动系12包括具有多个电池单元14C的高压电池组(BHV)14。电池组14电连接到永磁型电动机(ME)16，在此也称其为PM机16，其构造有如下面参照图3A-12D所述的可变磁阻/通量分流能力。在某些实施例中，PM机16可以用作机动车辆10上的电力牵引电动机，以产生足以推进车辆10的电平的电动机扭矩(箭头Tm)，其作为发电机，和/或用于执行其他有用的工作的电动机。
PM机16的应用通常不限于移动或车辆应用，或特别是机动车辆推进应用。本领域普通技术人员将理解，当如下所述构造时，所公开的PM机16的附带好处可以扩展到依赖于使用电动机扭矩(箭头Tm)，特别是在PM机16的高速度/低扭矩操作条件下，的固定和移动应用。
作为本公开的基础，并简要参考图2的示例性操作图，通过此可以认识到PM机，例如图1的PM机16，在高电动机转速(Nr)和低负载或电动机扭矩(Tm)下操作时，通常经历相对高的场相关的损耗作为有用功率的百分比，其中电动机转速(Nr)以横轴表示并且表示为每分钟转数(rpm)，以及电动机扭矩(Tm)以左侧纵轴表示并表示为牛顿-米(N-m)。对轮廓线(箭头F)进行编号，示出通过在各个区域中应用本公开的分流的相对系统损失。代表性的过量通量操作区通常在图2中以Z表示。在图2中示出的数值是一种可能的配置。
区域(Z)示出了从用于典型的PM机中这一类型的永磁体发出的相对大的固定磁场的通量级，例如大矩形条形磁体，其嵌入相对的V形槽中以构成南北极，围绕这种PM机的转子组件的圆周。因此，磁路存在于典型PM机的转子和定子之间，穿过转子和定子之间的小气穴，并且穿过转子的永磁体和周围的磁芯材料之间的小气穴。当如图2的区域(Z)中所示，磁通量可能过量地产生。由于DC总线电压的限制，产生的磁通量是不希望的。因此，本方法通过改变PM机16的特定操作点处的磁阻来有针对性地改变通量路径或选择性地“分流”磁路中的磁通量。
图1的PM机16配置成具有可变的通量分流能力，旨在提高PM机16的操作效率，具体地，当不需要磁通量来产生电动机扭矩时(箭头Tm)，如图3A所示，通过改变PM机16的一组永磁体60的内侧端17处的磁阻实现。该目标通过移动，即选择性地改变图1的PM机16的特别配置的通量分流元件的轴向、径向和/或角位置来实现，其转而实时改变内侧端17的磁通路径。用于实现这种可变通量分流的不同实施例在图3A-12D中示出，并在以下详细描述。
进一步关于图1中所示的示例性车辆10，电池组14可以可选地通过车外充电站11充电，例如如图所示的直流(DC)快速充电站，其中充电可以使用施加的DC电压(VDC)通过电荷耦合器件20直接传送到电池组14，经由具有一个或多个内部半导体和/或机械开关S1的电压调节器24或通过可用的交流电充电系统(未示出)可以将充电直接传送到DC电压总线22。
电传动系12还包括功率逆变器模块(PIM)18，其经由DC电压总线22电连接到电池组14。通过脉冲宽度调制或其他期望的切换技术自动控制PIM18的内部半导体开关(未示出)，以便产生适合于通电PM机16的交流电(AC)输出电压。AC电压总线40用于将PIM18电连接到PM机16的各个相绕组。DC-DC电压转换器/辅助电源模块(APM)19可以用于将DC电压总线22的电压电平降低到较低的辅助电平，例如12-15VDC，其转而可以存储在辅助电池(BAUX)44，用于通电车辆10上的低压电气系统。
PM机16的转子轴65可以通过输入离合器32的操作选择性地连接到负载，例如变速器(T)30的输入构件28。当PM机16作为电力牵引电动机操作时和/或PM机16可根据需要作为发电动机操作时，转子轴65旋转并由此将输入扭矩(箭头TI)传送到输入构件28。来自通电的PM机16的电动机扭矩(箭头Tm)可以基于电传动系12的配置，被引导到输入构件28，和/或以变速器30的输出构件33和连接到输出构件33的一组驱动轮34的形式的另一负载。来自变速器30的输出扭矩(箭头TO)可以经由一个或多个驱动轴36传递到驱动轮34。
可选的控制器50可用于响应于输入信号(箭头CCI)控制PM机16正在进行的操作，这通过将控制信号(箭头CCO)传输到PM机16来实现。例如，控制器50可以监控PM机16的旋转速度和扭矩，并且在某些扭矩-速度操作点处或者另外需要微调PM机16的性能时主动地控制本文所述的通量分流操作。控制器50可以体现为一个或多个电子控制单元，该一个或多个电子控制单元具有必需存储器(M)和处理器(P)，以及其他相关的硬件和软件，例如时钟或定时器、输入/输出电路等。存储器(M)可以包括足够量的只读存储器，例如磁存储器或光存储器。体现控制方法的指令可以编程为存储器(M)中的计算机可读指令100并且其在车辆10的操作期间由处理器(P)执行，从而优化操作效率。
图3A和图3B示出了图1的PM机16的可能实施例，其中一个PM机段16S具有极15。如本领域所公知的，偶数个极15用于诸如图1所示的PM机16的PM机中，例如，各种实施例中四个或八个这样的极15。PM机16具有转子组件61，即大致圆柱形的转子64，其通过花键或以其他方式安装到转子轴65上或与转子轴65一体构成。为简单起见，在图3A和3B中示出转子轴65的一部分与转子64相邻，其在图4和8中完全示出。图示实施例中的转子组件61设置在定子62的径向内侧，定子62限定了定子槽62S，定子槽62S填充有定子绕组62W，即条形导体或导线。如本领域中已知的，定子62通过小气穴63与转子组件61分离。然而，可以设想其他实施例，例如轴向间隙配置，其中定子62邻近转子组件61定位，使得气穴63在轴向方向上在转子组件61和定子62之间延伸。为了说明的一致性，在下文中描述径向间隙配置，但不将本公开限制于这些实施例。
极15由固定永磁体60构成，例如，布置成V形的扁平条形磁体，其从永磁体60的内侧端17径向向外朝向定子62开口。在一些实施例中，另外一组永磁体60A可定位在固定永磁体60和定子62之间。每个永磁体60的相应外侧端21位于比内侧端17更靠近定子62的位置，即，内侧端17是“内侧”的，即内侧端17比外侧端21更接近于转子轴65。
如上所述，转子组件61可以在其形状上基本上是圆柱形的，即，横截面大致为圆形，因此其相对于转子组件61的旋转轴线形成正圆柱体，由于制造公差、表面特征和连接组件可能会变化。定子62轴向围绕转子组件61并因此完全包围转子组件61，并且其通过上述气穴63与转子组件61分离。类似地，由与永磁体60的内侧端17相邻的转子64限定小气穴163，其中气穴163由永磁体60限定，并且由导磁材料构成的薄桥38形成转子64，例如低碳钢。即，桥38是转子64的薄的部分，因此是转子64整体部分的一部分。
本文公开的各种实施例中的转子64包括多个可移动的通量分流元件68。在图3A和图3B的非限制性实施例中，通量分流元件68通常是圆形的并且可绕旋转轴线42旋转，旋转轴线42平行于转子轴65的旋转轴线66(参见图4)。通量分流元件68的旋转可以通过控制器50的操作主动地发生，或者通过图1的PM机16中存在的加速力的操作无源地发生，其改变通量分流元件68、永磁体60和转子64，特别是在永磁体60的内侧端17处，之间的通量路径BB。
在图3A和图3B所示的示例实施例中，通量分流元件68基本上是圆形的并且由匹配半部68A和68B构成。匹配半部68A和68B可分别由具有不同磁导率特性的第一和第二材料M1和M2构成。也就是说，在相对磁导率(μR)为1的真空中，第一材料M1的相对磁导率可以是反磁性(μR<1)或非磁性/顺磁性材料，例如铝、铜、和/或塑料。第二材料M2可以是铁磁材料，即μR>>1，例如低碳钢或铁。通量分流元件68可以可选地由例如，第一和第二材料M1和M2的挤压成型件构造，并且可以包括互锁特征部69以帮助保持跨越不同的匹配半部68A和68B的结构完整性。
图3A示出了当通量分流处于启动状态时通量分流元件68的可能取向。对于未示出的极15，该取向将围绕转子64的圆周交替。也就是说，使通量分流元件68旋转，使得第二材料M2，即通量分流元件68的铁磁侧，朝向特定图示的磁极15的永磁体60的内侧端17定向。磁通量可以从内侧端17穿过第二材料M2。换句话说，借助于第二材料M2将相对大面积的导磁材料呈现给永磁体60的内侧端17，因此通过通量分流元件68在分流路径BB中看到相对强的通量分流响应。
相比之下，图3B示出了当通量分流处于非启动状态时通量分流元件68的定位。通量分流元件68相对于图3A所示的位置旋转，使得相对不可渗透的第一材料M1现在朝向永磁体60的内侧端17定向。因此，图3B中示出的取向示出了相对于图3A中所示的路径的高磁阻分流路径BB，磁通量通过薄桥38而不是通过相对不可渗透的第一材料M1。换句话说，以类似于电流的方式，磁通量在给定磁路中找到阻力最小的路径，图3B中该路径横跨薄桥38。然而，该薄桥38很快被小磁场饱和，因此对磁路呈现高磁阻。因此，在所示出的取向中，通量分流通常处于非启动状态的。转子64的机械完整性需要薄桥38。
图4示出了用于定位图3A和图3B的通量分流元件68的可能实施例。永磁体60的相应的极15可以定位在转子64的周边壁70附近，还示出了转子轴65及其旋转轴线66。为了说明简单，示出了永磁体60的四个极15。如本领域所公知并且在上文其他地方所述，PM机的磁极，例如图1的PM机16均匀地分布在转子64的圆周上，即，存在相同数量的交替的南北磁极。当转子组件61绕旋转轴线66旋转经过定子62上的固定点时，该点因此将经历交替的北极和南极以产生必要的旋转力。
PM机16包括致动器46，如图4中示意性所示，诸如根据实施例的主动或无源旋转或线性致动器。致动器46最终将产生作为转换成旋转运动或旋转力/扭矩的线性力的致动力(箭头FA)，施加到图3A和3B所示的通量分流元件68，使通量分流元件68沿特定方向旋转。致动器46可以在下面阐述的不同实施例中主动地或无源地施加致动力(箭头FA)，并且其配置为通过足以改变图3A和3B的第一和第二材料M1和M2的上述取向的角距离，在PM机16的一个或多个操作点处选择性地旋转通量分流元件68。
作为图1的车辆10内的示例应用，例如，当在例如图2的高通量区Z中操作时，可以通过通量分流元件68以PM机16的高速和低扭矩旋转来减小磁通量。在致动方面，图1的可选控制器50可以确定PM机16的速度和扭矩，例如通过计算、测量或查找表，然后当检测到阈值操作点时命令图4的致动器46旋转通量分流元件68，例如当转子轴65的速度高于阈值速度并且转子轴65的电动机扭矩低于阈值扭矩时。
或者，致动器46可以配置为部分或完全无源致动器，或者换句话说，以提供与控制器50的通信水平降低的无源致动。在这样的实施例中，致动器46可以在第一预定旋转方向上无源地偏置通量分流元件68，使其低于转子组件61的阈值加速力，并且当转子组件61的加速力超过偏置力时，使得通量分流元件68能够在第二预定旋转方向上旋转。
除了作用在通量分流元件68上的加速/离心力之外，通量分流元件68还受到由围绕或穿过其的通量场产生的作用力。这些力分解为趋向于使通量分流元件68位移的净力和/或扭矩，并且这些力的大小是施加在图3A和3B的定子绕组62W中的电流的函数。例如，在没有定子电流的情况下，通量分流元件68位移到“完全分流”位置的趋势可能最强。随着定子电流增大，趋向于将通量分流元件68移动到“完全分流”位置的力或扭矩可以减小。
尤其是如本领域中已知的那些术语，直轴(d轴)电流和正交(q轴)电流可对作用在通量分流元件68上的力具有不同的影响。可以使用无源致动来利用这一事实。通过适当地平衡由于向心加速度、通量分流元件上的磁力以及施加到通量分流元件68的弹簧力引起的力，致动器46可以能够无源地定位通量分流元件68，使得通量分流在高速和低扭矩情况下处于启动状态，在其他条件下处于非启动状态。在致动无法实现完全无源的情况下，也可以采用这种布置来降低主动致动器所需的能力。
在图4的示例实施例中，多个扭矩传递元件72(例如弧形件、板或其他合适的结构)可设置在转子64的材料中限定的圆形开口74内。扭矩传递元件72可以牢固地连接到扭矩传递元件72和/或通量分流元件68中的相应一个或与其一体地构成，使得扭矩传递元件72在圆形开口74内的旋转足以旋转与其连接的通量分流元件68。
邻近转子64轴向设置的行星齿轮组80可用于响应于由致动器46施加到齿轮组80的致动力(箭头FA)而使扭矩传递元件72旋转。齿轮组80可包括太阳齿轮81和围绕太阳齿轮81均匀布置的多个小齿轮82，即，穿过各个小齿轮82的相应中心点的假想圆88。在一些实施例中，太阳齿轮81可由致动器46可旋转地驱动。因此，太阳齿轮81沿箭头CC的方向的旋转将使小齿轮82沿箭头DD的相反方向旋转。在其他实施例中，致动器46可以是螺旋弹簧组件(未示出)，其在一个旋转方向上旋转地偏置太阳齿轮81，直到转子64的加速力克服反弹/弹簧力。
图5A和图5B示出了在转子64的弧形槽48内旋转的可选的通量分流元件168，其中该特定实施例中旋转是绕着图4的旋转轴线66旋转。在通量分流元件168和相邻的永磁体60的内侧端17之间存在气穴163。在一些配置中，空气腔26可以存在于弧形槽48的径向内侧。通量分流元件168可以可选地配置为同轴可旋转元件52的轴向指状物(参见图7和8)。因此，同轴可旋转元件52的旋转，例如从转子64的一端的旋转，导致通量分流元件168在弧形槽48中在箭头DD的方向上旋转。强通量路径BB通过通量分流元件168在指示位置处的移动导致图5A的配置，即磁通量从永磁体60，通过围绕气穴163的转子64，通过通量分流元件168，并返回到永磁体60。
通量分流元件168沿图5B中箭头CC所示的方向旋转，导致未启动的通量分流。也就是说，当通量分流元件168远离永磁体60的内侧端17移动时，即，当旋转打开与内侧端17相邻的弧形槽48时，气穴163的大小相对于图5A有效地增加。因此，图5B中的通量路径BB是从永磁体60，通过转子64的相对薄的桥54，到通量分流元件168，并返回到永磁体60，以及围绕位于弧形槽48和转子轴65(未示出)之间的可选的空气腔26。因此，当通量分流未启动时，产生高磁阻路径。
图6示出了图5A和图5B中所示的替代实施例，其中弧形槽48与给定的一个极15共同延伸，与图5A和图5B所示的每个永磁体60具有单独的弧形槽48相反。通量分流元件268的旋转可以以上述通量分流元件168的方式实现，即通过图7和8的同轴可旋转元件52实现。然而，多个永磁体60的内侧端17之间的气穴163A由桥54分成单独的气穴163A和163B。沿箭头DD的方向旋转将通量分流元件268移动到与气穴163B直接相邻的指示位置。因此，通量路径BB存在为从永磁体60，通过转子64和通量分流元件268，并且经由转子64(未示出)返回到永磁体60。通量分流元件268沿箭头CC的方向旋转最终使通量分流元件268远离内侧端17移动，使得磁通路径(图6中未示出)将穿过相对薄的桥54。
简要地参考图7和8，图5A、图5B和图6中所示的实施例的致动可以使用同轴可旋转元件52实现。同轴可旋转元件52径向设置在转子64内。因此，同轴可旋转元件52的旋转轴线与本实施例中的转子轴65的旋转轴线66相同。图7中所示的致动器46可以从转子64的一端向同轴可旋转元件52传递致动力(FA)，以实现主动通量分流，例如图5A和图6中所示的位置，此处反弹力将同轴可旋转元件52偏置到图5B的未启动通量分流位置。
再次简要地参考图5A和图5B，所示出的实施例具有设计简单的优点，同轴可旋转元件52控制永磁体60的内侧端17处的分流。然而，转子64的叠片通常围绕转子64的周边对称。因此，为了实现图7和8的致动实施例，可能需要在叠片中有一些左右不对称。这种不对称的实现在磁性几何结构方面可能不是最佳的，但是包括几何不对称性可以通过允许使用图7和图8的配置来简化机械致动。在对称转子64中，即相邻极15配置相同而不具有相反的极性取向，的通量分流，可以以各种方式在典型的“V形”极15的两侧实现，例如通过使用两个反向旋转/嵌套元件(未示出)。
上述说明的实施例通过通量分流元件68、168或268的旋转来改变磁阻。或者，可以使用，使用替代的通量分流元件368的图9A和图9B中所示的结构实现选择性通量分流效应。通量分流元件368配置成如图9A中箭头J所示，在径向槽75中平移，径向远离转子64的旋转轴线66，因此，通量分流是非启动的，或者远离旋转轴线(图9B中箭头K)以开启通量分流。当通量分流如图9A所示处于未启动状态时，在通量分流元件368的外侧端368E与周围转子64之间限定的气穴263打开，留下转子64的相对薄的桥54作为通量路径BB。相反，当通量分流如图9B所示处于开启状态时，通过插入通量分流元件368来关闭气穴263。结果，导磁材料紧邻永磁体60的相应内侧端17存在以承载磁通量，这种材料由通量分流元件368和转子64的结构提供。
图10A-C共同示出了用于致动图9A和图9B的通量分流元件368的可能方法。如图10A所示，具有中心通孔73的凸轮盘58限定多个弧形通槽56和57。转子轴65容纳在通孔73内，凸轮盘58连接到相同的凸轮盘(未示出)，使得凸轮盘58设置在转子64的相对端，例如，通过杆彼此连接。尽管为了说明简单而省略，但是凸轮盘58可以设置在转子轴65的轴承上以帮助保持同心度。凸轮盘58通过图4和7所示的致动器46可旋转，通过相应的弧形通槽56或57与相应的一个可移动通量分流元件368之间的接触，使通量分流元件368相对于旋转轴线66在转子64的相应径向槽75内平移。
通过图10A的凸轮盘58在第一旋转方向上旋转来实现图10B，使得通量分流处于非启动状态，图10A的盘位置对应于图9A的实施例，例如，低速、或可能是高速和高扭矩。也就是说，凸轮盘58的旋转，通过在给定的一个槽56或57中的通量分流元件368的滑动接合，将通量分流元件268平移，远离旋转轴线66以打开气穴263。为了启动通量分流，例如在对应于图2的区域Z的高速/低扭矩条件下，图10A所示的凸轮盘58沿相反方向旋转，槽56和57引导通量分流元件368远离旋转轴线66并关闭气穴263。这样的位置对应于图9B。
图11A和图11B分别示出了具有转子段64A和64B以及轴向分段的通量分流元件468的转子组件164。转子段64A和64B可以由单独的叠片构成，例如25至50个单独的叠片，在一些实施例中每个叠片的厚度约为10-20mm。轴向分段的分流元件468可以箭头Q的方向沿旋转轴线66平移，以提供启动的通量分流(图11A)，或在不需要通量分流时沿相反方向箭头R(图11B)平移。可以将致动力(FA)施加到轴向分段的分流元件468的远端，以将轴向分段的分流元件468平移一段距离，该距离足以将构造相同的通量分流段369的第一组(I)与转子段64A对准，以及将构造相同的通量分流段370的第二组(II)与转子段64B对准。当不需要通量分流时，可以中断致动力(箭头FA)，并且返回力(箭头FR)因此促使轴向分段分流元件468，使得构造相同的通量分流段369的第一组(I)与转子段64B对齐，并且构造相同的通量分流段370的第二组(II)与转子段64A对齐。
为了实现图11A和图11B的实施例，转子64设置有构造不同的交替相邻段64A和64B。图12A和图12B示出了转子段64A和64B在对应于图11A的主动分流位置的可能示例配置，通量分流段369在平面内示出，并且通量分流段370在平面外示出。相同构造的通量分流段369和370的第一组和第二组(I和II)可以是轴向十字形或T形构件，如图所示。其他实施例可以使用不同形状的通量分流段369和370，例如L形，该特定形状使得通量分流在一个轴向方向上启用并且在另一个轴向方向上禁用或停用通量分流。在所示出的示例性配置中，通量分流段369和370的臂84、184可以，在图12A和图12B所示的启动的通量分流位置中，延伸到紧邻桥54的位置，即臂84和184与桥54之间的气穴463(见图12C)在图12A和图12B的主动分流位置有效地闭合。
当不再需要启动的通量分流时，通过反弹力(图11B的箭头FR)建立图11B的位置，该反弹力在图11B的透视图中沿箭头R的方向推动轴向分段的分流元件468。也就是说，构造相同的通量分流段369和370的第一组和第二组(I和II)分别与转子段64B和64A对准，使得磁通量减小。图12C和图12D分别示出了转子段64A和64B。上述提及的在桥54和构造相同的通量分流段369和370的相邻的第一和第二组(I和II)之间的气穴463在图12A和图12B中被封闭，因此在图12C和图12D中打开。结果，通量分流是非启动的，因为通量现在必须绕过扩大的气穴463。
因此，在图3A-12D的各种上述实施例中公开的可移动的通量分流元件68可以用于改变最靠近永磁体60的内侧端17的转子组件61的区域中的磁阻。以该方式，本公开能够实现主动控制图1的PM机16的场，使得相关的损耗减少，特别是在高速/低扭矩操作点处。
详细描述和附图或图是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种永磁电动机(PM机)，包括：
转子组件，具有转子轴、同轴地围绕所述转子轴并联接到所述转子轴的转子、多个固定永磁体，以及位于所述转子中的可移动的通量分流元件；和
定子，临近所述转子定位以形成磁路；
其中，所述PM机配置成选择性地定位所述PM机的所述可移动的通量分流元件，以在所述PM机的一个或多个操作点处改变所述磁路中的磁阻。
2.根据权利要求1所述的PM机，其中，每个相应的一个永磁体安装在所述转子上，并且具有内侧端和外侧端，并且其中所述各个永磁体的所述内侧端和外侧端分别朝向所述转子轴和所述定子定向。
3.根据权利要求2所述的PM机，其中所述可移动的通量分流元件能够围绕与所述转子的旋转轴线相同或平行的旋转轴线旋转。
4.根据权利要求3所述的PM机，其中所述可移动的通量分流元件包括多个可移动的通量分流元件，所述多个可移动的通量分流元件由具有不同相对磁导率值的第一和第二材料的连接半部构成，其中所述第一材料是非磁性或顺磁性材料，且所述第二材料是铁磁性材料。
5.根据权利要求1所述的PM机，其中所述转子限定弧形槽，并且所述可移动的通量分流元件包括轴向延伸的指状物，所述指状物能够在所述转子的所述弧形槽内围绕与所述转子的所述旋转轴线相同的旋转轴线旋转。
6.根据权利要求1所述的PM机，其中所述转子限定径向槽，并且所述可移动的通量分流元件配置成在所述径向槽内朝向所述永磁体平移，以封闭所述固定永磁体中的相应一个与所述通量分流元件之间的气穴；并且在所述径向槽内平移，远离所述相应的永磁体，从而打开所述相应的永磁体和所述通量分流元件之间的所述气穴。
7.根据权利要求6所述的PM机，还包括：可旋转凸轮盘，其限定多个弧形通槽，其中所述可移动的通量分流元件包括多个可移动的通量分流元件，并且所述凸轮盘通过制动器可旋转，从而使所述通量分流元件相对于所述转子的旋转轴线在所述转子的相应的一个所述径向槽内平移，并且其中所述凸轮盘的旋转通过相应的一个所述弧形通槽和相应的一个所述可移动的通量分流元件之间的接触来平移所述通量分流元件。
8.根据权利要求1所述的PM机，其中所述转子被分段成交替的第一和第二转子段，所述可移动的通量分流元件具有不同几何形状或形状的交替的第一和第二通量分流段，并且其中所述可移动的通量分流元件在一个轴向方向上的平移分别使所述第一和第二通量分流段与所述第一和第二转子段对准，并且所述可移动的通量分流元件在另一个轴向方向上的平移分别使所述第一和第二通量分流段与所述第二和第一转子段对准。
9.根据权利要求1所述的PM机，还包括：致动器和与所述致动器通信的控制器，其中所述致动器配置成响应于来自所述控制器的控制信号移动所述可移动的通量分流元件。
10.根据权利要求9所述的PM机，其中所述致动器是无源致动器，所述无源致动器配置成平衡由于所述转子的向心加速度、作用在所述通量分流元件上的磁力以及由所述无源致动器施加到所述通量分流元件的弹力而产生的力，由此无源地定位所述通量分流元件，使得通量分流在高速和低扭矩下处于启动状态，而在其他情况下处于非启动状态。
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