CN109995210A - 一种电机变磁通方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机变磁通方法，它是通过改变定子导磁能力以改变电机有效磁通，控制电机磁链的磁通量，以满足电机的低速大扭矩和高速大功率、高效率的需求。该方法，是通过改变定子磁链某个或几个部位截面，改变定子的磁通，从而改变电机磁通。

Description

一种电机变磁通方法

技术领域

本发明涉及改变电机磁通的方法，尤其是改变永磁同步电机磁通的方法。

背景技术

随着电机应用的普及和扩大，对电机的性能要求也相应提高，尤其在新能源交通领域，需要电机在低速时具有大扭矩，高速时具有高功率，另外，任何情况下都需要高效率，而一般电机往往很难达到这一要求。以永磁同步电机为例，如果低速时具备大扭矩，则转子的磁场强度就要很高，但是，高的磁场强度在电机高速运行时，自感电动势会抑制电机转速的提高，使电机无法高转速运行，为此，不得不采用弱磁控制，即：用一部分定子电流与磁钢磁力抵消，以降低磁场强度，从而提高转速，但是过大的弱磁电流有使磁钢退磁的风险，且退磁电流大幅度增加了定子的铜耗，使电机的效率下降。

为了解决电机高速效率低的问题，人们开始研究可变磁通电机，即：在低速时，具有强磁场，在高速时磁场变弱，以满足高速运行的要求。目前的主要技术思路是一下三种：记忆电机、机械漏磁电机和自然漏磁电机。

记忆电机部分或全部采用便于重新充磁的磁体（相当于具有记忆功能），根据电机运行的需要，通过定子线圈，对转子磁体进行充磁和退磁，使电机的性能满足低速和高速需求，但是这种电机的磁体磁密度相对于钕铁硼之类的强磁体小，电机功率密度小，另外，充磁和退磁控制算法极其复杂，控制困难，目前尚不具备产业化条件。

机械漏磁电机，是在转子内采用离心导磁块和弹簧结构，当电机达到一定转速后，离心力使导磁块贴近磁体，磁体的一部分磁力经过导磁块构成回路，产生漏磁，使转子输出的磁力减小，从而起到弱磁作用。但是，这种结构，导磁块设计在高速运行的转子中，运动灵活性、动平衡、震动等很难控制，加之电机内部环境是复杂多变和高强度的磁场，导磁块的运动存在着较大的不确定性，另外，这种电机的磁路设计也不同于一般的永磁同步电机，因此很难投入实际应用。

自然漏磁电机， 通过磁极结构设计，在低速时漏磁小，高速时漏磁增多就能自然的达到在高速时，减少磁通量供给这种要求。但是，调节幅度有限，另外，这种磁结构必然导致q轴电感Lq（电机转子上的磁链可分解为d轴和q轴两个相互垂直的坐标）减小，磁阻转矩下降，功率密度降低。

发明内容

本发明的目的提供一种电机变磁通方法，它是通过改变定子导磁能力以改变电机有效磁通，控制电机磁链的磁通量，以满足电机的低速大扭矩和高速大功率、高效率的需求。

本发明所述的电机变磁通方法，通过改变定子磁链某个或几个部位截面，改变定子的磁通，从而改变电机磁通。

作为对上述的电机变磁通方法的进一步改进，通过改变定子的铁芯磁链的截面大小改变定子磁通。

例如，定子铁芯上具有可嵌入铁芯外周上的凹槽内的磁通调节块，通过改变磁通调节块的径向位置，使得磁通调节块嵌入凹槽，或者使得磁通调节块远离凹槽，而改变定子磁通。最好，在定子铁芯的两端处分别设置有两个锥形调节套；锥形调节套靠近铁芯端部的直径较小；磁通调节块的两端与两个锥形调节套的锥面滑动接触；当两个锥形调节套相向或者相背移动时，磁通调节块沿径向方向远离或者靠近凹槽。

作为对上述的电机变磁通方法的进一步改进，定子铁芯上具有嵌入铁芯外周上的滑槽内并与滑槽底面接触的镶块，镶块的两侧与滑槽的两侧面均有间隙，通过在定子周向移动镶块，改变镶块与滑槽两侧的间隙大小，改变定子铁芯的磁阻大小，从而改变定子磁通。最好，定子铁芯外周设置一个绕定子轴线转动的镶块调节圈，镶块外周与镶块调节圈固定相连；当镶块调节圈转动时，带动镶块在滑槽内移动，从而改变镶块与滑槽两侧的间隙大小。

本发明的有益效果：将定子磁链的某个或几个部位截面，设计为可变，通过改变截面的形状、大小或者构造，改变定子的磁通。当定子磁通达到饱和时，转子超过定子饱和磁通部分的磁力无法通过定子铁芯，从而降低转子转动时在线圈内所能产生的饱和反电动势（该电动势是饱和磁通所能产生的最大反电动势），在不改变转子磁力的情况下，实现电机的磁通可控变化。

在实现电机可变磁通的技术发展过程中，现有的技术路线都是在改变转子的磁通，由于转子处于高速运行状态，其内部的各种机械或磁通方面的变化是很难进行监测和控制的，所以改变转子磁通的方法难于实现，或者成本太高。而电机作为一个整体，转子与定子的磁链是关联在一起的，为此，我们通过改变定子导磁能力以改变电机有效磁通，控制电机磁链的磁通量，以满足电机的低速大扭矩和高速大功率、高效率的需求。把改变电机磁通的结构等放在定子上，避免了设计在转子内的诸多不确定性，使可变磁通电机的产业化应用成为可能。

本发明提出的电机变磁通方法不受电机形式限制，可以用于任何需要可变磁通的电机，也不受改变定子饱和磁通的具体措施的限制，也不受磁通调节块、凹槽或者镶块、滑槽等形状、数量的限制。

附图说明

图1是磁通调节块嵌入凹槽时铁芯与磁通调节块相对关系示意图；

图2是磁通调节块嵌入凹槽时铁芯、锥形调节套与磁通调节块相对关系示意图；

图3是磁通调节块脱离凹槽时铁芯与磁通调节块相对关系示意图；

图4是磁通调节块脱离凹槽时铁芯、锥形调节套与磁通调节块相对关系示意图；

图5是间隙大小可变的电机变磁通结构立体图；

图6是间隙δ与磁通T关系图；

图7是镶块位于滑槽中间时示意图；

图8是镶块位于滑槽一侧时示意图。

图中，定子铁芯1，线槽11，凹槽2，磁通调节块3，磁通调节块的锥面31，锥形调节套4，锥形调节套的锥面41；

滑槽5，镶块6，镶块调节圈7，镶块调节齿轮轴8，齿圈9，镶块调节电机10。

具体实施方式

实施例1：铁芯横截面形状、大小可变的电机变磁通结构

参见图 1、3所示的电机变磁通结构，在开有线槽11的定子铁芯1上具有可嵌入铁芯外周上的凹槽2内的磁通调节块3，在定子铁芯的两端处分别设置有两个锥形调节套4，在定子轴向方向锥形调节套的锥面41靠近铁芯端部的直径较小、远离铁芯端部的直径较大。

磁通调节块3的两端具有与两个锥形调节套的锥面41滑动接触的锥面31。

为了使得磁通调节块3的两端锥面31与两个锥形调节套的锥面41保持接触，可以在设置弹簧，该弹簧在常态时使得磁通调节块3具有沿着定子径向方向向左凹槽2移动的趋势。当然，也可以是磁通调节块3采用与铁芯1的磁性能够在定子径向方向上向下的磁体，这样构造更加简单。施力装置（弹簧或者通过磁性相吸的磁通调节块和铁芯）使得磁通调节块的两端与两个锥形调节套的锥面保持接触。

参见图1、2，在电机处于低速大扭转状态时，两个锥形调节套4沿着定子轴向方向相背移动时，由于铁芯1对磁通调节块3的磁性吸力或者弹簧对磁通调节块3的弹簧力，推动磁通调节块3沿径向方向进入凹槽2，与凹槽2接触，铁芯允许磁通通过的最小磁通截面在径向方向的尺寸a变大，使得定子磁通达到最大。

参见图3、4，在电机处于高转速状态时，两个锥形调节套沿着定子轴向方向相向移动时，两个锥形调节套的锥面41推动磁通调节块3沿径向方向远离凹槽2，与凹槽2脱离接触，铁芯允许磁通通过的最小磁通截面在径向方向的尺寸a变小，使得定子磁通减小。

该结构通过改变定子的铁芯的横截面形状、大小改变定子磁通和电机的整个磁通。

实施例2：间隙大小可变的电机变磁通结构

参见图5，在开有线槽11的定子铁芯1上具有嵌入铁芯外周上的滑槽5内并与滑槽底面接触的镶块6，镶块的两侧与滑槽的两侧面有间隙。

通过在定子周向移动镶块，通过改变镶块与滑槽两侧的间隙大小，改变定子铁芯的磁阻大小，从而改变定子磁通。

定子铁芯外周设置一个绕定子轴线转动的镶块调节圈7，镶块6外周与镶块调节圈7的内周固定相连。镶块调节圈7的外周具有与镶块调节齿轮轴8相啮合的两个齿圈9，镶块调节齿轮轴8与镶块调节电机10的输出轴相连。镶块调节电机10带动镶块调节齿轮轴8转动，通过齿圈9使得镶块调节圈7转动，镶块6在滑槽5内移动，从而改变镶块6与滑槽5两侧的间隙大小。

我们知道，相邻两个界面之间的间隙δ与通过该间隙的磁通T关系如图6，当间隙δ较小时，间隙δ增大，磁通T大幅度降低，间隙δ减小，磁通T大幅度增加。当间隙δ较大时，间隙δ增大，磁通T降低幅度较小，间隙δ减小，磁通T增加幅度较小。间隙δ大小的界限，根据不同的磁场环境，间隙不同。对于图6来说，当图6中的曲线的切线斜率小于45°时，为间隙较小范围，反之为间隙较大范围。

参见图7，当镶块6两侧与滑槽5两侧面的间隙δ（且δ较小）均相等时，此状态下，磁阻较小，磁通较大，电机处于高转速状态；当镶块6与滑动到左侧，镶块右侧与滑槽右侧面之间的间隙变为2δ时（镶块左侧间隙变小右侧间隙变大），参见图8，由于间隙变小的左侧的磁阻降低幅度大于另一侧磁阻增大的幅度，因此，总磁阻变小，电机磁通变大，电机处于低速大扭转状态。

参见图7，当镶块两侧与滑槽两侧面的间隙δ（且δ较大）均相等时，此状态下，磁阻较大，磁通较小，电机处于低速大扭转状态；当镶块6与滑动到左侧，镶块右侧与滑槽右侧面之间的间隙变为2δ时（镶块左侧间隙变小右侧间隙变大），参见图8，由于间隙变小的左侧的磁阻降低幅度小于另一侧磁阻增大的幅度，因此，总磁阻变大，电机磁通变小，电机处于高转速状态。

该结构可根据需要设计相应的间隙δ，得到变磁阻规律，从而实现所需的变磁通控制。

Claims (6)

1.一种电机变磁通方法，其特征是：通过改变定子磁链某个或几个部位截面，改变定子的磁通，从而改变电机磁通。

2.如权利要求1所述的电机变磁通方法，其特征是：通过改变定子的铁芯磁链的截面大小改变定子磁通。

3.如权利要求2所述的电机变磁通方法，其特征是：定子铁芯上具有可嵌入铁芯外周上的凹槽内的磁通调节块，通过改变磁通调节块的径向位置，使得磁通调节块嵌入凹槽，或者使得磁通调节块远离凹槽，而改变定子磁通。

4.如权利要求3所述的电机变磁通方法，其特征是：在定子铁芯的两端处分别设置有两个锥形调节套；锥形调节套靠近铁芯端部的直径较小；磁通调节块的两端与两个锥形调节套的锥面滑动接触；当两个锥形调节套相向或者相背移动时，磁通调节块沿径向方向远离或者靠近凹槽。

5.如权利要求1所述的电机变磁通方法，其特征是：定子铁芯上具有嵌入铁芯外周上的滑槽内并与滑槽底面接触的镶块，镶块的两侧与滑槽的两侧面均有间隙，通过在定子周向移动镶块，通过改变镶块与滑槽两侧的间隙大小，改变定子铁芯的磁阻大小，从而改变定子磁通。

6.如权利要求5所述的电机变磁通方法，其特征是：定子铁芯外周设置一个绕定子轴线转动的镶块调节圈，镶块外周与镶块调节圈固定相连；当镶块调节圈转动时，带动镶块在滑槽内移动，从而改变镶块与滑槽两侧的间隙大小。