CN110417223A - 一种永磁电机调磁机构及其调磁方法 - Google Patents

一种永磁电机调磁机构及其调磁方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁电机调磁机构，包括转子，所述转子处环绕设有铁磁桥，铁磁桥随转子一同转动，铁磁桥包括N极铁磁桥和S极铁磁桥；转子的轴向单侧或双侧对应设有轴向调磁装置，轴向调磁装置与铁磁桥侧面有轴向气隙；轴向调磁装置主要由呈同心圆布置的两个调磁组组成，两个调磁组分别对应N极铁磁桥和S极铁磁桥的端部侧面；每个调磁组均包括两个充磁方向相反并呈同心圆布置的轴向充磁永磁体，分别为N极轴向充磁永磁体和S极轴向充磁永磁体；轴向充磁永磁体的远离铁磁桥的一侧均延伸连接有导磁环。本发明可克服传统永磁电机的弊端，实现永磁电机磁密气隙可调，且气隙磁密在变化范围内能实现无级调磁。

Description

一种永磁电机调磁机构及其调磁方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种永磁电机调磁机构及其调磁方法。
背景技术
永磁电机由于其高效率，高功率因数和可靠性高等优点，广泛应用于社会生活及工业生产当中。但永磁电机由于其磁通难以调节限制了更进一步的应用，如风力发电，电动汽车和航空航天等需要宽调速范围的领域。
公告号CN105914921A的发明专利公开一种交轴电感可变的可调磁永磁同步电机转子，属于永磁电机转子技术领域。本发明是为了解决由于永磁电机励磁不可调节，当其在额定转速以上运行时对其弱磁调速，会造成系统效率降低的问题。它通过滑轨槽、隔磁槽、弹簧和导磁块形成了弱磁单元，弱磁单元位于每极d轴中心线上且沿着转子铁心圆周方向均匀分布，2n个永磁体轴向通槽在弱磁单元左右两侧对称分布；每个永磁体轴向通槽中嵌入一个形状相匹配的永磁体；除弱磁单元两侧相邻的永磁体外，其余每极相邻的永磁体之间设置有磁桥。该技术方案主要利用离心力使得导磁块可以压缩弹簧进行调磁，其利用的是离心力。
公告号CN105914979A的发明专利公开一种少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，该电机径向从外至内，包括分区设置的外区定子、外区转子、中区定子、内区转子以及内区定子；双凸极中区定子由定子轭、定子槽和径向双边突起的定子齿以及容错齿组成，其中，定子齿上绕有集中分布式三相电枢绕组；内区定子中，切向充磁的稀土钕铁硼永磁体沿圆周方向均匀嵌入；外区定子中，沿圆周方向均匀表贴安装径向充磁的铝镍钴永磁体，相邻铝镍钴永磁体之间留槽，用于放置脉冲磁化绕组；内区转子和外区转子均呈现凸极结构，凸极之间的空隙填充为非导磁材料。本发明通过采用定转子双分区的结构，实现了提升转矩密度、扩宽调速范围以及进一步降低稀土永磁材料的用量的目的。该技术方案主要利用永磁体不断地去充磁调速。
公告号CN109904959A的发明专利公开了一种便于弱磁的新能源汽车用永磁同步电机转子，所述转子包括转子铁芯、嵌入铁芯内且沿铁芯周向均匀布置的多个永磁体、多个隔磁槽；所述隔磁槽设置在永磁体两侧，隔磁槽贯穿转子铁芯。本发明通过设置可旋转的圆柱形永磁体，仅仅通过旋转永磁体，改变电机气隙磁密，削弱电机气隙磁场，即可实现电机弱磁；避免了复杂的弱磁控制算法，降低了电机控制难度；不需要消耗电流削弱磁场，有利于提高电机效率。该技术方案主要采用了圆柱形的永磁体，然后通过旋转永磁体调磁。
公告号CN109904960A的发明专利公开了一种气隙磁密可调的永磁同步电机的转子，所述转子包括转子铁芯、嵌入铁芯内且沿铁芯周向均匀布置的多对第一永磁体、多个第二永磁体；所述第一永磁体为固定永磁体；所述第二永磁体可沿铁芯径向来回运动；所述铁芯内设有多个驱动机构，所述驱动机构与第二永磁体相连，用以驱动第二永磁体沿铁芯径向来回运动。本发明可调节电机气隙磁密大小，降低了电机损耗和成本，提高了电机工作效率。该技术方案主要通过调整永磁体位置，改变电机气隙磁密大小。
公告号CN109905005A发明专利公开了一种无需电机控制器的永磁同步电机的转子，所述转子包括转子铁芯、嵌入铁芯内且沿铁芯周向均匀布置的多个永磁体；所述永磁体可沿铁芯径向来回运动；所述铁芯内设有多个驱动机构，所述驱动机构与所述永磁体相连，用以驱动永磁体沿铁芯径向来回运动。通过调整转子中永磁体改变电机气隙磁密，实现了永磁同步电机无需电机控制器，降低了永磁同步电机成本，降低了永磁同步电机控制难度。该技术方案也是通过调整永磁体位置，改变电机气隙磁密大小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁电机调磁机构及其调磁方法，利用永磁体相互之间的聚磁及导磁作用，通过适当的位置移动，可实现增强或者削弱电机的气隙磁密，且气隙磁密在变化范围内能实现无级调磁。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种永磁电机调磁机构，包括转子，所述转子处环绕设有铁磁桥，铁磁桥随转子一同转动，铁磁桥包括N极铁磁桥和S极铁磁桥，两者分别与转子的N磁极与S磁极对应，且N极铁磁桥和S极铁磁桥两者无接触；
转子的轴向单侧或双侧对应设有轴向调磁装置，轴向调磁装置与铁磁桥侧面有轴向气隙；
轴向调磁装置主要由呈同心圆布置的两个调磁组组成，两个调磁组分别对应N极铁磁桥和S极铁磁桥的端部侧面；
每个调磁组均包括两个充磁方向相反并呈同心圆布置的轴向充磁永磁体，分别为N极轴向充磁永磁体和S极轴向充磁永磁体；轴向充磁永磁体可进行相对于铁磁桥的轴向靠拢或远离运动，且轴向充磁永磁体的远离铁磁桥的一侧均延伸连接有导磁环。
所述铁磁桥包括环绕在转子周侧的铁磁桥中心板，铁磁桥中心板的轴向两端有铁磁桥端环组，铁磁桥端环组包括呈同心圆布置的N极铁磁桥端环和S极铁磁桥端环，其中，若干铁磁桥中心板通过折弯结构与轴向两端的N极铁磁桥端环相连形成N极铁磁桥；若干铁磁桥中心板通过折弯结构与轴向两端的S极铁磁桥端环相连形成S极铁磁桥。
所述铁磁桥中心板在径向上为两侧薄中间厚的结构，且铁磁桥中心板在轴向上为两端窄中间宽的结构。
所述铁磁桥中心板在径向上为两侧薄中间厚的结构，且铁磁桥中心板在轴向上为一端窄一端宽的结构。
所述的N极铁磁桥与S极铁磁桥的材料为导磁材料，为整块固体结构。
所述N极铁磁桥与S极铁磁桥分别对应转子的N极与S极紧密连接。
所述导磁环的材料为导磁材料，为整块固体结构。
所述导磁环与对应的轴向充磁永磁体采用胶粘或内嵌方式固定连接。
本发明还公开了一种永磁电机调磁机构的调磁方法，包括增强气隙磁密的步骤，以及减小气隙磁密的步骤；
其中，增强气隙磁密的步骤如下：
N极铁磁桥对应调磁组的N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近N极铁磁桥处，S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离N极铁磁桥处；同时S极铁磁桥对应调磁组的S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近S极铁磁桥处，N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离S极铁磁桥处；此时N极铁磁桥与S极铁磁桥两侧的轴向充磁永磁体的磁通过铁磁桥进入到转子上，并作用至气隙磁密，增强了气隙磁密；
其中，减小气隙磁密的步骤如下：
N极铁磁桥对应调磁组的N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离N极铁磁桥处，S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近N极铁磁桥处；同时S极铁磁桥对应调磁组的S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离S极铁磁桥处，N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近S极铁磁桥处；此时转子的磁通一部分会通过铁磁桥及轴向充磁永磁体进入导磁环中，削弱了气隙磁密。
轴向充磁永磁体通过轴向平行移动至靠近铁磁桥时需与铁磁桥保持一定的距离。
本发明的有益效果是：
本发明可克服传统永磁电机的弊端，实现永磁电机磁密气隙可调，且气隙磁密在变化范围内能实现无级调磁，在风力发电、航空航天、电动汽车等宽调速领域有广阔的发展前景。
本发明利用永磁体相互之间的聚磁及导磁作用，通过适当的位置移动，可实现增强或者削弱电机的气隙磁密，使电机达到低速恒功率，高速恒转矩的目的。
附图说明
图1为本发明的爆炸视图。
图2为本发明的增加气隙磁密时正视剖视图。
图3为本发明的削弱气隙磁密时正视剖视图。
图4为本发明的N铁磁桥示意图。
图5为本发明的S铁磁桥示意图。
图6为本发明的铁磁桥装配示意图。
图7为本发明的铁磁桥与转子位置示意图。
图8为本发明的轴向调磁装置示意图。
图9为本发明的转子永磁体排列示意图。
图10为本发明的增磁、弱磁、和正常时的气隙磁密图。
具体实施方式
以下结合附图1至图10对本实施例的具体实施方式作详细说明。
本发明的一种永磁电机调磁机构，包括转轴1，安装在转轴上的转子6，转子6内部设有切向永磁体7，转子6处环绕设有铁磁桥，铁磁桥随转子6一同转动，铁磁桥包括N极铁磁桥4和S极铁磁桥5，两者分别与转子6的N磁极与S磁极对应，且N极铁磁桥4和S极铁磁桥5两者无接触。
本实施例中，铁磁桥包括环绕在转子周侧的铁磁桥中心板，铁磁桥中心板的轴向两端有铁磁桥端环组，铁磁桥端环组包括呈同心圆布置的N极铁磁桥端环4-1和S极铁磁桥端环5-1，其中，若干铁磁桥中心板4-2通过折弯结构与轴向两端的N极铁磁桥端环4-1相连形成N极铁磁桥4；若干铁磁桥中心板5-2通过折弯结构与轴向两端的S极铁磁桥端环5-1相连形成S极铁磁桥。铁磁桥中心板4-2和铁磁桥中心板5-2在周侧依次交替布置。
本实施例中，铁磁桥中心板在径向上为两侧薄中间厚的结构，可使得气隙磁密波形更加正弦。且铁磁桥中心板在轴向上为两端窄中间宽的结构，可以使两侧调磁组共同作用时的气隙磁密进入中间位置更多，使得转子轴向上的气隙磁密更加均匀且正弦。
N极铁磁桥4与S极铁磁桥5的材料为导磁材料，为整块固体结构。N极铁磁桥4与S极铁磁桥5分别对应转子6的N极与S极通过胶黏紧密连接。其中，S极铁磁桥5通过折弯结构与对应转子6的S极连接，N极铁磁桥4通过套筒与对应转子6的N极连接。
转子6的轴向双侧对应设有轴向调磁装置，轴向调磁装置与铁磁桥侧面有轴向气隙。
轴向调磁装置主要由呈同心圆布置的两个调磁组组成，两个调磁组分别对应N极铁磁桥的端部侧面（即N极铁磁桥端环4-1）和S极铁磁桥的端部侧面（即S极铁磁桥端环5-1）。轴向调磁装置不随转子转动。
每个调磁组均包括两个充磁方向相反并呈同心圆布置的轴向充磁永磁体3，分别为N极轴向充磁永磁体和S极轴向充磁永磁体；轴向充磁永磁体3可进行相对于铁磁桥的轴向靠拢或远离运动，且轴向充磁永磁体3的远离铁磁桥的一侧均延伸连接有导磁环2。转轴1由径向最内侧轴向充磁永磁体3的中心通孔处穿过。
本实施例中，导磁环3通过微型计算机芯片控制的机械推手进行精确的位置移动，机械推手设于电机内部，机械推手及微型计算机芯片均采用现有技术。
导磁环2的材料为导磁材料，为整块固体结构。导磁环2与对应的轴向充磁永磁体3采用胶粘或内嵌方式固定连接。
本实施例还公开了一种永磁电机调磁机构的调磁方法，包括增强气隙磁密的步骤，以及减小气隙磁密的步骤；
其中，增强气隙磁密的步骤如下：
N极铁磁桥4对应调磁组的N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近N极铁磁桥4处，S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离N极铁磁桥4处；同时S极铁磁桥5对应调磁组的S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近S极铁磁桥5处，N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离S极铁磁桥5处；此时N极铁磁桥与S极铁磁桥两侧的轴向充磁永磁体的磁通通过铁磁桥进入到了转子6上切向永磁体7，并作用至气隙磁密，增强了气隙磁密。
其中，减小气隙磁密的步骤如下：
N极铁磁桥4对应调磁组的N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离N极铁磁桥处，S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近N极铁磁桥4处；同时S极铁磁桥5对应调磁组的S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离S极铁磁桥5处，N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近S极铁磁桥5处；此时转子6上切向永磁体7的磁通一部分通过铁磁桥及轴向充磁永磁体流入到导磁环2中，削弱了气隙磁密。
需注意的是，轴向充磁永磁体3通过轴向平行移动至靠近铁磁桥时需与铁磁桥保持一定的距离，防止铁磁桥随转子转动时损坏轴向充磁永磁体。
如图10所示，为一种集中式分布绕组且线圈形式为跑道型线圈结构下永磁电机的正常磁密B，增磁磁密A和弱磁磁密C的波形比较。
由上可知，本发明利用永磁体相互之间的聚磁及导磁作用，通过适当的位置移动，可实现增强或者削弱电机的气隙磁密。
实施例二：
本实施例与实施例一的不同之处在于：转子的轴向双侧对应设有轴向调磁装置，其铁磁桥中心板在径向上为两侧薄中间厚的结构，铁磁桥中心板在轴向上为一端窄一端宽的结构，且铁磁桥中心板在临近轴向调磁装置一端为窄部，可以使单侧调磁组作用时的气隙磁密进入中间位置和不靠近调磁组的一侧更多，使得转子轴向上的气隙磁密更加均匀。
本发明可克服传统永磁电机的弊端，实现永磁电机磁密气隙可调，且气隙磁密在变化范围内能实现无级调磁，使电机达到低速恒功率，高速恒转矩的目的，在风力发电、航空航天、电动汽车等宽调速领域有广阔的发展前景。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (10)

1.一种永磁电机调磁机构，包括转子，其特征在于：所述转子处环绕设有铁磁桥，铁磁桥随转子一同转动，铁磁桥包括N极铁磁桥和S极铁磁桥，两者分别与转子的N磁极与S磁极对应，且N极铁磁桥和S极铁磁桥两者无接触；
转子的轴向单侧或双侧对应设有轴向调磁装置，轴向调磁装置与铁磁桥侧面有轴向气隙；
轴向调磁装置主要由呈同心圆布置的两个调磁组组成，两个调磁组分别对应N极铁磁桥和S极铁磁桥的端部侧面；
每个调磁组均包括两个充磁方向相反并呈同心圆布置的轴向充磁永磁体，分别为N极轴向充磁永磁体和S极轴向充磁永磁体；轴向充磁永磁体可进行相对于铁磁桥的轴向靠拢或远离运动，且轴向充磁永磁体的远离铁磁桥的一侧均延伸连接有导磁环。
2.根据权利要求1所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述铁磁桥包括环绕在转子周侧的铁磁桥中心板，铁磁桥中心板的轴向两端有铁磁桥端环组，铁磁桥端环组包括呈同心圆布置的N极铁磁桥端环和S极铁磁桥端环，其中，若干铁磁桥中心板通过折弯结构与轴向两端的N极铁磁桥端环相连形成N极铁磁桥；若干铁磁桥中心板通过折弯结构与轴向两端的S极铁磁桥端环相连形成S极铁磁桥。
3.根据权利要求2所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述铁磁桥中心板在径向上为两侧薄中间厚的结构，且铁磁桥中心板在轴向上为两端窄中间宽的结构。
4.根据权利要求2所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述铁磁桥中心板在径向上为两侧薄中间厚的结构，且铁磁桥中心板在轴向上为一端窄一端宽的结构。
5.根据权利要求2所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述的N极铁磁桥与S极铁磁桥的材料为导磁材料，为整块固体结构。
6.根据权利要求2所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述N极铁磁桥与S极铁磁桥分别对应转子的N极与S极紧密连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述导磁环的材料为导磁材料，为整块固体结构。
8.根据权利要求7所述的永磁电机调磁机构，其特征在于：所述导磁环与对应的轴向充磁永磁体采用胶粘或内嵌方式固定连接。
9.基于权利要求1-8任一项所述的永磁电机调磁机构的调磁方法，其特征在于：包括增强气隙磁密的步骤，以及减小气隙磁密的步骤；
其中，增强气隙磁密的步骤如下：
N极铁磁桥对应调磁组的N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近N极铁磁桥处，S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离N极铁磁桥处；同时S极铁磁桥对应调磁组的S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近S极铁磁桥处，N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离S极铁磁桥处；此时N极铁磁桥与S极铁磁桥两侧的轴向充磁永磁体的磁通过铁磁桥进入到转子上，并作用至气隙磁密，增强了气隙磁密；
其中，减小气隙磁密的步骤如下：
N极铁磁桥对应调磁组的N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离N极铁磁桥处，S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近N极铁磁桥处；同时S极铁磁桥对应调磁组的S极轴向充磁永磁体轴向平行移动至远离S极铁磁桥处，N极轴向充磁永磁体轴向平行移动至靠近S极铁磁桥处；此时转子的磁通一部分会通过铁磁桥及轴向充磁永磁体进入导磁环中，削弱了气隙磁密。
10.根据权利要求9所述的永磁电机调磁机构的调磁方法，其特征在于：轴向充磁永磁体通过轴向平行移动至靠近铁磁桥时需与铁磁桥保持一定的距离。
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