CN112803695A - 一种可调节气隙的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节气隙的电机，涉及永磁同步电机技术领域。该可调节气隙的电机包括外壳、定子总成及转子总成。所述定子总成固定设置于所述外壳内，所述定子总成包括定子本体及缠绕于所述定子本体上的定子线圈，所述定子本体中心设置有通孔；所述转子总成转动设置于所述外壳内，所述转子总成包括转子本体、磁性组件及弹性件，所述转子本体包括安装部及输出轴，所述安装部环绕设置于所述定子本体的外部，所述输出轴穿过所述通孔并伸出所述外壳，所述磁性组件通过所述弹性件设置于所述安装部靠近所述定子总成的一侧，所述弹性件能够驱动所述磁性组件远离所述安装部。该可调节气隙的电机能够同时兼顾高速区效率和低速区扭矩的性能需求。

Description

一种可调节气隙的电机
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种可调节气隙的电机。
背景技术
永磁同步电机通过控制定子电流来抵消转子永磁体产生的磁场，称之为弱磁控制，从而降低永磁体产生的反电动势，用于提高电机转速。进行弱磁控制的电流不能产生动力输出，从能量转化率来看是单纯被消耗掉了，产生的功率是无功功率，进而降低了永磁同步电机的高速区效率和永磁同步电机的最高工作转速。
目前，由于永磁同步电机定转子之间的气隙是固定的。也就是说永磁体产生的磁场相对于定子电流来说是固定不变的，这样永磁同步电机低速时能够产生较大的扭矩，但是告诉转动时就需要较多的电流来进行弱磁控制，就不能兼顾高速区效率和低速区扭矩的性能需求，设计时只能趋于电机常用转速区域的效率及性能优先。
针对上述问题，需要开发一种可调节气隙的电机，以解决电机高速工作时需要较多电流进行弱磁控制以降低永磁体产生的反电动势导致效率降低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可调节气隙的电机，该电机的转子上的永磁体能够滑动以改变与定子线圈之间的气隙大小，在电机高速工作时，增大气隙以降低永磁体磁场对定子线圈的作用，降低进行弱磁控制的电流，提高电机高速工作时的效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种可调节气隙的电机装置，包括：
外壳；
定子总成，固定设置于所述外壳内，所述定子总成包括定子本体及缠绕于所述定子本体上的定子线圈，所述定子本体中心设置有通孔；
转子总成，转动设置于所述外壳内，所述转子总成包括转子本体、磁性组件及弹性件，所述转子本体包括安装部及输出轴，所述安装部环绕设置于所述定子本体的外部，所述输出轴穿过所述通孔并伸出所述外壳，所述磁性组件通过所述弹性件设置于所述安装部靠近所述定子总成的一侧，所述弹性件能够驱动所述磁性组件远离所述安装部。
优选地，所述安装部靠近所述定子总成的一侧开设有开口朝向所述定子总成的安装槽，所述磁性组件沿所述转子本体的径向滑动设置于所述安装槽内。
优选地，所述安装槽的开口处设置有挡墙，所述磁性组件在所述弹性件的弹力作用下抵紧于所述挡墙上。
优选地，所述安装槽的底端设置有台阶，所述磁性组件能够压缩所述弹性件直到所述磁性组件与所述台阶抵接时为止。
优选地，所述安装槽的侧壁上设置有滑槽，所述磁性组件上设置有滑块，所述滑块能够在所述滑槽中滑动。
优选地，所述磁性组件包括滑动铁芯及贴合于所述滑动铁芯上的磁钢片。
优选地，所述磁钢片由具有低摩擦系数特性的涂层材料和永磁体构成。
优选地，所述转子本体的安装部沿周向间隔设置有多组所述磁性组件，每组所述磁性组件均通过一个所述弹性件设置于所述安装部靠近所述定子总成的一侧。
优选地，所述外壳设置有固定部，所述固定部伸入所述通孔并固定所述定子总成，所述输出轴与所述固定部之间设置有轴承组件。
优选地，所述轴承组件包括两个滚珠轴承，两个所述滚珠轴承分别设置于所述输出轴的两端。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种可调节气隙的电机。该电机中，转子总成包括转子本体、磁性组件及弹性件，转子本体包括安装部及输出轴，安装部环绕设置于定子本体的外部，磁性组件通过弹性件设置于安装部靠近定子总成的一侧，弹性件能够驱动磁性组件远离安装部。当电机低速工作时，磁性组件在弹性件的弹力作用下靠近定子总成的定子线圈，使得定子线圈周围有较强的磁场，该电机在低速区能够输出大扭矩，满足低速区的性能需求。当电机高速工作时，磁性组件需要压缩弹簧以获得足够的向心力与转子本体同步转动，此时磁性组件远离定子线圈，使得定子线圈周围的磁场减弱，也就是降低了进行弱磁控制的电流，提高了该电机在高速区的效率。
附图说明
图1是本发明提供的可调节气隙的电机的扭矩转速曲线图；
图2是本发明提供的可调节气隙的电机的结构示意图；
图3是本发明图2中A-A处的剖视图；
图4是本发明提供的磁性组件位于第一位置时的局部剖视图；
图5是本发明提供的磁性组件位于第二位置时的局部剖视图。
图中：
101、高扭矩区域；102、高转速区域；
1、外壳；2、定子总成；3、转子总成；4、滚珠轴承；
11、固定部；21、定子本体；31、转子本体；32、磁性组件；33、弹性件；
311、安装部；312、输出轴；321、滑动铁芯；322、磁钢片；
3111、安装槽；3112、挡墙；3113、台阶。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1示出了电机的扭矩转速的曲线图，图中横轴表示电机转速，纵轴表示电机输出扭矩。该曲线图表示电机扭矩输出与转子转速之间的关系。区域101表示高扭矩区域，区域102表示高转速区域。针对新能源汽车，永磁同步电机在低速高扭矩区需要大的转子磁场来利用低电流产生大的扭矩量，转子磁场越大越好；在高速高功率区需要大电流来产生大的功率，为了减小弱磁控制电流和避免磁钢退磁风险，转子磁场越小越好，同时弱磁控制电流产生的是无用功，降低电机高速区的效率。对于电机输入电流是一定的电机来说，就降低了电机的最大功率。因此，区域101和区域102在电机设计时是矛盾的、不能兼顾。
本实施例提供了一种可调节气隙的电机，则能够兼顾这些需求。如图2-图3所示，该可调节气隙的电机包括外壳1、定子总成2及转子总成3。定子总成2，固定设置于外壳1内，定子总成2包括定子本体21及缠绕于定子本体21上的定子线圈，定子本体21中心设置有通孔。转子总成3，转动设置于外壳1内，转子总成3包括转子本体31、磁性组件32及弹性件33，转子本体31包括安装部311及输出轴312，安装部311环绕设置于定子本体21的外部，输出轴312穿过通孔并伸出外壳1，磁性组件32通过弹性件33设置于安装部311靠近定子总成2的一侧，弹性件33能够驱动磁性组件32远离安装部311。
该可调节气隙的电机的转子在低速运转时，磁性组件32在弹性件33弹力的作用下靠近定子线圈，此时定子线圈周围磁场较强，使得电机能够在较小的电流的作用下输出高扭矩，满足电机低速高扭矩的需求。当电机的转子高速运转时，磁性组件32与转子同步运动，磁性组件32需要的向心力增大，会朝远离定子线圈的方向压缩弹性件33，使得定子线圈周围的磁场减弱，也就减小了进行弱磁控制的电流，使得电子线圈中用于产生动力的电流比例增大，提高了该可调节气隙的电机在高速区的效率，同时也能够降低高速区定子线圈中大电流的磁场影响磁性组件32使得磁性组件32退磁的风险。该可调节气隙的电机的磁性组件32能够根据转子的转速自动调节磁性组件32与定子线圈之间的距离，兼顾高速区效率和低速区扭矩的性能需求。
其中，弹性件33可以是弹簧。当转子高速转动时，磁性组件32除了压缩弹簧，还容易与弹簧一起左右摇晃，导致磁场不稳定，严重影响电机的性能。为解决这个问题，安装部311靠近定子总成2的一侧开设有开口朝向定子总成2的安装槽3111，磁性组件32沿转子本体31的径向滑动设置于安装槽3111内。利用安装槽3111对磁性组件32及弹簧的运动进行限制，使弹性组件仅能够沿弹簧的轴向运动以压缩弹簧，保持整个电机性能的稳定。
优选地，如图4和图5所示，安装槽3111的开口处设置有挡墙3112，磁性组件32在弹性件33的弹力作用下抵紧于挡墙3112上。在电机静止或低速状态下，利用挡墙3112使磁性组件32压缩一端弹簧，使磁性组件32与挡墙3112处于抵紧状态，既能够保持电机的稳定，减小晃动，又能够准确限制磁性组件32与定子线圈之间的最小距离，使电机的转子转速较低时，定子线圈周围的磁场强度不变，使得扭矩能够稳定输出。
同理，为了使电机在高速运转时对磁性组件32的位置进行限制，安装槽3111的底端设置有台阶3113，磁性组件32能够压缩弹性件33直到磁性组件32与台阶3113抵接时为止。随着电机转速的加快，磁性组件32需要的向心力逐渐增大，使得磁性组件32需要不断压缩弹簧而远离定子线圈，利用台阶3113限制磁性组件32的运动，能够防止磁性组件32距离定子线圈太远，同时也能够增加电机在高速运转时的稳定性。
优选地，安装槽3111的侧壁上设置有滑槽，磁性组件32上设置有滑块，滑块能够在滑槽中滑动。利用滑块与滑槽的配合，能够对磁性组件32进行更精确稳定地导向，进一步提高电机运转时的稳定性。
优选地，磁性组件32包括滑动铁芯321及贴合于滑动铁芯321上的磁钢片322。磁钢片322位于滑动铁芯321靠近定子线圈的一侧，滑动铁芯321用于支撑磁钢片322并带动磁钢片322在安装槽3111内滑动。可以理解的是，磁钢片322由具有低摩擦系数特性的涂层材料和永磁体构成。滑动铁心由具有低摩擦系数特性的涂层材料和SMC复合磁材料构成，涂层材料能够帮助磁钢片322及滑动铁芯321在安装槽3111内滑动。
当电机静止时，磁性组件32在弹簧的作用下抵紧于挡墙3112上，令此位置为第一位置，也就是高磁通位置，此时弹簧被压缩的距离为x，弹簧的弹性系数为k，则此时弹簧的弹力F1＝kx。磁性组件32在高磁通位置转动时需要的向心力小于F1，令磁性组件32中磁钢片322的质量为m1，滑动铁芯321的质量为m2，磁性组件32在第一位置的转动半径为r，根据图1所示，当转子的转速达到PRM1时，磁性组件32转动需要的向心力应等于F1，即
Figure BDA0002986679150000071
Figure BDA0002986679150000072
同理，电机高速运转时，磁性组件32压缩弹簧后抵接于台阶3113上，令此位置为第二位置，也就是高转速区域102，此时磁性组件32滑动的距离为L，弹簧被压缩的距离为x+L，弹簧的弹力F2＝k(x+L)。当磁性组件32需要的向心力刚好等于此时弹簧的弹力F2时，此时转子的转速为PRM2，即
Figure BDA0002986679150000073
Figure BDA0002986679150000081
根据Fc和Fc’的计算公式可以得出以下公式：
Figure BDA0002986679150000082
根据图1中PRM1和PRM2的数值即可算出弹簧的弹性系数k的数值，进而能够计算出磁性组件32处于第一位置时弹簧被压缩的量，根据弹簧压缩后的长度可选择初始长度及弹性系数合适的弹簧。
为了使转子本体31受到的力更加均衡，转子本体31的安装部311沿周向间隔设置有多组磁性组件32，每组磁性组件32均通过一个弹性件33设置于安装部311靠近定子总成2的一侧。
沿周向设置的多组磁性组件32共同形成磁场，且磁场在安装部311的周向上均匀分布，当周向缠绕于定子本体21上的定子线圈通电后，通过磁场使得安装部311在周向上能够获得均匀作用的驱动力驱动转子本体31转动。
优选地，外壳1设置有固定部11，固定部11伸入通孔并固定定子总成2，输出轴312与固定部11之间设置有轴承组件。定子总成2通过固定部11与外壳1相连，能够保持稳定，转子总成3在外壳1内转动，输出轴312与固定部11之间需要轴承组件降低运动过程中的摩擦系数，从而降低能量损失。
其中，承组件包括两个滚珠轴承4，两个滚珠轴承4分别设置于输出轴312的两端。通过在输出轴312的轴向上间隔设置两个轴承，使转子总成3在转动过程中不会发生轴向的偏移，提高电机运转的稳定性。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可调节气隙的电机，其特征在于，包括：
外壳(1)；
定子总成(2)，固定设置于所述外壳(1)内，所述定子总成(2)包括定子本体(21)及缠绕于所述定子本体(21)上的定子线圈，所述定子本体(21)中心设置有通孔；
转子总成(3)，转动设置于所述外壳(1)内，所述转子总成(3)包括转子本体(31)、磁性组件(32)及弹性件(33)，所述转子本体(31)包括安装部(311)及输出轴(312)，所述安装部(311)环绕设置于所述定子本体(21)的外部，所述输出轴(312)穿过所述通孔并伸出所述外壳(1)，所述磁性组件(32)通过所述弹性件(33)设置于所述安装部(311)靠近所述定子总成(2)的一侧，所述弹性件(33)能够驱动所述磁性组件(32)远离所述安装部(311)。
2.根据权利要求1所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述安装部(311)靠近所述定子总成(2)的一侧开设有开口朝向所述定子总成(2)的安装槽(3111)，所述磁性组件(32)沿所述转子本体(31)的径向滑动设置于所述安装槽(3111)内。
3.根据权利要求2所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述安装槽(3111)的开口处设置有挡墙(3112)，所述磁性组件(32)在所述弹性件(33)的弹力作用下抵紧于所述挡墙(3112)上。
4.根据权利要求2所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述安装槽(3111)的底端设置有台阶(3113)，所述磁性组件(32)能够压缩所述弹性件(33)直到所述磁性组件(32)与所述台阶(3113)抵接时为止。
5.根据权利要求2所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述安装槽(3111)的侧壁上设置有滑槽，所述磁性组件(32)上设置有滑块，所述滑块能够在所述滑槽中滑动。
6.根据权利要求1所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述磁性组件(32)包括滑动铁芯(321)及贴合于所述滑动铁芯(321)上的磁钢片(322)。
7.根据权利要求6所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述磁钢片(322)由具有低摩擦系数特性的涂层材料和永磁体构成。
8.根据权利要求1所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述转子本体(31)的安装部(311)沿周向间隔设置有多组所述磁性组件(32)，每组所述磁性组件(32)均通过一个所述弹性件(33)设置于所述安装部(311)靠近所述定子总成(2)的一侧。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述外壳(1)设置有固定部(11)，所述固定部(11)伸入所述通孔并固定所述定子总成(2)，所述输出轴(312)与所述固定部(11)之间设置有轴承组件。
10.根据权利要求9所述的可调节气隙的电机，其特征在于，所述轴承组件包括两个滚珠轴承(4)，两个所述滚珠轴承(4)分别设置于所述输出轴(312)的两端。
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