CN115333317A - 一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机及其控制方法，其技术方案为：包括壳体、定子和端盖，壳体两端均安装端盖，定子安装于定子背板一侧，定子背板与端盖通过多个定位导杆相连；壳体内周向分布多个导杆液压缸，导杆液压缸端部与定子背板接触，液压缸能够使定子沿轴向移动以调节气隙长度。本发明通过使定子沿轴向移动改变气隙长度，需定子绕组提供直轴电流分量，提高了电机效率和节省了励磁电流，降低永磁体失磁风险。

Description

一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机及其控制方法。

背景技术

目前汽轮发电机采用的是电流励磁同步发电机，这种同步发电机可以通过改变励磁电流大小调节气隙磁场大小，进而调节输出电压大小，可以很方便的稳定输出电压。尽管永磁电机效率高，但由于永磁电机磁场由永磁体提供，电机气隙磁场大小调节通常采用调节定子绕组电流的直轴电流分量来实现，也即是通常所称的弱磁调速，以实现电动机的高速运转。对于永磁电动机来说，这种调节气隙磁场的方式工程上已经普遍使用。但对于永磁发电机，种调节气隙磁场的方式在工程上较难实现，这也是为什么当前汽轮发电机均是采用电流励磁同步发电机的原因。这种弱磁调速方法需要定子绕组提供额外的弱磁电流，一方面增加了定子绕组铜耗，另一方面需要电源提供额外弱磁能量。对于传统的圆柱式径向磁通永磁电机，由于其气隙长度不能调节，在调节气隙磁场时只能采用调节定子绕组电流直轴电流分量的方法进行。

与径向磁通电机不同，盘式电机定转子轴向排列，其气隙长度可以采取一定的措施实现轴向调节，即可以通过调节气隙长度调节气隙磁场大小，进而实现弱磁调速（永磁盘式电动机）或稳定输出电压（永磁盘式发电机）。

在气隙可调盘式电机专利申请方面，现有技术提出了一种气隙可调的盘式电机，采用涡轮电机驱动轴承盖轴向移动实现转子盘的轴向移动，进而实现电机气隙大小的调整。此种方法切实可行，但此方法只适用于单盘盘式电机，对于双转子单定子或者双定子单转子盘式电机由于存在双气隙则无法实现气隙大小的调整。其中提到的盘式电机气隙调整控制方法中采用了三个固定点值，即气隙最小值、气隙最大值和气隙恒定值，无法实现目前电动汽车电机的无级调速或汽轮机的连续调压。

现有技术还公开了一种定转子气隙可调的盘式电机，其针对双定子单转子盘式电机采用螺杆的转动控制转子盘两侧定子的轴向位移，实现盘式电机气隙大小调整。尽管此发明可以实现气隙大小调整，但却无法固定转子盘与两侧定子盘轴向的相对位置，即无法保证转子盘两侧的气隙大小相等，这种调整气隙的方式极易造成转子盘两侧气隙大小不等。同时这种调整气隙的方式需要沿定子盘周向设置多个螺杆，且需要具有良好的一致性。另外，这种调整气隙的方式很难自动化控制实现。

现有技术公开了一种间隙可调的盘式电机及增程式电动汽车，其利用外部气源的气体压力调整盘式电机气隙大小。由于转子盘是旋转的，其外圆和机壳之间势必要留有一定间隙。因此，此方式无法通过调整气隙中的气压调节盘式电机气隙大小。现有技术还提出一种可调气隙磁强的盘式永磁无铁芯电机，其中采用蜗杆带动推力轴承套转动，和中间端盖配合实现转子盘的轴向移动。此发明存在以下问题：一是此方法只能调整单边气隙，由于定子不能随着移动，另一个气隙无法调整。二是需要在电机内部添加一个额外的中间端盖，在生产制造方面非常困难。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机及其控制方法，通过使定子沿轴向移动改变气隙长度，需定子绕组提供直轴电流分量，提高了电机效率和节省了励磁电流，降低永磁体失磁风险。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，包括壳体、定子和端盖，壳体两端均安装端盖，定子安装于定子背板一侧，定子背板与端盖通过多个定位导杆相连；

壳体内周向分布多个导杆液压缸，导杆液压缸端部与定子背板接触，液压缸能够使定子沿轴向移动以调节气隙长度。

进一步的，所述定位导杆套有弹簧，弹簧位于定子背板与端盖之间。

进一步的，所述定子背板周向开设多个用于安装定位导杆的第一定位孔，端盖对应开设多个第二定位孔。

进一步的，所述定位导杆具有螺纹段，第二定位孔为与定位导杆螺纹段相适配的螺纹孔；

所述定位导杆远离螺纹段的一端为多边形结构的头部。

进一步的，所述导杆液压缸与壳体固定，导杆液压缸的进出口连接导管，导管伸出壳体。

进一步的，位于壳体同一端盖侧的导管并联，且连接液压泵。

进一步的，所述导管安装阀门。

进一步的，两个定子之间设有转子盘，所述转子盘安装在转轴上；定子的绕组预埋有电压测试线圈。

一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机的控制方法，包括：

当需要增大电机气隙时，通过液压泵提高导杆液压缸内油压，推动导杆动作，使定子背板和定子朝向端盖侧移动，电机气隙增大；当气隙增大至满足要求时，阀门关闭；

当需要减小电机气隙时，打开导杆液压缸进出口阀门，使液压油返回液压泵，降低液压泵的油压，在弹簧和轴向磁拉力的作用下，定子背板和定子向靠近转子盘的方向移动，实现电机气隙的减小，直至测试线圈电压满足要求为止。

进一步的，如两端盖侧的电压不相等，在关闭一侧阀门的基础上，调整另一侧导杆液压缸的油压，直至两侧的电压相等。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过导杆液压缸推动定子轴向移动调整永磁盘式电机气隙大小的方式，相对于目前常用的利用定子绕组直轴电流分量调节气隙磁场的方法，直接采用机械结构改变气隙长度，无需定子绕组提供直轴电流分量，提高了电机效率和节省了励磁电流。

（2）本发明在调节气隙磁场时采用的是改变气隙长度的方法，与利用定子绕组直轴电流分量调节气隙磁场的方法相比，永磁体失磁风险大大降低。

（3）本发明与利用定子绕组直轴电流分量调节气隙磁场的方法相比具有更大的气隙磁场调节范围，也就是说对于电动机或者发电机具有更大的调速或者调压范围。

（4）本发明采用微型导杆液压缸推动定子发生轴向移动以实现气隙大小，其控制方法是实时测量电机测试线圈电压，调整液压缸压力，直至满足调速或稳压要求，控制方式简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的定子固定示意图；

图3为本发明的定子导向杆示意图；

图4为本发明的装有微型液压缸的定子示意图；

图5为本发明的微型导杆液压缸与定子背板连接示意图；

图6为本发明盘式电机内部结构示意图；

图7为本发明的永磁盘式电动机弱磁调速控制流程图；

图8为本发明的永磁盘式电发电机调整输出电压控制流程图。

其中，1、定子，11、铁心，12、定子背板，13、第一定位孔，14、绕组，2、端盖，21、前端盖，22、后端盖，23、第二定位孔，3、定位导杆，31、螺纹段，32、头部，33、弹簧，4、导杆液压缸，41、导杆，42、进出口，43、固定孔，44、螺栓，45、导管，5、壳体，6、转轴，7、转子盘。

具体实施方式

实施例一：

参照说明书附图1-附图6对本发明的一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，作以下详细地说明。

本实施例提供了一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，如图1和图6所示，包括壳体5、定子1、端盖2、转轴6和转子盘7，壳体5内部中心安装转轴6，转轴6上安装两个定子1，两个定子1之间安装转子盘7，形成双定子单转子结构；壳体5两端均安装端盖2，即前端盖21、后端盖22。

进一步的，如图2和图4所示，定子1固定在定子背板12一侧，定子1包括铁心11和绕组14；绕组14内预埋有数匝电压测试线圈，电压测试线圈两端电压大小和电机空载反电动势成一定的比例关系（比例大小和测试线圈的匝数与每相串联匝数有关），通过测量测试线圈电压大小，根据比例关系就能计算出此时电机反电动势大小。

定子1通过多个沿周向间隔均匀分布的定位导杆3与端盖2相连，通过定位导杆3对端盖2进行轴向定位。定位导杆3的个数根据实际要求选择，本实施例设置6个定位导杆3。

如图3所示，定位导杆3一端具有头部32，所述头部32为多边形结构。在本实施例中，头部32设置为外六角形状，其一方面作为松紧螺栓用，另一方面为定子背板12钳位用，因此六角形头部32侧需要车成平面。

所述定位导杆3的杆体呈圆柱形结构，杆体具有螺纹段31，通过螺纹段31与端盖2形成螺纹连接。为了将定位导杆3牢固的固定在端盖2上，螺纹段31在固定时需要涂抹螺纹紧固胶。

尽管定子1和转子之间存在较大的轴向磁拉力，但是为了保证定子背板12受力均衡，在端盖2和定子背板12之间设置一定长度的弹簧33。所述弹簧33套设于定位导杆3的杆体上，介于螺纹段31和头部32之间；定位导杆3与端盖2和定子背板12连接后，弹簧33和定子背板12间存在预压紧力。

进一步的，定子背板12周向开有与定位导杆3个数相同的第一定位孔13，端盖2上对应位置开设相同个数的第二定位孔23，其中，第二定位孔23为螺纹孔，以与定位导杆3的螺纹段31相配合，形成螺纹连接。

电机气隙大小通过调整定子背板12的位置实现，本实施例沿壳体5内周向设置多个导杆液压缸4（例如3个），通过导杆液压缸4伸缩使定子背板12和定子1沿轴向移动，改变两定子背板12的间距，从而调节气隙长度。

本实施例的导杆液压缸4为微型导杆液压缸；如图5所示，导杆液压缸4的导杆41与定子背板12接触，导杆41的轴线方向与转轴6轴线平行。所述导杆液压缸4开有若干固定孔43，通过在固定孔43中安装螺栓44实现与壳体5固定。

所述导杆液压缸4设有进出口42，进出口42连接导管45，导管45从壳体5表面伸出；位于前端盖21侧的导管45彼此并联，且连接液压泵；位于后端盖22侧的导管45彼此并联，且连接液压泵；每个导管45均安装阀门，通过阀门控制油压。

通过实时监测两个绕组14上的反电动势大小，动态调整油压大小，进而调整电机气隙长度，两侧的油管分别设置阀门，若两侧气隙不相等导致两侧的反电动势不相等，则可以关闭一侧的阀门，对另外一侧的油压进行调整，直到满足要求为止。

在制造电机时，需要在电机定子绕组内预埋电压测试线圈，两侧的电压测试线圈匝数要相等，通过测量电压测试线圈感应电压的大小确定反电动势大小。

实施例二：

本实施例提供了一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机的控制方法，所述永磁盘式电机采用实施例一所述的结构，如图7和图8所示，

当需要增大电机气隙时，通过液压泵提高导杆液压缸4内油压，推动导杆41动作，进而推动定子背板12向两侧（靠近端盖2侧）移动，定子1也向两侧移动，电机气隙增大。当气隙增大满足要求时，阀门关闭，维持导杆液压缸4内压力，维持电机气隙大小。

实时检测电压测试线圈电压，如果两侧的电压不相等，则在关闭一侧阀门的基础上，调整另外一侧导杆液压缸4的油压，调整这一侧气隙大小，直至两侧的电压大小相等。

当需要减小电机气隙时，则打开导杆液压缸4进出口的阀门，使液压油返回液压泵，降低液压泵的油压，在弹簧33和轴向磁拉力的作用下，定子背板12和定子1向靠近转子盘7的方向移动，实现电机气隙的减小。同样的，此时也要实时测量测试线圈电压，直至测试线圈电压满足要求为止。如果两侧测试线圈电压不平衡，同样的，需要先关闭一侧的阀门，增加或减小另外一侧导杆液压缸4的油压，直至两侧的电压测试线圈电压相等。

图7和图8中，U_c1和U_c2分别为两侧定子绕组预埋测试线圈上的电压，k为每相串联匝数和预埋线圈匝数比值，U_VF为变频器最大输出电压，n为电动机当前转速，n_d为电动机目标转速。ξ为一个微小的数，一般根据调速或者调压精度要求定义。U₂为发电机输出电压，U_ref为发电机需要稳定的电压值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，包括壳体、定子和端盖，壳体两端均安装端盖，定子安装于定子背板一侧，定子背板与端盖通过多个定位导杆相连；

壳体内周向分布多个导杆液压缸，导杆液压缸端部与定子背板接触，液压缸能够使定子沿轴向移动以调节气隙长度。

2.根据权利要求1所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，所述定位导杆套有弹簧，弹簧位于定子背板与端盖之间。

3.根据权利要求1或2所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，所述定子背板周向开设多个用于安装定位导杆的第一定位孔，端盖对应开设多个第二定位孔。

4.根据权利要求3所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，所述定位导杆具有螺纹段，第二定位孔为与定位导杆螺纹段相适配的螺纹孔；

所述定位导杆远离螺纹段的一端为多边形结构的头部。

5.根据权利要求1所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，所述导杆液压缸与壳体固定，导杆液压缸的进出口连接导管，导管伸出壳体。

6.根据权利要求5所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，位于壳体同一端盖侧的导管并联，且连接液压泵。

7.根据权利要求5所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，所述导管安装阀门。

8.根据权利要求1所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机，其特征在于，两个定子之间设有转子盘，所述转子盘安装在转轴上；定子的绕组预埋有电压测试线圈。

9.根据权利要求1-8任一所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机的控制方法，其特征在于，包括：

当需要增大电机气隙时，通过液压泵提高导杆液压缸内油压，推动导杆动作，使定子背板和定子朝向端盖侧移动，电机气隙增大；当气隙增大至满足要求时，阀门关闭；

当需要减小电机气隙时，打开导杆液压缸进出口阀门，使液压油返回液压泵，降低液压泵的油压，在弹簧和轴向磁拉力的作用下，定子背板和定子向靠近转子盘的方向移动，实现电机气隙的减小，直至测试线圈电压满足要求为止。

10.根据权利要求9所述一种气隙可调的双定子单转子永磁盘式电机的控制方法，其特征在于，如两端盖侧的电压不相等，在关闭一侧阀门的基础上，调整另一侧导杆液压缸的油压，直至两侧的电压相等。

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