CN1252642A - 弱磁扩速永磁电动机 - Google Patents

Abstract

弱磁扩速永磁电动机,现有同类产品存在弱磁扩速效果不佳,结构复杂等不足,本装置在转子相邻磁极之间设置自动弱磁扩速装置,该装置包括径向导向套、可在径向沿导向套移动并接有复位弹簧的导磁滑块,在电机静止状态下,导磁滑块被复位弹簧径向定位于靠近中心主轴未进入磁极极间间隙的位置,电机高速运转时,滑块在离心力作用下移至磁极之间,短路部分磁极,起到弱磁扩速的作用,本装置结构简单,弱磁扩速效果好,可靠性高。

Description

弱磁扩速永磁电动机

本发明属一种具有弱磁扩速功能的永磁电动机，特别是永磁同步电动机(包括永磁无刷直流电动机)。

随着半导体和计算机技术的发展以及钕铁硼永磁材料性能的改善，永磁电动机，特别是永磁同步电动机(直流无刷运行)已广泛用于工厂、办公和家庭自动化的场合，电机小型轻量化、宽广的调速范围和提高输出功率是主要发展方向。目前国际上纷纷采用弱磁扩速技术来扩大永磁电机在高速状态下的输出功率，使其保持在较高速度范围内的恒功率运行。所谓弱磁扩速就是在电机端电压达到极限值后，采用削弱磁场强度的方法使电机以恒功率的方式运行到更高的转速。直流电动机的转速与端电压成正比，当励磁式直流电机，比如他励直流电动机端电压达到极限电压时，为使电机能以恒功率方式运行到更高的转速，可以以降低电动机的励磁电流来获得电压的平衡，也就是说励磁式直流电机是通过降低励磁电流方式来获得弱磁扩速的，而永磁电动机的励磁是固定的，要想在高速状态下削弱其磁场有一定难度，现有技术是通过调节直轴电流分量I_d和交轴电流分量I_q来实现弱磁扩速。目前永磁电机的弱磁扩速技术有采用逆变器控制技术，优化控制技术来获得宽广的高速恒功率调速范围，这些方案中，有的同时会导致电机总的调速范围减少，转矩特性变软，有的弱磁效果不佳，有的导致铁耗大幅度增加，电机效率降低，特性变坏，有的结构复杂，成本较高，所以永磁电机的弱磁扩速技术至今仍是国际上尚需攻克的难题。

本发明旨在克服上述缺陷，提供一种不需另设调节控制系统，只利用电机主体结构即可完成弱磁扩速功能的结构简单，成本低，性能好，可靠性高的弱磁扩速永磁电动机。

实现上述目的的技术方案是：本发明在机壳内设置的定子包括铁心(1)，定子槽(2)，定子绕组，转子包括主轴(9)和固定于主轴上的磁极(8)，转子磁极与定子铁心之间设有径气隙(3)，其特征在于：在转子圆周向的相邻磁极之间设有自动弱磁扩速装置，该装置包括径向导向套(7)，可在径向沿导向套移动并接有复位弹簧(5)的导磁滑块(6)，在电机静止状态下，导磁滑块(6)被复位弹簧径向定位于靠近中心主轴未进入极间间隙(4)的位置。

本发明的工作原理为；所述导向套及复位弹簧均为非导磁材料制作，当电机处于静止状态或低速运转滑块所受离心力小于复位弹簧作用力时，见图3-1，导磁滑块在复位弹簧作用下位于靠近中心主轴9未进入极间间隙的位置，此时的导磁滑块无弱磁效应，使电机维持低速重负载下高转矩特性；随着转速增加，离心力加大，当离心力大于复位弹簧作用力后，见图3-2，导磁滑块径向运动至相邻磁极8之间，使磁极侧面部分短路，削弱了主磁通，实现高速轻负载宽广的恒功率运行。

本发明的磁路可参见图4实施例的弱磁扩速磁路示意图，弱磁运行时存在四种磁通：a-经过气隙(3)的永磁主磁通，b-经过圆周向相邻磁极极间间隙(4)的漏磁永磁通：c-经过圆周向相邻磁极极间间隙(4)的弱磁磁通；d-经过磁极(8)的弱磁磁通；高速运行时，导磁滑块(6)在磁极间径向移动起到调节磁极极间间隙的漏磁永磁通b和弱磁磁通c的作用，从而调节合成的气隙磁通，达到自动弱磁扩速的功能。

本发明不需要对逆变器控制系统进行额外的调节，仅靠电机主体结构即可实现弱磁扩速的功能，从而简化了电机的控制系统，具有结构简单，成本低的优点，而且本发明在磁极间所调整的漏磁永磁通和弱磁磁通均为从磁极侧面以与径向磁通呈90°的方向旁路部分磁通，来达削弱主磁通的效果，这样就克服了现有技术以与径向主磁通相反方向的磁场削弱主磁通而可能导致的磁钢被去磁，出力降低、性能变坏的缺点，而且本发明在静止或低速状态下对主磁通无削弱作用，在高速状态下，弱磁效果是随转速的提高自动调节加强，所以是在不影响低速运转性能的基础上实现弱磁扩速功能的，弱磁扩速效果好，可靠性高，为永磁电机在工厂、办公、家庭自动化领域的推广应用创造了条件。特别是在有严格电压限制的蓄电池供电(如电动助力车、电动汽车)场合，更能发挥其高转矩密度和宽广的恒功率调速范围的优点。

附图说明：

图1、本发明实施例1有极靴弱磁扩速永磁同步电机剖面结构示意图

     (图中未示定子绕组)

  1-铁心     2-定子槽    3-径气隙    4-极间间隙    5-复位弹簧

  6-导磁滑块 7-导向套    8-磁极      9-主轴       10-极靴

  11-磁钢

图2、在图1极间间隙4所设弱磁扩速装置放大结构示意图

图3、实施例1在静止低速状态和高速状态下弱磁扩速装置中导磁滑块6的位

     置示意图

   3-1静止或低速时导磁滑块6位置示意图

   3-2高速状态下导磁滑块6的位置示意图

图4、实施例1弱磁扩速磁路示意图

   a---经过气隙3的永磁主磁通

   b---经过圆周向相邻磁极极间间隙4的永磁漏磁通

   c---经过圆周向相邻磁极极间间隙4的弱磁磁通

   d---经过磁极8的弱磁磁通；

图5、实施例1的转矩---转速特性

   h---导磁滑块的径向位移距离

图6、本发明实施例2无极靴弱磁扩速永磁同步电机剖面结构示意图

  12-凹槽

图7、实施例2在静止低速状态和高速状态下弱磁扩速装置中导磁滑块6的位

     置示意图

实施例1说明

本例是有极靴弱磁扩速永磁同步电机，磁极8由用磁阻很大的铁氧体或钕铁硼永磁材料制成的磁钢11和用磁阻很小的软钢材料制成的极靴10组成，导磁滑块6为良导磁材料，复位弹簧5为非导磁材料，导向套7为铜材制成。

本例径向导向套7固定于相邻两极靴之间，导向套内与导磁滑块6相连的复位弹簧5为压簧，其一端固定在径向导向套7外端的内底面上，另一端作用于可沿导向套内壁径向滑动的导磁滑块6，在电机静止或低速运转时，导磁滑块6受压簧作用定位于径向导向套靠近主轴的里端内底面上(见图3--1)，即在两磁极极靴的极间间隙之外，此时，导磁滑块对相邻的两磁极极靴不短路，无弱磁效应，使电机维持低速重负载下高转矩特性，当电机转速达到一定高速时，导磁滑块6在离心力作用下径向运动至相邻两磁极极靴的极间间隙里，使两极靴侧面部分短路，削弱了主磁通，从而打破了逆变器控制的永磁同步电机端电压必须与转速成正比的限制，实现高速轻负载宽广的恒功率运行。

图5为本例的转矩—转速特性图，h是导磁滑块6从导向套里端向外径向位移的距离，由图可见，随着滑块的外移，使本永磁同步电机在限制端电压的情况下实现既发挥高转矩密度(低速重负载高转矩)的优点，又具有宽广的恒功率调速范围和提高高速时轻负载运行时的效率的特点。

本发明作用于滑块6的离心力与其转速和半径有关，在离心力作用下克服复位弹簧5压力而作的径向位移则与压簧的弹性系数有关。弱磁效应是与导磁滑块6的侧面积大小和导向套7的壁厚(即滑块与极靴间的距离)有关，在转子及弱磁扩速装置结构尺寸一定的情况下，调节压力弹簧5的弹性系数，即可使本永磁同步电机实现既发挥高转矩密度的优点，又具有设计所要求的宽广的恒功率调速范围的特点。

实施例2

图6是无极靴永磁同步电机剖面结构示意图，本例的磁极8无极靴，磁极是由磁阻很大的钕铁硼材料制成，所述设在极间间隙4内的弱磁扩速装置的径向导向套7里端嵌入主轴9所设的凹槽12内，这样当电机处于静止或低速运转状态时，位于径向导向套里端的导磁滑块6即在主轴凹槽内的位置(见图7--1)，也就是说位于极间间隙4之外，对两侧磁极无旁路作用。待运转到一定高速时，才在离心力作用下径向运动到极间间隙里(见图7--2)，起到弱磁扩速的作用。

具有本发明结构的有极靴永磁电机的弱磁效应要强于无极靴永磁电机的弱磁效应，这是由于无极靴磁极的径向磁阻较大的原因。

Claims (3)

1、弱磁扩速永磁电动机，其设在机壳内的定子包括铁心(1)，定子槽(2)，定子绕组，转子包括主轴(9)和固定于主轴上的磁极(8)，转子磁极与定子铁心之间设有径气隙(3)，其特征在于：在转子圆周向的相邻磁极之间设有自动弱磁扩速装置，该装置包括径向导向套(7)、可在径向沿导向套移动并接有复位弹簧(5)的导磁滑块(6)，在电机静止状态下，导磁滑块(6)被复位弹簧径向定位于靠近中心主轴未进入极间间隙(4)的位置。

2、根据权利要求1所述的弱磁扩速永磁电动机，其特征在于：所述的磁极(8)是由用磁阻很大的铁氧体或钕铁硼永磁材料制成的磁钢(11)和用磁阻很小的软钢材料制成的极靴(10)组成。

3、根据权利要求1或2所述的弱磁扩速永磁电动机，其特征在于：所述弱磁扩速装置中的复位弹簧(5)为压簧，其一端固定在径向导向套(7)外端的内底面上，另一端作用于所述的导磁滑块(6)，在电机静止或低速运转时，导磁滑块(6)受压簧作用定位于径向导向套靠近主轴的里端内底面上。

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