CN103944311A - 永磁电机的磁场调节方法和高调磁能力永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁电机的磁场调节方法和高调磁能力永磁电机，属于永磁电机领域。机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，一侧端盖设置辅助移动机构，主轴与旋转轴承沿轴向相对静止，机壳与端盖通过直线轴承沿轴向具有一定的移动范围，辅助移动机构控制移动范围，使得定子中心线和转子中心线发生偏移，改变定子主体与转子之间的耦合，改变永磁电机的气隙有效永磁磁通。本发明使得永磁电机控制精确，无论是作为电动机还是发电机连接使用都很方便，工作效率高。

Description

永磁电机的磁场调节方法和高调磁能力永磁电机

技术领域

本发明提供一种永磁电机的磁场调节方法和高调磁能力永磁电机，属于永磁电机领域。

背景技术

永磁电机相对于电励磁电机，由于采用永磁体励磁而具有高效、高转矩密度及高功率因数的特点，具有重要应用价值，但是永磁电机的永磁磁场难以调节而限制了其应用范围。例如，作为永磁电机一种的永磁无刷电动机，在电动汽车驱动应用中，尽管具有高效、高转矩密度特点而满足了电动汽车对驱动系统的高效、低体积重量要求，但是由于难以调节永磁磁场，难以满足电动汽车低速大转矩同时具有高速运行能力的驱动要求，影响到该种电机在电动汽车等领域的广泛应用；同样作为永磁电机之二的永磁同步发电机，由于不能调节永磁磁场，具有很高的发电机固有电压调整率，只有通过整流和逆变的方式实现正常的发电机电压调整率要求，这增加了发电机系统的成本及体积重量，也降低了其运行可靠性。

因此，如何调节永磁电机的磁场，如何提高永磁电机的调磁能力一直是其研究开发的重点。在正弦波永磁无刷电动机中，将电机定子三相对称电流经过d、q变换变为交、直轴电流，通过调节直轴电流的大小来调节气隙永磁磁场的大小，如果电机具有高凸极率和高直轴电感，则具有相对较好的调节气隙永磁磁场的能力，但是高直轴电感和高凸极率本身就是矛盾的，同时永磁体特别是目前普遍采用的稀土永磁体本身不导磁且具有极高的矫顽力，改变永磁体产生的电机气隙磁场极为困难，需要极大的电枢直轴去磁电流，这在实际中很难实现，而且直轴电流本身是无功电流，直轴电流的增加，降低了电机系统的功率因数，增加了系统的容量；在方波永磁无刷电机中，通过提前导通各相绕组，也可以调节电机的气隙永磁磁场磁通，但会产生很大的电机振动，影响到电机的性能；而在永磁有刷电机中，气隙永磁磁场根本无法调节。

可以看出，目前各不同类型永磁电机的永磁磁场，要么不能调节，要么调节困难，调磁幅度不大，同时调磁以后电机性能变差。

中国专利申请CN03805520.1公开了一种具有固定径向气隙的无刷永磁电机，通过减小有效磁极强度使其以远高于正常最大速度的转速运行。永磁转子和等速轴承之间轴向移位量的增加使得转速相应增加并且转矩相应减小。永磁转子轴向偏移以提供转子磁极和定子之间的轴向移位，减小提供给定子的有效磁极强度或磁通。积分常数速度直线轴承用于连接可动转子和固定位置的电动机转轴。推力轴承驱动磁转子抵抗相吸引的磁力向定子偏移。利用等速直线轴承使得当转子位置偏移时电动机转轴，径向去承轴承，位置编码器，冷却风扇，和输出耦合保持在固定位置。该授权发明专利首先是通过轴向移动转子达到定转子中心线的错位的目的，转子本身旋转，然后再轴向移动，这对电机的工作、制造带来很大的难度；其次，该授权发明专利没有给出电机本身的设计方法。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明所要解决的问题是：提供一种使得永磁电机控制精确，连接使用方便，通过机械的方法，将永磁电机定、转子轴向中心线偏移，降低定、转子之间的磁耦合，从而间接降低了电机的气隙有效永磁磁通，达到调节永磁磁场的目的的磁场调节方法，以及高调磁能力永磁电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种永磁电机的磁场调节方法，包括永磁电机的定子、转子、主轴、旋转轴承、机壳、两侧端盖及基础，转子通过旋转轴承与定子相对转动，其特征在于：机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，一侧端盖设置辅助移动机构，主轴与旋转轴承沿轴向相对静止，机壳与端盖通过直线轴承沿轴向具有一定的移动范围，辅助移动机构控制移动范围，使得定子中心线和转子中心线发生偏移，改变定子主体与转子之间的耦合，改变永磁电机的气隙有效永磁磁通。

作为永磁电机，定子和转子中一个安装永磁体构成永磁转子或永磁定子，另一个就成为电枢，电枢包括电枢绕组和电枢铁心。永磁转子(或永磁定子)同普通永磁电机相同，同样电枢也与普通永磁电机相同。当永磁转子(或永磁定子)与电枢中心线对齐时，永磁磁场与电枢完全耦合，电机的永磁气隙磁通最大，当两者中心线偏离时，电机的气隙有效永磁磁通降低，当永磁定子(或永磁转子)在轴向与电枢没有重叠时，电枢中的气隙有效永磁气隙磁同达到最小，约等于0。通过辅助移动机构使得机壳与端盖一起相对于主轴移动，可以使电机的气隙有效永磁磁通变化幅度很大，满足了各不同永磁电机的调磁要求。主轴连接固定方式灵活方便，不受使用工况和负载影响。

本方法可以是转子沿轴向固定不动，而定子沿轴向通过直线轴承偏移，实现定子和转子之间磁耦合的调整；可以是外转子结构，即转子在外面，定子在内部，对外转子结构电机，同样可以是转子轴向位置不动而定子沿轴线移动，也可以是定子轴向位置不动而转子沿轴向移动。

其中：

所述的主轴上固定永磁转子，机壳内部固定定子。适用于外定子电机。

所述的主轴上固定定子，机壳内部固定永磁转子。适用于外转子电机。

本方法适用于永磁无刷电机，构成包括正弦波永磁同步电机和方波永磁无刷直流电机，前者可以用于电动机也可以用于发电机，后者主要用于电动机。对永磁无刷电机，转子放置永磁体，因此定子是电枢，可以采用内转子结构也可以采用外转子结构。永磁无刷电机的转子或定子在轴向具有一定的移动范围，即定子或转子其中一个可以沿轴向通过直线轴承移动，使定、转子轴向中心线偏离，从而达到调节气隙永磁磁场的目的。定转子轴向中心线越偏离对齐位置，定转子耦合的气隙永磁磁场就越小，电机的气隙有效永磁磁通就越低，对发电机来说，定子绕组永磁电动势就越低，对电动机来说，电动机的弱磁转速就越高。

本方法也适用于永磁有刷直流电机，此时定子安装永磁磁极，转子为电枢，且一般采用内转子结构。定子通过直线轴承可以沿轴向移动，从而实现定子与转子轴向中心线的偏离，实现电机气隙有效永磁磁通调节的目的，满足永磁有刷直流电机调节永磁气隙磁场实现的性能要求。

所述的移动范围是指定子和转子中心线重合到定子和转子边缘完全脱离的偏移距离。

所述的移动范围是0～(定子厚度+转子厚度)/2。

一种使用上述磁场调节方法的高调磁力永磁电机，包括永磁电机的定子、转子、主轴、旋转轴承、机壳、两侧端盖及基础，转子通过旋转轴承与定子相对转动，其特征在于：机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖固定设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，端盖中央设置筒状滑道，旋转轴承设置在滑道上，与主轴相反一侧的端盖设置辅助移动机构。

主轴与旋转轴承沿轴向相对静止，机壳与端盖通过直线轴承沿轴向具有一定的移动范围，辅助移动机构控制移动范围，使得定子中心线和转子中心线发生偏移，改变定子主体与转子之间的耦合，改变永磁电机的气隙有效永磁磁通。

所述的主轴上固定永磁转子，机壳内部固定定子。

所述的机壳外部端盖外侧设置齿条，辅助移动机构包括控制电机、齿轮，齿轮固定在控制电机的输出轴，齿轮与齿条啮合。控制电机旋转带动齿轮，齿轮与齿条传动，使得机壳水平移动，实现定子中心线和转子中心线发生偏移。主轴作为输出端，不产生水平位移，设置连接负载简单，安装方便，传动效率高。

所述的主轴上固定定子，机壳内部固定永磁转子。

所述的机壳外部端盖外侧设置环形齿圈，辅助移动机构包括控制电机、齿轮，齿轮固定在控制电机的输出轴，齿轮与环形齿圈啮合，环形齿圈旋转时实现轴向移动。齿轮传动将端盖沿轴向移动，适用于外转子结构。

与现有技术相比，本永磁电机的磁场调节方法及高调磁力永磁电机具有的有益效果是：通过调节永磁电机定子或转子轴向位置，实现定子和转子轴向中心线的偏离，从而实现定转子之间的磁耦合调整，间接实现了电机气隙有效永磁磁通的调节。具体上：

(1)通过移动定子或转子的轴向相对位置调节永磁电机的气隙有效永磁磁场，具有很大的调磁能力，避免了正弦波永磁无刷电机通过很大直轴电枢电流进行调磁，保证了电机的高效、高功率密度和高功率因数，避免了方波永磁无刷电机通过提前导通各相电流进行调磁而引起电机性能的恶化，同样实现了永磁直流电机调磁的目的；

(2)本发明定子和转子的相对轴向移动是通过电动或手动的方法，通过直线轴承实现的。

(3)本发明的高调磁能力永磁电机在用作电动机时具有很高的弱磁扩速能力，极适合于低速大转矩同时具有高速小转矩运行要求的场合，如电动汽车驱动及机床主轴驱动；

(4)本发明的高调磁能力永磁电机在用作发电机时具有很好的电压稳定性，避免了普通永磁发电机必须采用整流逆变满足电压稳定性的性能要求，具有低成本和高效的优势。

附图说明

图1为普通永磁电机作为电动机时转矩转速特性曲线及负载要求的转矩转速特性曲线；

图2为本发明用作内转子永磁无刷电动机时的结构图；

图3为图1中定子1中心线(即相当于定子铁心1-1中心线，下同)与转子2中心线重合时的示意图；

图4为图1中定子1左端面与转子2右端面重合时的示意图；

图5为图1中定子1与转子2介于图3和图4的中间位置示意图；

图6为本发明测试特性曲线；

其中：1-1为定子铁心，1-2为定子绕组，2为永磁转子，3为电机左端盖，4为机壳，5为右端盖，6为旋转轴承，7为辅助移动机构，8为直线轴承，9为基础。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1：

如图1所示，其中ABCr为负载要求的最大转矩转速特性曲线，而AB段为其最大恒转矩段，BCr为其最大恒功率段；ABCs为普通永磁电动机只为满足负载的最大恒转矩运行所具有的转矩转速特性曲线；ABxCr为普通永磁电机不但满足负载的最大恒转矩运行同时满足恒功率运行所必须具有的最大转矩转速特性曲线。

通常的永磁无刷电动机具有如图1中ABCs所示的转矩转速特性曲线，其中AB段为恒转矩运行段，BCs为弱磁扩速段，n_b为转折转速，n_smax为电机所能达到的最高转速，由于通常的永磁无刷电机永磁磁场很难调节，因此弱磁扩速段相对较短，即n_smax比n_b增大的不很多。而众多的负载如电动汽车驱动负载需要低速大转矩同时需要高速运行，即需要很长的弱磁扩速段，如图BCr段，即n_rmax比n_b大很多，也就是说，普通永磁无刷电机如果刚好满足负载的恒转矩运行要求，不可能同时满足负载的恒功率弱磁扩速要求。显然普通的永磁同步电动机要想同时满足负载的恒转矩要求和恒功率要求，即满足负载特性曲线ABC_r，只有增加电动机的最大功率，从而增加逆变器的容量，使电机具有ABxCr的转矩转速特性曲线，这大大增加了逆变器的容量和成本、体积，即只有电机系统具有ABxCr的转矩转速特性曲线，才能满足负载ABC_r的负载特性。

一种永磁电机的磁场调节方法，包括永磁电机的定子、转子、主轴、旋转轴承、机壳、两侧端盖及基础，转子通过旋转轴承与定子相对转动，其特征在于：机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，一侧端盖设置辅助移动机构，主轴与旋转轴承沿轴向相对静止，机壳与端盖通过直线轴承沿轴向具有一定的移动范围，辅助移动机构控制移动范围，使得定子中心线和转子中心线发生偏移，改变定子主体与转子之间的耦合，改变永磁电机的气隙有效永磁磁通。

作为永磁电机，定子和转子中一个安装永磁体构成永磁转子或永磁定子，另一个就成为电枢，电枢包括电枢绕组和电枢铁心。永磁转子(或永磁定子)同普通永磁电机相同，同样电枢也与普通永磁电机相同。当永磁转子(或永磁定子)与电枢中心线对齐时，永磁磁场与电枢完全耦合，电机的永磁气隙磁通最大，当两者中心线偏离时，电机的气隙有效永磁磁通降低，当永磁定子(或永磁转子)在轴向与电枢没有重叠时，电枢中的气隙有效永磁气隙磁同达到最小，约等于0。通过辅助移动机构使得机壳与端盖一起相对于主轴移动，可以使电机的气隙有效永磁磁通变化幅度很大，满足了各不同永磁电机的调磁要求。主轴连接固定方式灵活方便，不受使用工况和负载影响。

实施例2：

在实施例1的基础上，主轴上固定永磁转子，机壳内部固定定子。适用于外定子电机。可以是永磁无刷电机，也可以是永磁有刷直流电机，此时一般为内转子结构，且定子安装永磁体，转子为电枢。这时，一般转子沿轴向固定不动，而定子沿轴向能够运动。

实施例3：

在实施例1的基础上，主轴上固定定子，机壳内部固定永磁转子。适用于外转子电机。

实施例4：

在实施例1的基础上，本方法用于永磁无刷电机，构成包括正弦波永磁同步电机和方波永磁无刷直流电机，前者可以用于电动机也可以用于发电机，后者主要用于电动机。对永磁无刷电机，转子放置永磁体，因此定子是电枢，可以采用内转子结构也可以采用外转子结构。

永磁无刷电机的转子或定子在轴向具有一定的移动范围，即定子或转子其中一个可以沿轴向通过直线轴承移动，使定、转子轴向中心线偏离，从而达到调节气隙永磁磁场的目的。定转子轴向中心线越偏离对齐位置，定转子耦合的气隙永磁磁场就越小，电机的气隙有效永磁磁通就越低，对发电机来说，定子绕组永磁电动势就越低，对电动机来说，电动机的弱磁转速就越高。

实施例5：

在实施例1的基础上，本方法用于永磁有刷直流电机，此时定子安装永磁磁极，转子为电枢，且一般采用内转子结构。定子通过直线轴承可以沿轴向移动，从而实现定子与转子轴向中心线的偏离，实现电机气隙有效永磁磁通调节的目的，满足永磁有刷直流电机调节永磁气隙磁场实现的性能要求。

实施例6：

在实施例4的基础上，当本方法用于永磁电动机时，在进行电机设计时，以定子1中心线与转子2中心线对齐设计，满足电机的低速大转矩运行要求，通过本方法使定子中心线与转子中心线偏移，实现弱磁扩速运行，都能够满足负载的高转速运行要求。

实施例7：

在实施例4的基础上，本方法可以用于具有良好稳压性能的永磁发电机。图2所示可以视为具有良好稳压性能的永磁同步发电机。对发电机来说，基本的性能要求是电压稳定性，即随着负载的增加，输出电压要保持不变，或在一个很小的变动范围内。普通永磁同步发电机由于气隙永磁磁场不可调，因此其电压稳定性是通过输出电压的整流逆变实现，增加了系统的成本、降低了系统的效率。本发明用于永磁同步发电机时，可以随着负载的大小，通过调节定子1中心线和转子2中心线的相对位置，改变了电机的气隙有效永磁磁通，从而改变定子电枢绕组的永磁电动势，可以保证输出电压不变。

在本方法应用于永磁发电机而保持输出电压恒定时，以定子1中心线与转子2中心线重合设计电机的额定运行状态，此时能够输出额定电压，随着负载的降低，逐步使定子1中心线偏离转子2中心线，从而降低电机的气隙有效永磁磁通，降低电枢的永磁电动势，保证输出电压的恒定。

实施例8：

在以上实施例的基础上，移动范围是指定子和转子中心线重合到定子和转子边缘完全脱离的偏移距离。例如，移动范围是0～(定子厚度+转子厚度)/2。

实施例9：

一种使用上述实施例1磁场调节方法的高调磁力永磁电机，包括永磁电机的定子、转子、主轴、旋转轴承、机壳、两侧端盖及基础，转子通过旋转轴承与定子相对转动，其特征在于：机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖固定设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，端盖中央设置筒状滑道，旋转轴承设置在滑道上，与主轴相反一侧的端盖设置辅助移动机构。

主轴与旋转轴承沿轴向相对静止，机壳与端盖通过直线轴承沿轴向具有一定的移动范围，辅助移动机构控制移动范围，使得定子中心线和转子中心线发生偏移，改变定子主体与转子之间的耦合，改变永磁电机的气隙有效永磁磁通。

实施例10：

如图2所示，主轴上固定永磁转子2，机壳4内部固定定子主体1。定子铁心1-1和定子绕组1-2组成了定子主体1，定子主体1、左端盖3、机壳4、右端盖5组成了电机的定子，永磁转子2通过旋转轴承6相对于定子旋转，辅助移动机构7使定子通过直线轴承8沿基础9轴向移动。

通过移动定子，使定子中心线(即相当于定子铁心1-1中心线)与转子2中心线偏移，从而降低了转子与定子的耦合，降低了电机气隙有效永磁磁通，达到永磁无刷电机弱磁扩速的目的，从而使电机具有如图1中ABCr的转矩转速特性曲线，从而在不增加电机最大功率和逆变器容量的前提下满足负载的驱动要求。

当定子1中心线与转子2中心线重合时，如图3所示，电机气隙有效永磁磁通最大，此时电机工作于如图1所示AB段，实现电机的恒转矩运行，在B点，电机达到最大功率，逆变器输出最大功率，当定子1中心线逐渐偏离转子2中心线时，气隙有效永磁磁通变小，从而使电机沿BCr弱磁扩速运行。当定子左端面到达转子2右端部面时，如图4所示，电机气隙有效磁通最小，接近0，可以使电机达到很高的转速(n_rmax)；如图5所示，定子1中心线偏离转子2中心线，电机气隙有效永磁磁通小于如图3所示的磁通，大于如图4所示的磁通，因此电机的运行转速也就介于n_b和n_rmax之间。

实施例11：

在实施例9和/或实施例10的基础上，机壳4外部端盖5外侧设置齿条，辅助移动机构7包括控制电机、齿轮，齿轮固定在控制电机的输出轴，齿轮与齿条啮合。控制电机旋转带动齿轮，齿轮与齿条传动，使得机壳水平移动，实现定子中心线和转子中心线发生偏移。主轴作为输出端，不产生水平位移，设置连接负载简单，安装方便，传动效率高。

实施例12：

在实施例9的基础上，主轴上固定定子，机壳内部固定永磁转子。

实施例13：

在实施例9和/或实施例12的基础上，机壳外部端盖外侧设置环形齿圈，辅助移动机构包括控制电机、齿轮，齿轮固定在控制电机的输出轴，齿轮与环形齿圈啮合，环形齿圈旋转时实现轴向移动。齿轮传动将端盖沿轴向移动，适用于外转子结构。

实验证明：

如图6所示为5kW、1500r/min永磁电机(采用内转子结构)在采用本发明专利时的实施效果，其中正常的5kW永磁电机具有图中ABCs的转矩转速曲线，在Cs点，达到最高运行转速(最高运行转速为2400r/min)，但输出转矩已降为0，因此没有功率输出；在采用本发明专利后，AB段保持不变，但高速段由BCs变为BCr,即电机的最高转速达到4350r/min,更重要的是此时还有8Nm的功率输出，此时电机的输出功率还有3.7kW。通过采用本发明专利，取得了良好的高速运行效果，不但扩大了调速范围，而且高速还有转矩输出。

Claims (10)

1.一种永磁电机的磁场调节方法，包括永磁电机的定子、转子、主轴、旋转轴承、机壳、两侧端盖及基础，转子通过旋转轴承与定子相对转动，其特征在于：机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，一侧端盖设置辅助移动机构，主轴与旋转轴承沿轴向相对静止，机壳与端盖通过直线轴承沿轴向具有一定的移动范围，辅助移动机构控制移动范围，使得定子中心线和转子中心线发生偏移，改变定子主体与转子之间的耦合，改变永磁电机的气隙有效永磁磁通。

2.根据权利要求1所述的永磁电机的磁场调节方法，其特征在于：所述的主轴上固定永磁转子，机壳内部固定定子。

3.根据权利要求1所述的永磁电机的磁场调节方法，其特征在于：所述的主轴上固定定子，机壳内部固定永磁转子。

4.根据权利要求1所述的永磁电机的磁场调节方法，其特征在于：所述的移动范围是指定子和转子中心线重合到定子和转子边缘完全脱离的偏移距离。

5.根据权利要求1或4所述的永磁电机的磁场调节方法，其特征在于：所述的移动范围是0～(定子厚度+转子厚度)/2。

6.一种高调磁力永磁电机，包括永磁电机的定子、转子、主轴、旋转轴承、机壳、两侧端盖及基础，转子通过旋转轴承与定子相对转动，其特征在于：机壳外部与基础之间设置直线轴承，端盖固定设置在机壳两侧，主轴通过旋转轴承固定在两侧端盖上，端盖中央设置筒状滑道，旋转轴承设置在滑道上，与主轴相反一侧的端盖设置辅助移动机构。

7.根据权利要求6所述的高调磁力永磁电机，其特征在于：所述的主轴上固定永磁转子，机壳内部固定定子。

8.根据权利要求6或7所述的高调磁力永磁电机，其特征在于：所述的机壳外部端盖外侧设置齿条，辅助移动机构包括控制电机、齿轮，齿轮固定在控制电机的输出轴，齿轮与齿条啮合。

9.根据权利要求6所述的高调磁力永磁电机，其特征在于：所述的主轴上固定定子，机壳内部固定永磁转子。

10.根据权利要求6或7所述的高调磁力永磁电机，其特征在于：所述的机壳外部端盖外侧设置环形齿圈，辅助移动机构包括控制电机、齿轮，齿轮固定在控制电机的输出轴，齿轮与环形齿圈啮合，环形齿圈旋转时实现轴向移动。