CN106253617A - 用于可变反电动势的电动机结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于可变反电动势的电动机结构，包括：转子，其环状且同心地固定于电动机的轴的外周面的径向外侧，并且具有永磁体；具有线圈的定子，布置在电动机壳体的内侧、转子的永磁体的同心外侧，并被布置成以预定间隔彼此隔开；以及驱动单元，其被配置成，通过调整转子的永磁体的磁通量穿过定子的线圈的面积，沿轴的轴向移动定子，从而改变交链磁通。

Description

用于可变反电动势的电动机结构

技术领域

本发明涉及一种能够改变反电动势的电动机结构，更特别涉及一种改进结构，通过控制永磁体的磁通量到达定子铁心的面积，来抑制电动车辆中电动机高转速的反电动势。

背景技术

近年来，由于空气污染和化石燃料的消耗对环境造成了不利影响，因此人们已开发出混合动力车辆和电动车辆。混合动力车辆以内燃机作为主要动力源，以电动机作为辅助动力源；而电动车辆是以电动机作为主要动力源的车辆。

电动车辆电动机的操作条件，在爬坡并倾斜时要求低速度高转矩，而在高速度运行诸如在高速公路上行驶时，要求高速低转矩。因此，人们已开发出在转子中使用永磁体的永磁同步电动机。然而，在使用永磁体的电动机中，由于永磁体产生磁通量，因此产生与电动机的转速成比例的反电动势。为了每分钟高转数(rpm)地运转电动机，应该抑制反电动势的增加，因为高速驱动时永磁体产生的反电动势可能会超出电动机的电压极限值。

具体地，可以利用通过在转子磁通量的相反方向生成定子磁通量来抑制永磁体的反电动势增加的方法。例如，永磁体抑制由永磁体产生的磁通量，从而抑制永磁式电动机的高转速区域中的反电动势的增加。然而，由于必须提供独立于转矩的电流来控制弱磁通，因此这种方法会导致效率和输出降低。

现有技术中用于抑制永磁式电动机中永磁体的反电动势增加的一个例子，公开了一种定子模块，其包括同轴布置的、在圆周方向上分别旋转的第一和第二定子。此外，这些定子周围分别缠绕线圈。旋转驱动单元沿相反方向以相同角度旋转第一和第二定子，从而基于第一和第二定子的旋转角度调整定子的交链磁通的量。该例子还公开了包括以上结构的电动机。

此外，如现有技术所示，人们已经开发出定子和转子之间布置多个可旋转的辅助转子的发电机和电动机，辅助转子以相同的旋转轴作为主要转子。当反电动势产生且主要转子和辅助转子以与一个转子相同的形式旋转时，旋转轴通过共用轴承平稳地旋转。由于产生了反电动势，使辅助转子和主要转子一起旋转的现象不能连续发生。在主要转子之间连续产生滑移现象的同时，辅助转子旋转。在产生滑移现象同时旋转的辅助转子，使与其联动的主要转子通过极性转换继续加速而快速旋转。反电动势因永磁体的裂缝(slit)现象，通过反电动势来减小负载。然而，上述现有技术的电动机使电动机的制造成本增加，并且难以控制且存在问题。

另一个例子，如图1所示，人们开发出一种可变空气隙型永磁式电动机，其具有电动机控制器10，用以运行能够改变具有电枢线圈13的定子3之间的空气隙的液压供应源11。转子1包括永磁体2，盘型转子固定于轴14。定子通过液压活塞7轴向移动，以改变定子和转子之间的空气隙的大小，从而增加高转速(rpm)区域中的空气隙的大小，从而减少反电动势。

然而，上述可变空气隙型永磁式电动机具有定子和转子彼此重叠的结构，而不是通常布置在电动车辆的内部转子的径向外侧上的内部转子型电动机结构。例如，在径向方向上，电动车辆的内部转子型空气隙的大小相对于内部转子不可调整或改变。

在该部分中公开的上述信息仅为了增强对本发明的背景技术的理解，因此其可包含不构成在该国的本领域普通技术人员已经熟知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种用于可变反电动势的电动机结构，其通过在内部转子结构中的电动机的轴向上移动定子支撑部，来改善高旋转区域中的电动机效率，从而减少定子的交链磁通的通过面积，并减少反电动势。

一方面，本发明提供一种用于可变反电动势的电动机结构，其可包括转子，定子，和驱动单元。例如，转子可环状且同心地固定到电动机的轴的外周面的径向外侧，且可具有永磁体。定子可具有线圈，布置在电动机壳体的内侧、转子的永磁体的同心外侧。线圈可被布置成以预定间隔彼此隔开。驱动单元可沿轴的轴向移动定子来改变交链磁通，并调整转子的永磁体的磁通量穿过定子的线圈的面积。

定子可被固定到圆筒状定子支撑部，该圆筒状定子支撑部通过驱动单元沿轴的轴向可滑动地布置在壳体的内表面上。驱动单元可被配置成操纵圆筒状定子支撑部，以利用液压滑动。定子支撑部的端部可形成为活塞，通过由控制器调节的液压泵，将液压供应到形成于壳体内的汽缸单元并将液压从汽缸单元排出，活塞可在轴的轴向上滑动。

驱动单元可被配置成操纵定子支撑部，以利用电动机滑动。驱动单元可包括齿轮单元，形成在被配置成由控制器旋转的电动机的输出轴中。例如，圆筒状定子支撑部可根据电动机输出轴的齿轮单元的正转和反转沿螺纹松开和拧紧方向旋转，并且沿轴的轴向前后移动。电动机161的齿轮单元162螺纹连接到螺纹部135，螺纹部135形成在定子支撑部130的端部的内表面上。

定子利用驱动单元的滑动距离可变地被调整，以便对应于转速的增大，与交链面积反比例地减小。电动机的齿轮单元可螺纹连接到螺纹部，螺纹部形成在定子支撑部的端部的内表面上。

根据本发明，定子支撑部可基于电动机的正转和反转沿轴向前后移动。此外，固定在轴的外周面上的电动机的永磁体的磁通量穿过线圈的面积可减少，交链磁通减少。因此，可控制电动机反电动势的减小，增加高旋转区域中电动机的效率和输出。

附图说明

参考其中所示附图的特定示例性实施例，现在将详细描述本发明的上述和其它特征，所述实施例仅以说明的方式在下文中给出，且因此不限制本发明，且其中：

图1为根据现有技术的用于减少反电动势的常规可变空气隙型永磁式电动机的示例性配置示意图；

图2为根据本发明的示例性实施例的用于可变反电动势的电动机结构的示例性示意图；

图3为根据本发明的示例性实施例对应于图2的电动机结构中的定子的轴向移动距离的交链磁通中的通过面积变化的示例性视图；

图4为根据本发明的示例性实施例在图3的固定转速(rpm)处定子的轴向移动距离的反电动势的变化的示例性图表；以及

图5为根据本发明的示例性实施例的不同于图2的示例性实施例的可变反电动势的电动机结构的示例性示意图。

应该理解，附图不一定按比例绘制，呈现本发明的基本原理的各种特征的某种简化表示。如这里所公开的本发明的具体设计特征将部分通过特定目的的应用和使用环境确定，所述具体设计特征包括，例如，具体规格、方向、位置，和形状。在图中，在这几个附图中，相同的附图标记指代本发明相同或等同的部件。

具体实施方式

以下将详细参考本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出并在下面描述。虽然本发明将结合示例性实施例描述，应该理解，本描述不旨在限制本发明到那些示例性实施例。相反地，本发明旨在不仅涵盖示例性实施例，而且涵盖各种可包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替换、修改、等效物和其它实施例。

这里所用的术语仅为了描述特定实施例的目的且不旨在限制本发明。除非上下文另外清楚地规定，如这里所用的单数形式“一种/个(a/an)”、以及“该”也旨在包括复数形式。应该此外理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包含的”限定了所述特征、整数、步骤、操作、要素、和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其集合的存在或添加。如这里所用的术语“和/或”包括一个或多个关联所列项的任一和所有组合。例如，为了使本发明的描述清晰，无关的部分没有示出且，为了清楚起见，层和区域的厚度被夸大。此外，当陈述层在另一层或基底“上”时，该层可在另一层或基底正上方或第三层可设置其中。

应该理解，如这里所用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)、公共车辆、卡车、各种商用车辆的客用车辆，以及包括各种小船和轮船的船只，飞机，等等，且包括混合动力车辆，电动车辆，插电式混合动力电动车辆，氢动力车辆和其他代用燃料车辆(如源于石油之外的资源的燃料)。如这里所指的混合动力车辆是有两种或多种动力源的车辆，例如以汽油动力和电动力为动力源的车辆。

除非上下文特别申明或明显规定，如在此所用的术语“大约”被理解为在本领域正常公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“大约”可被理解为在所述值的10％，9％，8％，7％，6％，5％，4％，3％，2％，1％，0.5％，0.1％，0.05％，或0.01％以内。除非上下文另外清楚地规定，这里所提供的所有数字数值都可以用术语“大约”修改。

永磁式电动机可被配置成，通过永磁体产生磁通量，生成与转速成比例的反电动势。因此，为了驱动高旋转区域中的电动机，与转矩无关的反电动势抑制电流会流经定子线圈，以防止反电动势的升高。电流的使用直接导致损耗以及高旋转区域中电动机的效率的降低，电动机转矩中使用的电流量减少，且转矩降低。

利用下面的公式表示永磁式电动机产生的反电动势：e＝k·λ_f·ω_rm(其中，e为反电动势，k为常数，λ_f为交链磁通(interlinkageflux)，ω_rm为旋转角速度)。此外，交链磁通与作为转子和定子之间间隔的空气隙之间的关系由下面的公式表示：λ∝A/l_g(其中，λ为交链磁通，A为交链磁通的通过面积，l_g为空气隙)。因此，为了减少反电动势，可以减小通过转子的永磁体的磁通穿过提供给定子的线圈的交链磁通。通过增加交链磁通穿过的空气隙，来实现交链磁通的减小。

然而，当将内部转子型应用到车辆时，作为转子和定子之间的间隔的空气隙不可改变，在该内部转子型中，转子环状固定到轴，且定子环状布置在径向外侧上以间隔开。例如，为了抑制永磁式电动机中的反电动势的产生，定子支撑部可通过液压沿着电动机的轴向方向移动，定子的交链磁通的通过面积可减小，交链磁通的量也可减小，从而减少反电动势。

具体地，如图2所示，本发明可包括转子，该转子被布置成环状且同心地固定到电动机的轴100的外周面的径向外侧。定子120可被布置成与转子同心地固定到电动机壳体140的内侧，驱动单元可使定子相对于壳体轴向滑动，从而改变交链磁通。

根据一个示例性实施例，转子可包括环状固定构件110，其从电动机轴的外周面径向向外固定；环状转子铁心115，布置在固定构件110上以便与轴具有同心圆；以及永磁体116，其被固定到转子铁心的上表面。此外，定子120可向外同心且滑动地安装以将转子的永磁体布置在壳体内。线圈125可缠绕在定子的周围，尽管在附图中未示出，但是动力源可连接到线圈。因此，当电源施加到定子的线圈125时，定子的永磁体116，通过基于弗莱明左手定则在线圈中产生的磁场而旋转时，轴旋转。

因此，可通过改变与固定于轴并旋转的转子的定子的面对位置，来减小转子的永磁体的磁通穿过定子的线圈的面积，由此减小交链磁通的大小。从而，由于永磁体产生的磁通，与转速成比例产生的反电动势得以减小。

具体地，在驱动单元中，用于支撑定子120的定子支撑部130可被布置成在壳体140的内表面上沿轴的轴向方向滑动。此外，定子支撑部130的端部可形成为活塞132，且活塞可通过被供应到形成在壳体140中的汽缸单元141的液压沿轴向滑动。通过可在前后方向上驱动且由控制器160操纵的油泵150，油可被供应到汽缸单元141或者从汽缸单元141中排出。因此，定子支撑单元130在附图的横向方向上，在壳体140内轴向滑动。定子支撑单元130可被形成为圆筒状。

此外，当具有线圈的定子120在面向转子的永磁体116的位置处沿水平方向滑动时，永磁体的磁通穿过定子线圈的交链磁通可减小。换句话说，当转子的转速增大时，朝向(例如，面向或靠近)转子的永磁体布置的定子沿轴向滑动。如图3所示，转子的永磁体的磁通量穿过缠绕在定子周围的线圈的面积(例如，圆柱面积)减小。如图4示意性地示出，交链磁通穿过的面积可与定子沿轴向移动的距离反比例地减小，因而减小反电动势。

图5是利用图2中的液压来移动定子的驱动单元的示例性实施例。由控制器160运行的驱动单元位于壳体外部。齿轮单元162，可形成在电动机161的输出轴上，并且可被配置成通过被结合(例如，螺纹连接)到圆筒状定子支撑部130而旋转。电动机161可被安装在壳体端部的内侧上，且可通过外部控制器160沿正向和反向旋转。齿轮单元162可形成在电动机的输出轴的端部，并且可与形成在定子支撑部130的内侧面上的螺纹部135螺纹连接。

因此，在电动机161的正向旋转过程中，输出轴的齿轮单元162可沿螺纹松开方向旋转，齿轮部与其内侧面的螺纹部135相结合(例如，螺纹连接)的定子支撑部130，在壳体的内侧面上轴向滑动，以便向前并远离电动机161移动。在电动机的反向旋转过程中，齿轮单元162可沿拧紧方向旋转，定子支撑部130可向后移动，并且沿着靠近壳体内侧面上的电动机的方向轴向滑动。

定子的滑动距离可被可变地调整，以对应于转速的增加而减小交链面积，并以反比例的方式减小反电动势的产生。例如，定子支撑部130可螺纹连接到电动机的输出轴的齿轮单元162，以便基于电动机的正转和反转向前或向后轴向移动。换句话说，固定在轴的外周面上的转子的永磁体116的磁通穿过定子120的线圈125的面积，可得以减小。交链磁通可减小，因此，可调整电动机的反电动势的减小。

本发明不限于上述示例性实施例的结构，很显然，上述示例性实施例的组件可被变更或改变，以使本领域技术人员执行基本相同的功能，且本发明的电动机的结构不限于电动机车辆，且本发明仅受限于所附权利要求的范围。本发明可用于通过改变交链磁通穿过在车辆等中使用的电动机的线圈的面积，有效且容易地改变反电动势。

上面已经参考本发明的优选示例性实施例对本发明进行详细描述。然而，本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，还可对这些示例性实施例进行修改，本发明的范围由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (10)

1.一种用于可变反电动势的电动机结构，包括：

转子，其环状且同心地固定于电动机的轴的外周面的径向外侧，并且具有永磁体；

具有线圈的定子，布置在电动机壳体的内侧、所述转子的永磁体的同心外侧，并被布置成以预定间隔彼此隔开；以及

驱动单元，其被配置成，通过调整所述转子的永磁体的磁通量穿过所述定子的线圈的面积，沿所述轴的轴向移动所述定子，从而改变交链磁通。

2.根据权利要求1所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述定子被固定到圆筒状定子支撑部，所述圆筒状定子支撑部通过所述驱动单元沿所述轴的轴向可滑动地布置在所述壳体的内表面上。

3.根据权利要求2所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述驱动单元被配置成操纵所述圆筒状定子支撑部，以利用液压滑动。

4.根据权利要求3所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述圆筒状定子支撑部的端部形成为活塞，通过由控制器操作的液压泵，将液压供应到形成于所述壳体内的汽缸单元并将液压从所述汽缸单元排出，所述活塞在所述轴的轴向上滑动。

5.根据权利要求2所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述驱动单元被配置成操纵所述圆筒状定子支撑部，以利用电动机滑动。

6.根据权利要求5所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述驱动单元在被配置成由所述控制器旋转的所述电动机的输出轴中形成齿轮单元，所述齿轮单元被结合到所述圆筒状定子支撑部，基于所述电动机输出轴的齿轮单元的正转和反转沿松开和拧紧方向旋转，并且沿所述轴的轴向前后移动。

7.根据权利要求6所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述电动机的齿轮单元螺纹连接到螺纹部，所述螺纹部形成在所述定子支撑部的端部的内表面上。

8.根据权利要求3所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述定子利用所述驱动单元的滑动距离可变地被调整，以便对应于转速的增大，与交链磁通面积反比例地减小。

9.根据权利要求5所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述定子利用所述驱动单元的滑动距离被配置成可变地被调整，以便对应于转速的增大，与交链磁通面积反比例地减小。

10.根据权利要求6所述的用于可变反电动势的电动机结构，其中所述电动机的齿轮单元被结合到所述定子支撑部的端部的内表面。