CN113315274A - 一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，包括定子铁芯和转子铁芯，所述定子铁芯和所述转子铁芯之间设置有可移动调磁组件，所述可移动调磁组件包括Pm个调磁块、调磁导轨Ⅰ和调磁导轨Ⅱ；所述调磁块，其一端部与所述调磁导轨Ⅰ滑动连接，其另一端部与所述调磁导轨Ⅱ滑动连接，所述调磁块可沿所述调磁导轨Ⅰ和所述调磁导轨Ⅱ移动，改变相邻调磁块之间的间距，构成不同的调磁组合模式。本发明即可与异步转子相结合，实现异步电机变极调速效果，也可与同步转子相结合，与多种磁极个数的永磁转子配套使用，在不改变定子槽数的情况下与更多极对数的永磁转子配合，使其更适用于直驱低速大转矩应用领域。

Description

一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机

技术领域

本发明涉及磁场调制电机领域，具体的说，涉及了一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机。

背景技术

传统电机常用的绕组结构有：叠绕组、非重叠集中绕组、环形绕组等，在这些传统绕组结构中，由于其线圈均具有回路，不可避免的会存在端部绕组，增加无效绕组的长度；过长的端部绕组会造成绕组利用率低，端部漏磁严重，铜耗大等缺点。其次，传统绕组结构在嵌线时往往需要大量的人力物力，过程繁琐。此外，传统绕组结构存在匝间短路故障的风险，对于双层的叠绕组和非重叠集中绕组等绕组结构还会存在相间短路故障的风险；发生故障时，绕组更换困难，维修难度大。

另外，通常情况下，制造好的电机的极对数是无法改变的，只有事先制成具有专门接线的多速电动机绕组，才能实现变极对数调速。变极调速电动机是指在电源频率保持不变时，利用改变定子绕组的接法，在一套绕组中获得两种或两种以上的转速，这些转速既可以是倍极比（2：1），也可以是非倍极比（3：2），显然，变极调速为有级调速。实现变极调速的设备较为简单，技术成熟、可靠，但其变速的跃变值大、接线抽头多、接线复杂，电动机参数会发生较大变化，因此，调速效率低。

相较于传统电机，磁场调制电机的转矩密度优势明显，但因其运行于多工作谐波，分析、计算与控制也更加复杂。传统磁场调制电机的调磁环多为固定的调磁块个数，只能利用固定次数的电枢磁场谐波，与固定极对数的转子进行配合。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，包括定子铁芯和转子铁芯，所述定子铁芯沿周向开设有Ns个齿槽，所述齿槽中设置有直插式槽导体，Ns根直插式槽导体可形成不同结构的最小单元；

所述直插式槽导体的一端部插入导电端环对应卡槽中进行短接，所述直插式槽导体的另一端部用于连接电源，以产生定子电枢磁场，定子电枢磁场磁动势极对数为P₁；

所述定子铁芯和所述转子铁芯之间设置有可移动调磁组件，所述可移动调磁组件包括Pm个调磁块、调磁导轨Ⅰ和调磁导轨Ⅱ；所述调磁块，其一端部与所述调磁导轨Ⅰ滑动连接，其另一端部与所述调磁导轨Ⅱ滑动连接，所述调磁块可沿所述调磁导轨Ⅰ和所述调磁导轨Ⅱ移动，改变相邻调磁块之间的间距，构成不同的调磁组合模式；

不同的调磁组合模式下，所述可移动调磁组件组合出不同数量的等效调磁块；

所述调磁块的调磁组合模式总数为j，j=等效调磁块组合总数；

所述可移动调磁组件处于第i调磁组合模式时，所述可移动调磁组件可组合出X_i个等效调磁块，在X_i个等效调磁块的作用下，电枢磁场当前主要工作谐波变换为Y_i次谐波，使得电枢磁场气隙磁密极对数变换为Y_i；其中，等效调磁块数量X_i= Y_i+ P₁ ，i∈[1、2、…、j]；

对于同一结构的最小单元，通过调整所述调磁块的调磁组合模式来改变磁通路径，以改变电枢磁场的当前主要工作谐波，进而间接改变定子电枢磁场气隙磁密磁极对数，实现变极。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

1）本发明提供一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，采用可移动调磁块结构，可通过改变调磁块的组合模式，调整调磁块的布局方式，进而重组气隙磁场，能够改变气隙磁场磁极个数；

另外，本发明即可与异步转子（笼型转子或实心转子）相结合，通过调磁块的多种组合模式改变电枢磁场气隙磁密极对数，实现异步电机变极调速效果，也可与同步转子（电励磁转子或永磁转子）相结合，与多种磁极个数的同步转子配套使用，在不改变定子槽数的情况下与更多极对数的同步转子配合，使其更适用于直驱低速大转矩应用领域；

2）本发明还提供一种直插式槽导体结构，没有回路，绕组端部短，解决了传统电机端部漏磁严重的问题，减少无效绕组的长度和铜耗，极大提高了绕组利用率；

另外，由于本发明所提直插式槽导体结构每槽仅有一个槽导体，因此不存在匝间短路故障的问题；而且，每相绕组通过齿槽相互隔离，减小了出现相间短路故障的概率，提高了电机可靠性；

3）相对于传统电机出现绕组匝间短路或相间短路故障后，绕组拆卸困难，维修难度大的问题，本发明所提的直插式槽导体结构采用插拔式的设计，直插式槽导体可直接插入对应定子铁芯的齿槽内，直插式槽导体末端插入导电端环对应卡槽进行短接；嵌线方便且更换简单，便于维护；

4）本发明所提供的直插式槽导体在3相3槽1对极（A-B-C）的分相方式下，由于一相中每个直插式槽导体之间的反电势在空间上没有相位差，因此所述直插式槽导体在本申请的分相方式下，与传统整数槽绕组结构（3相6槽1对极 A-Z-B-X-C-Y）相比具有相似的反电势系数，

此外，与相同槽数的传统整数槽绕组结构相比，本发明的直插式槽导体可配合的同步转子极对数更多，更适用于直驱低速大转矩领域；

传统分数槽绕组一相中每槽线圈的反电势在空间上存在相位差，因此与与相同槽数的传统分数槽集中绕组相比，本发明所提供的直插式槽导体反电势系数更高，可使电机获得较大的转矩密度。

附图说明

图1是本发明的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机的截面结构示意图；

图2是本发明的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机的正面示意图；

图3是本发明的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机的背面示意图；

图4是本发明的可移动调磁组件的结构示意图；

图5（a）至图5（c）是可移动调磁组件的导轨示意图；

图6（a）和图6（b）是定子及槽导体结构示意图；

图7（a）至图7（e）是定子槽导体不同分相方式的示意图；

图8是各相导体通电情况示意图；

图9是各时刻磁场分布及旋转方向示意图；

图10（a）至图10（c）是可移动调磁组件组合出的5个等效调磁块的异步电机示意图；

图11（a）至图11（c）是可移动调磁组件组合出的6个等效调磁块的异步电机示意图；

图12（a）至图12（b）是10个等效调磁块、6对极永磁转子的同步电机（以永磁同步电机为例）示意图；

图13（a）至图13（b）是15个等效调磁块、11对极永磁转子的同步电机（以永磁同步电机为例）示意图；

图14（a）至图14（b）是20个等效调磁块、16对极永磁转子的同步电机（以永磁同步电机为例）示意图；

图15是5个等效调磁块组合模式调磁过程示意图（用于异步电机）；

图16是10个等效调磁块组合模式调磁过程示意图（用于同步电机）；

图中：1.定子铁芯；2.直插式槽导体；3.调磁块；4.转子铁芯；41.笼型转子；42.实心转子；5.调磁导轨Ⅰ；6.调磁导轨Ⅱ；7.导电端环；8.滑块；9.拉杆；10.固定螺栓；11.永磁体。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如附图1至附图3所示，一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，包括定子铁芯1和转子铁芯4，所述定子铁芯1沿周向开设有Ns个齿槽，所述齿槽中设置有直插式槽导体2，Ns根直插式槽导体2可形成不同结构的最小单元；

所述直插式槽导体2的一端部插入导电端环7对应卡槽中进行短接，所述直插式槽导体2的另一端部用于连接电源，以产生定子电枢磁场，定子电枢磁场磁动势极对数为P₁，如附图6（a）和图6（b）所示；

所述定子铁芯1和所述转子铁芯4之间设置有可移动调磁组件，所述可移动调磁组件包括Pm个调磁块3、调磁导轨Ⅰ5和调磁导轨Ⅱ6；所述调磁块3，其一端部与所述调磁导轨Ⅰ5滑动连接，其另一端部与所述调磁导轨Ⅱ6滑动连接，所述调磁块3可沿所述调磁导轨Ⅰ5和所述调磁导轨Ⅱ6移动，改变相邻调磁块之间的间距，构成不同的调磁组合模式；

不同的调磁组合模式下，所述可移动调磁组件组合出不同数量的等效调磁块；

所述调磁块的调磁组合模式总数为j，j=等效调磁块组合总数；

所述可移动调磁组件处于第i调磁组合模式时，所述可移动调磁组件可组合出X_i个等效调磁块，在X_i个等效调磁块的作用下，电枢磁场当前主要工作谐波变换为Y_i次谐波，使得电枢磁场气隙磁密极对数变换为Y_i；其中，等效调磁块数量X_i= Y_i+ P₁ ，i∈[1、2、…、j]；

对于同一结构的最小单元，通过调整所述调磁块的调磁组合模式来改变磁通路径，以改变电枢磁场的当前主要工作谐波，经过调磁间接改变定子电枢磁场气隙磁密磁极对数，实现变极。

具体的，移动所述调磁块组合出第一种等效调磁块组合，使所述可移动调磁组件处于第一调磁组合模式：

第一种等效调磁块组合包括X₁个等效调磁块，在X₁个等效调磁块的作用下，使定子电枢磁场当前主要工作谐波变换为Y₁次谐波，从而将定子电枢磁场气隙磁密磁极对数变换为Y₁；其中，等效调磁块数量X₁= Y₁+ P₁；

移动所述调磁块组合出第二种等效调磁块组合，使所述可移动调磁组件处于第二调磁组合模式：

第二种等效调磁块组合包括X₂个等效调磁块，在X₂个等效调磁块的作用下，使定子电枢磁场当前主要工作谐波变换为Y₂次谐波，从而将定子电枢磁场气隙磁密磁极对数变换为Y₂；其中，等效调磁块数量X₂= Y₂+ P₁；

以此类推。

具体的，所述直插式槽导体2为铜棒或者铝棒，具有良好的导电性，其外形依据槽的形状进行贴合设计。

如图6（a）和图6（b）所示，一个齿槽插入一个直插式槽导体2，每槽匝数为1匝，相间隔离，结构上没有回路，没有端部绕组，铜耗小，绕组利用率高。

需要说明的是，定子电枢磁场磁动势极对数由直插式槽导体2的数量以及接线方式决定；因此，根据直插式槽导体的数量Ns以及接线方式，可以获得定子电枢磁场磁动势极对数P₁；

通过直插式槽导体的接线方式，得到对应的最小单元结构，N₁相N₂槽的接线方式下，一个最小单元结构产生的定子电枢磁场磁动势极对数为1对极；

不同的接线方式对应不同结构的最小单元，在直插式槽导体的数量Ns不变时，不同结构的最小单元对应不同的定子电枢磁场磁动势极对数P₁，如图7（a）至图7（e）所示；

其中，定子电枢磁场磁动势极对数P₁=Ns/N₂，N₁≤N₂≤Ns。

可以理解，不同的接线方式对应不同的分相方式，定子槽导体不同的分相方式下，Ns根直插式槽导体可形成不同的最小单元结构；在相同槽数下，最小单元结构不同，使得电机的定子电枢磁场磁动势极对数P₁不同，进而影响所述可移动调磁组件中调磁块个数的设计。

传统绕组要实现本实施中的分相方式，只能采用集中绕组，而集中绕组具有回路（即存在进出端），一个线圈进出端的合成电势空间上存在相位差，反电势系数低。

在一种具体实施方式中，若N₁=3，Ns=36，则：

如附图7（a）所示，连接方式为A-B-C，最小单元结构为3相3槽， 36槽的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机包含12个最小单元电机；因此，在这种分相方式下，36槽产生的定子电枢磁场磁动势极对数P₁为12对极；

如附图7（b）所示，连接方式为A-A-B-B-C-C，最小单元结构为3相6槽， 36槽的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机包含6个最小单元电机；因此，在这种分相方式下，36槽产生的定子电枢磁场磁动势极对数P₁为6对极；

如附图7（c）所示，连接方式为A-A-A-B-B-B -C-C-C，最小单元结构为3相9槽，36槽的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机包含4个最小单元电机；因此，在这种分相方式下，36槽产生的定子电枢磁场磁动势极对数P₁为4对极；

若最小单元结构为3相12槽，36槽的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机包含3个最小单元电机；在这种分相方式下，36槽产生的定子电枢磁场磁动势极对数P₁为3对极；

如附图7（d）所示，连接方式为A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-C-C-C-C-C-C，最小单元电机为3相18槽，36槽的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机包含2个最小单元电机；因此，在这种分相方式下，定子电枢磁场磁动势极对数P₁为2对极；

如附图7（e）所示，最小单元电机为3相36槽，36槽的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机包含1个最小单元电机；因此，在这种分相方式下，36槽产生的定子电枢磁场磁动势极对数P₁为1对极。

以3相3槽1对极最小单元电机为例，分析不同时刻下的定子电枢磁场以阐述直插式槽导体的运行机理；附图8示出了A、B和C三相对应的直插式槽导体在通电情况下的各相电流随时间变化图，三相电流呈正弦周期性变化；各相导体各时刻电流流向，如下表所示：

上表为各个时刻对应各相电流正负值，正负代表电流方向，图9示出了对应时刻下电机内部磁力线的变化图；由图9可知，通入电流后，一个最小单元结构会产生一对极的磁场，并随着时间变化周期性旋转，形成旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子铁芯随之转动。

需要说明的是，所述调磁块3是导磁体，不具备极性，所述调磁块为独立于定子与转子之外的结构；每个等效调磁块包括多个调磁块3，且相邻调磁块之间的间距小于预设值，使得相邻调磁块紧密接触，作为一个等效调磁块。在不改变直插式槽导体排布或通电方式的情况下（定子电枢磁场磁动势极对数不变），通过移动所述可移动调磁组件中的调磁块使调磁块自由移动组合，从而改变等效调磁块个数，实现调磁组合模式的自由切换。

可以理解，定子电枢磁场的磁动势依次经过定子铁芯—外气隙—等效调磁块—内气隙—转子铁芯—内气隙—另一个等效调磁块—外气隙—定子铁芯，形成磁通路径。由于不用的调磁组合模式对应不同个数的等效调磁块，不同个数等效调磁块对应的调磁结构中，调磁块的位置是不同的；因此，改变调磁组合模式，能够使得调磁块的位置发生变化，进而使得电机的磁通路径随之改变，最终间接改变定子电枢磁场气隙磁密磁极对数，达到变极的目的。

实施例2

如附图4、附图5（a）至图5（c）所示，本实施例给出了一种可移动调磁组件的具体实施方式：

调磁块3两端分别与滑块8固定，滑块8通过固定螺栓10安装在所述调磁导轨Ⅰ5或者所述调磁导轨Ⅱ6上，一侧滑块8上安装有拉杆9，为拉杆9提供驱动力，能够带动所述调磁块沿所述调磁导轨Ⅰ5和所述调磁导轨Ⅱ6移动，从而改变调磁块的位置，实现调磁组合模式的调节。

需要说明的是，等效调磁块数量X₁、X₂、……、X_j的最小公倍数=调磁块总数Pm；

这是由于调磁块总个数根据所述直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机设计之初要利用的电枢磁场谐波次数确定，要利用的电枢磁场谐波次数=等效调磁块个数-定子电枢磁场磁动势极对数P₁；其中，所述定子电枢磁场磁动势极对数P₁还等于调磁之前定子电枢磁场对应的主要工作谐波次数。

以附图7（c）所示的3相9槽1对极的分相方式为例，对所述调磁块运行原理进行介绍：

在此种分相方式下，定子36槽可产生4对极的定子电枢磁场磁动势，则调磁之前其主要工作谐波为4次谐波。若要利用1、2、6、11和16次谐波，并使1、2、6、11和16次谐波成为主要工作谐波，则对应的等效调磁块个数分别设置为5、6、10、15和20；

为使所述可移动调磁组件可分别组合出5、6、10、15和20个等效调磁块，则总调磁块个数为各组合等效调磁块个数的最小公倍数，本实施例中，5、6、10、15和20的最小公倍数为60，因此，所述可移动调磁组件所需的总调磁块个数为60个。

所述直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机的变极原理为：调节调磁组合模式以改变磁通路径，不同的磁通路径对应不同的磁场分布；不同的磁场分布下，定子电枢磁场当前主要工作谐波也不同，定子电枢磁场对应的气隙磁密极对数也随之改变；因此，改变相邻调磁块之间的间距，能够改变电枢磁场当前主要工作谐波，进而调节定子电枢磁场气隙磁密极对数，实现变极效果。

可以理解，电枢磁场气隙磁密极对数对应气隙磁场中的电枢磁场，因为同步电机在运行过程中，气隙磁场中包含电枢磁场以及励磁磁场，为加以区分，本实施例采用电枢磁场气隙磁密极对数的描述方式。

具体的，所述定子铁芯1、所述转子铁芯4和所述调磁块3均采用铁磁材料制成；所述调磁导轨Ⅰ5和所述调磁导轨Ⅱ6采用铝制材料制成，以减轻电机重量。

需要说明的是，所述直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机与传统磁场调制电机的不同：传统磁场调制电机的调磁块的个数是固定的，在不改变定子绕组排布及通电方式的情况下（电枢磁场磁动势极对数不变），依据上述调磁原理，调磁后的电枢磁场气隙磁密极对数也是固定的。本发明所提的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机采用可移动调磁块，通过移动组合调磁块，可改变等效调磁块个数，实现多种等效调磁块个数组合模式的自由切换；因此，调磁后的电枢磁场气隙磁密极对数也可在对应组合模式中自由切换，从而在直插式槽导体的数量Ns以及接线方式不变的前提下，实现变极。

实施例3

本实施例给出了一种直插式槽导体可变磁极磁场调制异步电机的具体实施方式：

计算等效调磁块数量与定子电枢磁场磁动势极对数P₁之间的差值ΔP，

在ΔP小于定子电枢磁场磁动势极对数P₁时，将转子铁芯配置为异步转子；

在直插式槽导体可变磁极磁场调制异步电机运行过程中，按预设顺序依次调整调磁块的调磁组合模式，使得靠近所述异步转子的内气隙中的定子电枢磁场气隙磁密极对数随之改变，以增加或者降低异步转子的转速。

可以理解，定子电枢磁场磁动势是所述直插式槽导体本身固有特性，代表着所述直插式槽导体产生磁场的能力，当所述直插式槽导体结构和通电方式不变时，其定子电枢磁场磁动势极对数P₁是固定的；

电枢磁场气隙磁密极对数是电枢磁场在定转子之间的气隙中的磁通密度的极对数，受磁通路径影响。

需要说明的是，本实施例中的直插式槽导体可变磁极磁场调制异步电机与传统异步电机变极调速的原理不同：

传统异步电机通过改变绕组接线方式，改变异步电机电枢磁场磁动势极对数，从而改变电机转速。但是，本实施例中的直插式槽导体可变磁极磁场调制异步电机，不改变直插式槽导体的接线方式（电枢磁场磁动势极对数不变），通过移动调磁块，改变等效调磁块个数，依据调磁原理，改变电枢磁场气隙磁密极对数，从而改变电机转速。

实际应用中，通过设计合理的总调磁块个数，在空间允许及满足调磁原理的情况下，可以组合出多种等效调磁块个数组合模式，使电机可以在多种运行速度下自由切换。

以3相9槽1对极最小单元电机为例，在此分相方式下，定子36槽可产生4对极的电枢磁场磁动势，则其主要工作谐波为4次谐波；在调磁块总个数为60时，通过移动调磁块可分别组合出5、6、10、15和20个这六种等效调磁块。

如图10（a）至（c）所示，在5个等效调磁块的组合模式下，1个等效调磁块由12个调磁块构成；图15示出了5个等效调磁块的组合模式调磁过程示意图，在用于异步电机时，调磁前定子电枢磁场磁动势极对数为4对极，通过引入磁导谐波，在5个等效调磁块的作用下，使电枢磁场的主要工作谐波由4次谐波变换为1次谐波，从而改变电枢磁场气隙磁密极对数，使电枢磁场气隙磁密极对数变为1对极，进而使得异步电机转速变换为1对极下对应的转速。

如图11（a）至（c）所示，在6个等效调磁块的组合模式，1个等效调磁块由10个调磁块构成。在用于异步电机时，调磁前定子电枢磁场磁动势极对数为4对极，在6个等效调磁块的作用下，使电枢磁场的主要工作谐波由4次谐波变换为2次谐波，电枢磁场气隙磁密极对数变为2对极，从而改变电枢磁场气隙磁密极对数，进而使得异步电机转速变换为2对极下对应的转速。

因此，图10与图11中所示的调磁组合模式适用于异步电机，在运行过程中通过移动调磁块，使等效调磁块个数在5和6之间自由切换，依据调磁原理，则电枢磁场气隙磁密的极对数也相应改变，实现变极效果，若不改变电机运行频率，则异步电机转速也可相应的改变，从而实现变极调速的效果。

需要说明的是，所述直插式槽导体可变磁极磁场调制异步电机中的转子铁芯4可以为笼型转子41，也可以为实心转子42。

实施例4

本实施例给出了一种直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机的具体实施方式：

计算等效调磁块数量与定子电枢磁场磁动势极对数P₁之间的差值ΔP，

在ΔP大于定子电枢磁场磁动势极对数P₁时，将转子铁芯配置为同步转子，所述同步转子用于产生转子励磁磁场；

所述同步转子所产生的励磁磁场气隙磁密极对数经过调磁后，可变换成与定子电枢磁场磁动势极对数一致的数值，在不改变最小单元结构（即不改变定子槽数或直插式槽导体连接方式）的情况下，使得同一结构的最小单元可与多种极对数的同步转子配合；

在直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机起动前，将所述可移动调磁组件调整为与转子励磁磁场磁动势极对数对应的调磁组合模式，使得靠近所述定子铁芯的外气隙中的励磁磁场气隙磁密极对数变换等于定子电枢磁场磁动势极对数P₁，同时，使得靠近所述转子铁芯的内气隙中的电枢磁场气隙磁密出现与转子励磁磁场磁动势极对数对应的谐波，从而与转子励磁磁场相互作用产生转矩；

且，所述转子励磁磁场磁动势极对数不必等于定子电枢磁场磁动势极对数P₁。

在直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机运行过程中，所述可移动调磁组件的调磁组合模式保持不变。

需要说明的是，本实施例中的直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机与永磁同步电机直接改变转子永磁体磁极的原理不同：

永磁同步电机通过转子永磁体的移动，结合能够换极的可磁化材料等手段来改变转子永磁体极对数的本质是直接改变了上述图16中“励磁磁场磁动势”的极对数，其励磁磁场气隙磁密极对数与励磁磁场磁动势一致，则其对应的定子电枢磁场磁动势也需与励磁磁场磁动势极对数一致。当转子永磁体磁极发生改变时，相应的，其定子绕组排布或通电方式也需进行改变以使电枢磁场与励磁磁场磁动势极对数一致。

但是，本实施例中的直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机，在不改变定子槽数及直插式槽导体连接方式（最小单元结构）的情况下，即不改变定子电枢磁场磁动势极对数的前提下，通过移动调磁块改变等效调磁块个数，从而改变所述可移动调磁组件所引起的磁路磁阻变化量；依据上述调磁原理，为使调磁后的励磁磁场气隙磁密极对数与电枢磁场磁动势极对数一致，调磁前的励磁磁场磁动势极对数则应相应地改变。

因此，在不改变定子槽数及直插式槽导体连接方式的情况下，所述直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机能够与更多极对数的同步转子配合，达到定子电枢磁场磁动势与转子励磁磁场磁动势极对数不等的效果。

实际应用中，在保持功率不变的条件下，若要获得不同扭矩的直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机，通过改变相邻调磁块之间的间距来更换调磁组合模式，并将所述转子铁芯配置为具体相应极对数的同步转子即可；因此，所述直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机更适用于直驱低速大转矩应用领域。

具体的，在保持功率不变的条件下，增加所述直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机的扭矩时，更换调磁组合模式以增加等效调磁块的数量，并将所述转子铁芯配置为具有更多极对数的同步转子；

在保持功率不变的条件下，降低所述直插式槽导体可变磁极磁场调制同步电机的扭矩时，更换调磁组合模式以减少等效调磁块的数量，并将所述转子铁芯配置为具有更小极对数的同步转子。

以3相9槽1对极最小单元电机为例，在此分相方式下，定子36槽可产生4对极的电枢磁场磁动势，则其主要工作谐波为4次谐波；在调磁块总个数为60时，通过移动调磁块可分别组合出5、6、10、15和20个这六种等效调磁块。

如图12（a）至（b）所示，在10个等效调磁块的组合模式下，1个等效调磁块由6个调磁块构成；图16示出了10个等效调磁块的组合模式调磁过程示意图，在10个等效调磁块的作用下，电枢磁场出现6次谐波；

在用于同步电机（以永磁同步电机为例）时，由于定子电枢磁场磁动势为4对极，因此10个等效调磁块组合模式应与6对极永磁转子配合；其中，6对极永磁转子包含十二个永磁体11。调磁前永磁体励磁磁场磁动势为6对极，在10个等效调磁块的作用下，永磁体励磁磁场气隙磁密变为4对极，与定子电枢磁场磁动势一致。

如图13（a）至（b）所示，在15个等效调磁块的组合模式下，1个等效调磁块由4个调磁块构成；在15个等效调磁块的作用下，电枢磁场出现11次谐波；

在用于同步电机（以永磁同步电机为例）时，由于定子电枢磁场磁动势为4对极，因此15个等效调磁块组合模式应与11对极永磁转子配合；其中，11对极永磁转子包含二十二个永磁体11。调磁前永磁磁场磁动势为11对极，在15个等效调磁块的作用下，永磁体励磁磁场气隙磁密变为4对极，与定子电枢磁场磁动势一致。

如图14（a）至（b）所示，在20个等效调磁块的组合模式下，1个等效调磁块由3个调磁块构成；在20个等效调磁块的作用下，电枢磁场出现16次谐波；

在用于同步电机（以永磁同步电机为例）时，由于定子电枢磁场磁动势为4对极，因此20个等效调磁块组合模式应与16对极永磁转子配合；其中，16对极永磁转子包含三十二个永磁体11。调磁前永磁磁场磁动势为16对极，在20个等效调磁块的作用下，永磁体励磁磁场气隙磁密变为4对极，与定子电枢磁场磁动势一致。

因此，图12至图14所示的调磁组合模式适用于同步电机，在电机运行前，可通过移动调磁块，使调磁组合模式在图12至图14的3种模式之间自由切换，从而分别与相应极对数的同步转子（例如，永磁转子）配合，在不改变定子槽数及直插式槽导体连接方式的情况下，允许可配合的同步转子（例如，永磁转子）极对数的改变。

需要说明的是，等效调磁块个数Pm＇= 定子电枢磁场磁动势极对数P₁+转子励磁磁场磁动势极对数P₂ ；例如，在定子电枢磁场磁动势为4对极时，若调整成具有20个等效调磁块结构时，需将所述转子铁芯配置为具有16极对数的同步转子；调整成具有10个等效调磁块结构时，需将所述转子铁芯配置为具有6极对数的同步转子。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，包括定子铁芯和转子铁芯，其特征在于：所述定子铁芯沿周向开设有Ns个齿槽，所述齿槽中设置有直插式槽导体，Ns根直插式槽导体可形成不同结构的最小单元；

所述直插式槽导体的一端部插入导电端环对应卡槽中进行短接，所述直插式槽导体的另一端部用于连接电源，以产生定子电枢磁场，定子电枢磁场磁动势极对数为P₁；

所述定子铁芯和所述转子铁芯之间设置有可移动调磁组件，所述可移动调磁组件包括Pm个调磁块、调磁导轨Ⅰ和调磁导轨Ⅱ；所述调磁块，其一端部与所述调磁导轨Ⅰ滑动连接，其另一端部与所述调磁导轨Ⅱ滑动连接，所述调磁块可沿所述调磁导轨Ⅰ和所述调磁导轨Ⅱ移动，改变相邻调磁块之间的间距，构成不同的调磁组合模式；

不同的调磁组合模式下，所述可移动调磁组件组合出不同数量的等效调磁块；

所述调磁块的调磁组合模式总数为j，j=等效调磁块组合总数；

所述可移动调磁组件处于第i调磁组合模式时，所述可移动调磁组件可组合出X_i个等效调磁块，在X_i个等效调磁块的作用下，电枢磁场当前主要工作谐波变换为Y_i次谐波，使得电枢磁场气隙磁密极对数变换为Y_i；其中，等效调磁块数量X_i= Y_i+ P₁ ，i∈[1、2、…、j]；

对于同一结构的最小单元，通过调整所述调磁块的调磁组合模式来改变磁通路径，以改变电枢磁场的当前主要工作谐波，进而间接改变定子电枢磁场气隙磁密磁极对数，实现变极。

2.根据权利要求1所述的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，其特征在于，根据直插式槽导体的数量Ns以及接线方式，获得定子电枢磁场磁动势极对数P₁；

通过直插式槽导体的接线方式，得到对应的最小单元结构，N₁相N₂槽的接线方式下，一个最小单元结构产生的定子电枢磁场磁动势极对数为1对极；

不同的接线方式对应不同结构的最小单元，在直插式槽导体的数量Ns不变时，不同结构的最小单元对应不同的定子电枢磁场磁动势极对数P₁；

其中，定子电枢磁场磁动势极对数P₁=Ns/N₂，N₁≤N₂≤Ns。

3.根据权利要求1所述的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，其特征在于，等效调磁块数量X₁、X₂、……、X_j的最小公倍数=调磁块总数Pm。

4.根据权利要求1所述的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，其特征在于：计算等效调磁块数量与定子电枢磁场磁动势极对数P₁之间的差值ΔP，

在ΔP小于定子电枢磁场磁动势极对数P₁时，将转子铁芯配置为异步转子；

在运行过程中，按预设顺序依次调整调磁块的调磁组合模式，使得靠近所述异步转子的内气隙中的定子电枢磁场气隙磁密极对数随之改变，以增加或者降低异步转子的转速。

5.根据权利要求1所述的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，其特征在于：计算等效调磁块数量与定子电枢磁场磁动势极对数P₁之间的差值ΔP，

在ΔP大于定子电枢磁场磁动势极对数P₁时，将转子铁芯配置为同步转子；

所述同步转子所产生的励磁磁场气隙磁密极对数经过调磁后，可变换成与定子电枢磁场磁动势极对数一致的数值，在不改变最小单元结构的情况下，使得同一结构的最小单元可与多种极对数的同步转子配合；

在起动前，将所述可移动调磁组件调整为与转子励磁磁场磁动势极对数对应的调磁组合模式，使得靠近所述定子铁芯的外气隙中的励磁磁场气隙磁密极对数变换等于定子电枢磁场磁动势极对数P₁，同时，使得靠近所述转子铁芯的内气隙中的电枢磁场气隙磁密出现与转子励磁磁场磁动势极对数对应的谐波，从而与转子励磁磁场相互作用产生转矩；

且，所述转子励磁磁场磁动势极对数不必等于定子电枢磁场磁动势极对数P₁。

6.根据权利要求1所述的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，其特征在于，所述定子铁芯、所述转子铁芯和所述调磁块均采用铁磁材料制成，所述调磁导轨Ⅰ和所述调磁导轨Ⅱ采用铝制材料制成。

7.根据权利要求1所述的直插式槽导体可变磁极磁场调制复合电机，其特征在于，所述直插式槽导体为铜棒或者铝棒。

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