[發(fā)明專利]一種不借助外部機(jī)制改變軸向磁場電機(jī)的氣隙的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210156796.0
• 申請日: 2012-05-21
• 公開（公告）號: CN102684325A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 艾瑞克.卡拉尼
• 申請（專利權(quán)）人: 艾瑞克.卡拉尼
• 主分類號: H02K1/06
• 分類號: H02K1/06;H02P23/00
• 代理公司: 南昌新天下專利商標(biāo)代理有限公司 36115
• 代理人: 胡山

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無需外部機(jī)制而改變軸向磁場電動機(jī)拓?fù)涞目諝忾g隙的應(yīng)用。

背景技術(shù)

已經(jīng)公認(rèn)，永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)能提供更高的整體效率，并使得整體能源成本降低。相比其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，近年來軸向磁通旋轉(zhuǎn)電機(jī)在功率密度和效率上呈現(xiàn)出更為顯著的提高。此外，發(fā)明者已經(jīng)證明，利用各種不同的技術(shù)，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙可以改變，從而創(chuàng)建一個(gè)擴(kuò)展的轉(zhuǎn)矩?-?速度曲線，而這通常無法通過其他的旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

?在軸向機(jī)器中，在使用過程中改變空氣間隙將產(chǎn)生一個(gè)解決與之相沖突的操作要求的方案。第一個(gè)近似值，穿過氣隙（BG）的磁通與磁體的剩磁（Br）有關(guān)，關(guān)系如下：

Br/Bg?≈?1/C??+?g/lm,

其中g(shù)是氣隙，?lm是磁鐵的厚度，C?是問題電機(jī)的磁通集中因數(shù)，這是一個(gè)無維數(shù)，此類型的電機(jī)約為0.9。

這里最重要的是，從一個(gè)給定的電機(jī)繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩實(shí)際等于Bg乘以一個(gè)因數(shù)，此因數(shù)是指電機(jī)的所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的總參數(shù)。Bg乘以電機(jī)等設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)值，簡單地稱為電機(jī)力矩常數(shù)kT。?T?=?I?*?kT是一個(gè)基本的電機(jī)關(guān)系。由于所產(chǎn)生的功率等于扭矩乘以角速度ω?，或P?=?ω?*?T，而P等于I?*?V?，可以表示為，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)在其終端產(chǎn)生電壓?E?=?ω?*?krot?。也可以說，常數(shù)krot與?KT?是相同的。

飛輪應(yīng)用中，KT的影響是非常重要的。對于一個(gè)給定的KT，電機(jī)的最高速度是由作為電源的電壓給出的。這通常被稱為空載轉(zhuǎn)速。對于具有額定繞組輸入電流的電機(jī)來說，這也確定了來自電機(jī)的峰值扭矩。繞組電感和電阻限制了此約束，但扭矩與速度曲線形似于一個(gè)長方形的圖（尤其對于高效率的軸向磁通電機(jī)來說，擁有低電感和低電阻繞組）。因此，功率與速度非常近似直線，直到在空載轉(zhuǎn)速達(dá)到0時(shí)才會不同。

在徑向磁場電機(jī)中，基本電機(jī)參數(shù)一定固定的。在軸向磁場電機(jī)中則不一定。通過簡單地改變間隔距離，也就是改變了氣隙，進(jìn)而改變了磁通，根據(jù)磁通的變化，kT也隨之改變。如果這是在電機(jī)工作中動態(tài)的完成，那么它可能使電機(jī)變成一個(gè)類似有一個(gè)內(nèi)置無級變速器+電機(jī)的組合——輸出軸既能在低轉(zhuǎn)速下具有高扭矩能力，又保留了高轉(zhuǎn)速輸出的能力，且其功率、效率不會因此而產(chǎn)生變化。如果氣隙在最小和最大氣隙之間不斷變化的話，運(yùn)行的電機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生一個(gè)新的工作曲線圖（見圖1?）。除了擴(kuò)大操作曲線范圍，還有一個(gè)重要和獨(dú)特的好處，有一個(gè)可變氣隙，氣隙變化不僅可以擴(kuò)展速度范圍或提高低速扭矩，它也可以被用來大大拓展電機(jī)的高效率工作區(qū)域。與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這種效果會反過來導(dǎo)致其在擴(kuò)展操作區(qū)域會產(chǎn)生很差的效率。

圖1中的整體效率圖清楚的顯示了這一特點(diǎn)。它表示，軸向磁通電機(jī)的操作在其運(yùn)作過程中保持最佳氣隙。近乎所有的工作區(qū)間內(nèi)都可以保持極高的工作效率。例外的是在速度接近零和扭矩接近零時(shí)，當(dāng)然這是眾所周知也無可避免的。值得注意的是，其他所有工作區(qū)間都達(dá)到了極高的效率。應(yīng)當(dāng)指出的是，此圖顯示該電機(jī)作為電動機(jī)與發(fā)電機(jī)兩種工作狀態(tài)下都產(chǎn)生了極高的運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的解決方案將無法呈現(xiàn)兩個(gè)極端的運(yùn)行高效率。

永磁轉(zhuǎn)子和鐵磁性的定子表現(xiàn)出對對方較大的引力。相比緊湊設(shè)計(jì)的合理范圍，這種引力對于一種能夠調(diào)節(jié)氣隙的機(jī)制非常重要。我們曾經(jīng)完成用一臺伺服電機(jī)轉(zhuǎn)專門控制定子/轉(zhuǎn)子間隙的實(shí)驗(yàn)。這樣做是為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同氣隙的性能優(yōu)勢，以量化成調(diào)整氣隙所需要的負(fù)載。隨后測量的轉(zhuǎn)子定子的引力見圖2。這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了性能和效率方面的優(yōu)勢，以及改變氣隙所需的力。

目前來說有多種方法來擴(kuò)展軸向磁場電機(jī)的工作區(qū)間。以下是現(xiàn)有方法與相向量氣隙控制（PVGC?）比，他們的主要缺點(diǎn)：

a)???使用超大電機(jī)，覆蓋較寬的操作范圍?-?增加材料成本，系統(tǒng)的重量，通常在低轉(zhuǎn)速工作區(qū)間導(dǎo)致效率的下降；

b)???多速變速箱?-?提高驅(qū)動系統(tǒng)的成本、重量和大小，并降低了系統(tǒng)的效率；

c)???外置間隙調(diào)整?-?需要用外部手段（即其他機(jī)制或伺服）調(diào)整間隙，從而增加了成本，重量等；

d)???軟件（相位超前）?--?對系統(tǒng)效率產(chǎn)生不利影響。單獨(dú)使用時(shí)，它無法和與主PVGC?機(jī)制結(jié)合使用時(shí)一樣，延長轉(zhuǎn)矩?-?速度曲線；

e)???扭矩引起的間隙變化?-?所需的機(jī)制較PVGC??機(jī)制復(fù)雜；

f)???空芯電機(jī)?-?擴(kuò)展頻譜較小，要求使用較大的磁瓦，從而增加了成本，轉(zhuǎn)動慣性和用增加的轉(zhuǎn)動速率保持磁鐵附著轉(zhuǎn)子的復(fù)雜性。此外，保持和冷卻線圈更為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容