[發明專利]一種漏磁式機械變磁通永磁同步電機

在審

• 申請號: 201410648306.8
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN104659996A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 劉細平;王敏;徐晨;周佩云;姜志峰;陳棟;章超;曾劍
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: H02K21/22
• 分類號: H02K21/22;H02K1/27;H02K21/02
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及一種漏磁式機械變磁通永磁同步電機，屬于電機制造的技術領域。

背景技術

隨著新能源與可再生能源綜合利用和開發程度的不斷提高，能否提供穩定的電能質量或較寬的電機調速范圍逐漸成為決定能源轉換效率的一個關鍵因素，而靈活調節的電機磁場是保證能源高效轉換的重要技術手段之一。

磁通切換電機隨著轉子位置的變化，其磁通會自動切換路徑，使穿過線圈的磁通極性與大小發生變化，從而產生交變的感應電動勢，此類電機具有體積小、重量輕、工作可靠、冷卻方便、高功率密度以及較高效率等優點，在電動汽車、風力發電、電梯驅動以及航空航天等領域得到廣泛的應用。但此類電機的磁場基本恒定，在電機高速運行時，很難對磁場進行弱磁控制，制約其進一步發展。

機械調磁電機是實現電機磁場靈活調節的一類新型永磁電機，其特征為利用機械傳動部件有規律的運動，以調節電機磁場強弱，改變繞組合成感應電動勢大小，從而實現機、電、磁三者耦合的新型磁場調節方式。近年來，經過國內外專家學者的不斷努力，相繼提出了氣隙調整式、轉子調整式、離心式、漏磁式等多種拓撲結構的機械調磁永磁同步電機。研究結果表明，現有的機械調磁永磁同步電機多數存在永磁體用量大，轉子鐵心利用率低及機械調整裝置控制難度大等缺點。

設置漏磁磁路是變磁通永磁電機實現磁場調節的一種常見方式。然而，在現有的漏磁式機械調磁永磁電機中，均采用傳統永磁同步電機，調磁裝置均安裝于轉子鐵心上，轉子鐵心利用率和機械強度較低。基于此，本發明創新性地融合磁通切換電機與機械調磁電機的優勢，使其在保證電機效率較高的前提下，利用機械調磁的原理實現寬范圍恒壓發電或恒功率調速驅動，提出一種基于磁通切換原理的漏磁式機械變磁通永磁同步電機。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是提供一種適合于利用機械傳動方式調磁的永磁同步電機拓撲結構。確定該電機拓撲結構最佳調磁方式，并分析機械調磁方式下的增磁和弱磁機理，提供一種融合電機本體并能有效調節電機內磁通的機械傳動部件。

技術方案：本發明的漏磁式機械變磁通永磁同步電機由電機本體和機械調磁裝置所構成。電機定子由凸極定子鐵心和電樞繞組組成，定子鐵心采用導磁材料制成，定子齒周向均勻分布；轉子由若干個U型單元鐵心拼裝組成，永磁體鑲嵌于相鄰轉子單元鐵心中間，交替切向充磁，永磁體選用釹鐵硼永磁材料；轉子外側安裝機械調磁裝置，其主要包括調磁塊、轉盤、輪轂、凸輪、凸輪軸、踏桿和彈簧等構成；輪轂同軸安裝于電機轉軸上，可隨電機轉子同步旋轉；踏桿與轉盤、調磁塊與轉盤以及凸輪軸與輪轂之間均為剛性連接；凸輪可繞凸輪軸任意旋轉；彈簧一端固定于輪轂上，另一端與凸輪連接；轉盤與轉軸通過軸承安裝，可相對于轉軸任意轉動；調磁塊采用導磁材料，而轉盤、輪轂和凸輪等采用非導磁材料制成，電機軸采用非導磁鋼；電機無勵磁繞組，可在完全無勵磁功率損耗的基礎上實現電機高效率和高功率密度。

電機具體工作原理如下：

當電機運行在基速以下時，機械調磁裝置的凸輪達到受力平衡情況下，尚未推動踏桿發生相對位移，即調磁塊位于原始位置。電機由單元轉子鐵心中散嵌著的永磁體提供磁動勢，根據電機磁路磁阻最小的原則，電機工作于磁通切換狀態，絕大部分磁通由永磁體N極出發，經U型單元轉子鐵心、氣隙、定子齒、定子鐵心、相鄰的定子齒、氣隙、相鄰的U型單元轉子鐵心，再回到永磁體S極。定子齒與其中一個單元轉子齒對齊時，通過電樞線圈的磁通最大；隨著轉子位置的變化，定子齒與永磁體或者轉子槽對齊時，通過電樞線圈的磁通為零。由此可見，當轉子旋轉一個極距時，電機經歷了一個電周期，通過電樞繞組的磁鏈會隨著轉子位置的變化呈周期性變化，如圖5所示。

當電機運行于基速以上時，電機轉速較大，凸輪離心力也相對較大，為達到新的平衡點，機械調磁裝置的凸輪則會推動踏桿沿預設軌道偏移，此時調磁裝置轉盤相對于轉軸發生轉動，即調磁塊相對于轉子轉動一定角度，為電機提供了漏磁回路。電機的氣隙磁場仍由永磁體產生，但是一部分磁通通過調磁塊形成漏磁路，另一部分磁通依舊通過上述磁路成為主磁通。因此，電樞繞組匝鏈的有效磁鏈減少，繞組感應電動勢也相應降低，此時機械調磁裝置對電機起弱磁作用，如圖6所示。由于調磁塊的弧形瓦片結構，其與轉子間的氣隙長度不均勻，電機漏磁路磁阻可調。隨著電機轉速的上升，調磁塊轉動的角度不斷變大，漏磁磁阻則不斷減小，永磁體提供的有效磁通將隨著轉速的上升而減小，從而實現電機恒壓輸出。