CN102684325A

CN102684325A - 一种不借助外部机制改变轴向磁场电机的气隙的方法

Info

Publication number: CN102684325A
Application number: CN2012101567960A
Authority: CN
Inventors: 艾瑞克.卡拉尼
Original assignee: ERIC CARANI
Current assignee: ERIC CARANI
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种不借助外部机制改变轴向磁场电机的气隙的方法，由动态变化气隙组成，通过内部控制磁力，用一个弹性元件做出一个反力，可变气隙就可以设法管理和控制扭矩输出，通过改变应用于电机绕组上的相电流的时间来实现的。本发明可以显著降低重量、成本和***复杂性，提高***的性能和可靠性，非常适合在各种不同的操作条件下要求高效率的应用。

Description

一种不借助外部机制改变轴向磁场电机的气隙的方法

技术领域

本发明涉及无需外部机制而改变轴向磁场电动机拓扑的空气间隙的应用。

背景技术

已经公认，永磁旋转电机能提供更高的整体效率，并使得整体能源成本降低。相比其他拓扑结构，近年来轴向磁通旋转电机在功率密度和效率上呈现出更为显著的提高。此外，发明者已经证明，利用各种不同的技术，定子和转子之间的气隙可以改变，从而创建一个扩展的转矩 - 速度曲线，而这通常无法通过其他的旋转永磁电机实现。

在轴向机器中，在使用过程中改变空气间隙将产生一个解决与之相冲突的操作要求的方案。第一个近似值，穿过气隙（BG）的磁通与磁体的剩磁（Br）有关，关系如下：

Br/Bg ≈ 1/Cϕ + g/lm,

其中g是气隙， lm是磁铁的厚度，Cϕ是问题电机的磁通集中因数，这是一个无维数，此类型的电机约为0.9。

这里最重要的是，从一个给定的电机绕组电流产生的转矩实际等于Bg乘以一个因数，此因数是指电机的所有设计细节的总参数。Bg乘以电机等设计参数的数值，简单地称为电机力矩常数kT。 T = I * kT是一个基本的电机关系。由于所产生的功率等于扭矩乘以角速度ω ，或P = ω * T，而P等于I * V ，可以表示为，一个旋转的电机在其终端产生电压 E = ω * krot 。也可以说，常数krot与 KT 是相同的。

飞轮应用中，KT的影响是非常重要的。对于一个给定的KT，电机的最高速度是由作为电源的电压给出的。这通常被称为空载转速。对于具有额定绕组输入电流的电机来说，这也确定了来自电机的峰值扭矩。绕组电感和电阻限制了此约束，但扭矩与速度曲线形似于一个长方形的图（尤其对于高效率的轴向磁通电机来说，拥有低电感和低电阻绕组）。因此，功率与速度非常近似直线，直到在空载转速达到0时才会不同。

在径向磁场电机中，基本电机参数一定固定的。在轴向磁场电机中则不一定。通过简单地改变间隔距离，也就是改变了气隙，进而改变了磁通，根据磁通的变化，kT也随之改变。如果这是在电机工作中动态的完成，那么它可能使电机变成一个类似有一个内置无级变速器+电机的组合——输出轴既能在低转速下具有高扭矩能力，又保留了高转速输出的能力，且其功率、效率不会因此而产生变化。如果气隙在最小和最大气隙之间不断变化的话，运行的电机内部会产生一个新的工作曲线图（见图1 ）。除了扩大操作曲线范围，还有一个重要和独特的好处，有一个可变气隙，气隙变化不仅可以扩展速度范围或提高低速扭矩，它也可以被用来大大拓展电机的高效率工作区域。与其他拓扑结构相比，这种效果会反过来导致其在扩展操作区域会产生很差的效率。

图1中的整体效率图清楚的显示了这一特点。它表示，轴向磁通电机的操作在其运作过程中保持最佳气隙。近乎所有的工作区间内都可以保持极高的工作效率。例外的是在速度接近零和扭矩接近零时，当然这是众所周知也无可避免的。值得注意的是，其他所有工作区间都达到了极高的效率。应当指出的是，此图显示该电机作为电动机与发电机两种工作状态下都产生了极高的运行效率。传统的解决方案将无法呈现两个极端的运行高效率。

永磁转子和铁磁性的定子表现出对对方较大的引力。相比紧凑设计的合理范围，这种引力对于一种能够调节气隙的机制非常重要。我们曾经完成用一台伺服电机转专门控制定子/转子间隙的实验。这样做是为了实验验证不同气隙的性能优势，以量化成调整气隙所需要的负载。随后测量的转子定子的引力见图2。这个实验验证了性能和效率方面的优势，以及改变气隙所需的力。

目前来说有多种方法来扩展轴向磁场电机的工作区间。以下是现有方法与相向量气隙控制（PVGC™）比，他们的主要缺点：

a) 使用超大电机，覆盖较宽的操作范围 - 增加材料成本，***的重量，通常在低转速工作区间导致效率的下降；

b) 多速变速箱 - 提高驱动***的成本、重量和大小，并降低了***的效率；

c) 外置间隙调整 - 需要用外部手段（即其他机制或伺服）调整间隙，从而增加了成本，重量等；

d) 软件（相位超前） -- 对***效率产生不利影响。单独使用时，它无法和与主PVGC™机制结合使用时一样，延长转矩 - 速度曲线；

e) 扭矩引起的间隙变化 - 所需的机制较PVGC ™机制复杂；

f) 空芯电机 - 扩展频谱较小，要求使用较大的磁瓦，从而增加了成本，转动惯性和用增加的转动速率保持磁铁附着转子的复杂性。此外，保持和冷却线圈更为复杂。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供自动改变轴向磁场电动机拓扑的空气间隙的方法，以解决上述背景技术中的缺点。

一种不借助外部机制改变轴向磁场电机的气隙的方法，利用弹性元件产生的相对于定子与转子间固有吸力的反作用力，使转子相对于定子的位置通过相电流产生的力而改变，获得一个扩展的工作范围，扩大电机的转矩、转速输出范围以及扩大电机高效运转的工作区间，通过改变相电流变换的时间扩展电机的转矩-转速曲线且保持高效运转，影响作用于转子上力的大小与方向，在零相角，所有的力通过旋转转子的相电流获得，当离开零相角时，轴向力开始产生作用，转子与定子之间产生引力或斥力，进而改变转子与定子之间的相对位置。

本发明由动态变化气隙组成，无需使用任何外部机制，通过内部控制磁力，并用一个弹性元件做出一个反力，可变气隙就可以设法管理和控制扭矩输出，通过改变应用于电机绕组上的相电流的时间来实现的，此相向量气隙控制（ PVGC ™）可以显著降低重量，成本和***复杂性，同时提高***的性能和可靠性，相电流的时间操控也被称为相位超前，它本身是一种扩展电机的转矩 - 速度曲线的手段，当由于所要求的量用于获得任何有意义的转矩 - 速度曲线的扩展时，效率很高，相位超前的方法是相角度 – 抵消的电角度，抵消可以是提前的或推迟的，相位超前影响作用于转子的力的向量的大小，在零相角，所有的力通过旋转转子的相电流获得。当离开零相电流角度，轴向力开始产生作用，导致转子与定子产生引力或者转子与定子产生斥力，由于主电机使用永久磁铁和铁磁性的定子，转子定子之间具有固有的引力，其中一个方式就是，利用弹性元件平衡转子对定子的引力，使转子在弹性元件上属于“浮动”的状态，从而使相电流产生的力更容易的改变气隙。

有益效果：

本发明可以显著降低重量、成本和***复杂性，提高***的性能和可靠性，非常适合在各种不同的操作条件下要求高效率的应用，特别适在给定功率条件下既能够在低转速高转矩的工作状态上短时间运行并且又能够在高转速条件下持续运行的要求。

附图说明

图1气隙调整对扭矩速度曲线和效率的影响。

图2实验所测得的转子-定子引力与气隙关系。

图3相向量气隙控制（PVGC™）机械原理图。

图4弹簧机制的方式一。

图5弹簧机制的方式二。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

参照图1、图2、图3、图4、图5，永磁转子1、定子铁芯2、弹性元件3、弹簧4、花键5、扰性板6、简易轴承7，发明的重要组成部分是需要分析和选择浮动的弹性元件的设计，弹性元件有两个方面需要解决：

首先是其力挠度曲线的一般形状，第二个是相对引力曲线的曲线方向。如前面图2所示，吸引力和气隙是非线性的。最佳的弹性元件应该有一个力/挠度曲线，几乎与引力/间隙曲线重合。

附录显示了不同的弹簧的形状与相对引力曲线的图表。图中表现了线性弹簧、双线性弹簧和多弹簧组合的特性。一个提供简单和成本经济的解决方案的体现是，一个双线性弹簧布置。通常来说碟型弹簧（即贝勒维尔弹簧）比较常用，在其弹性范围内体积相对合适。其大部分力挠度曲线几乎都是线性，使用不同弹簧的组合以配合各种不同的挠度曲线要求。

利用花键和弹簧机制，花键负责从转子向轴传递力矩。弹簧或弹簧包负责通过平衡定子转子吸力来控制气隙。最简单的挠性板是一块钢板，要求其性质能够连接转子到旋转电机的轴上。钢板既能传递扭矩，也提供弹簧作用来控制气隙。其他组合也可能存在，并且不限制本发明的一般性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种不借助外部机制改变轴向磁场电机的气隙的方法，其特征在于，利用弹性元件产生的相对于定子与转子间固有吸力的反作用力，使转子相对于定子的位置通过相电流产生的力而改变，获得一个扩展的工作范围，扩大电机的转矩、转速输出范围以及扩大电机高效运转的工作区间，通过改变相电流变换的时间扩展电机的转矩-转速曲线且保持高效运转，影响作用于转子上力的大小与方向，在零相角，所有的力通过旋转转子的相电流获得，当离开零相角时，轴向力开始产生作用，转子与定子之间产生引力或斥力，进而改变转子与定子之间的相对位置。