CN106992649B - 变磁通永磁能量转换设备 - Google Patents

Abstract

本申请的变磁通永磁能量转换设备的工作机理是调节圆柱永磁体的磁化方向，改变合成永磁磁动势的大小，达到调节气隙磁场分布的目的。通过机械调磁装置的作用，同一极下的左侧圆柱永磁体逆时针自旋转，右侧圆柱永磁体顺时针自旋转，左右两侧的圆柱永磁体自旋转角度相同，则同一极下合成永磁磁动势方向不变，但其磁动势幅值减小，达到了直轴去磁效果。本申请将机械传动理论与内置式永磁能量转换设备相融合，在保证能量转换设备功率密度一定的情况下，利用机械传动的方式能够有效地改变能量转换设备内工作磁场的强弱，有效解决内置式永磁能量转换设备气隙磁场调节困难的缺陷，是一类可应用于稳压发电及变速驱动领域的变磁通永磁能量转换设备。

Description

变磁通永磁能量转换设备

技术领域

本申请涉及能量转换设备领域，具体而言，涉及变磁通永磁能量转换设备。

背景技术

随着新能源与可再生能源综合利用和开发程度的不断提高，能否提供稳定的电能质量或较宽的电机调速范围逐渐成为决定能量转换效率的一个关键因素，而灵活调节的电机磁场是保证能量高效转换的重要技术手段之一。

由于内置式永磁同步电机中的直交轴磁路结构不对称，电机的直交轴电感相差较大，会产生一定的磁阻转矩，而磁阻转矩与永磁转矩的叠加使电机拥有更高的输出转矩。因此，此类电机具有体积小、重量轻、工作可靠、冷却方便、高功率密度以及较高效率等优点，可广泛应用在电动汽车、风力发电、电梯驱动以及航空航天等领域。然而，此类电机的内部磁场基本恒定，在电机高速运行时，很难对磁场进行弱磁控制，制约了其进一步发展。

机械调磁电机是实现电机磁场灵活调节的一类新型永磁电机，其特征为利用机械传动部件有规律的运动，以调节电机磁场强弱，改变绕组合成感应电动势大小，从而实现机、电、磁三者耦合的新型磁场调节方式。近年来，经过国内外专家学者的不断努力，相继提出了气隙调整式、转子调整式、离心式、漏磁式等多种拓扑结构的机械调磁永磁同步电机。研究结果表明，现有的机械调磁永磁同步电机多数存在圆柱永磁体用量大，转子铁心利用率低及机械调磁装置控制难度大等缺点。

申请内容

有鉴于此，本申请的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种利用机械传动原理将径向的离心力转换成使齿轮旋转的切向力，并迫使电机转子中内置的圆柱形圆柱永磁体以自身为中心旋转，圆柱永磁体自旋转后，充磁方向发生改变，永磁磁路相应发生变化，达到调节电机磁场的目的的变磁通永磁能量转换设备。

为解决上述问题，本申请提供的解决方案如下：

变磁通永磁能量转换设备，包括同轴设置的外定子和内转子，所述内转子包括转子铁芯和圆柱永磁体；

偶数对的所述圆柱永磁体转动地内置于所述转子铁芯中，所述圆柱永磁体在所述转子铁芯中成对的圆周均布，同一对的所述圆柱永磁体的磁化方向相同，且与相邻对的所述圆柱永磁体的磁化方向相反；

还包括机械调磁装置，所述机械调磁装置包括转盘、齿轮、齿条和弹性件，所述转盘同轴地固设于所述转子铁芯的端部，所述转盘上转动地设有与所述圆柱永磁体数量相同且位置相配的所述齿轮，所述圆柱永磁体与所述齿轮之间固定地连接；

所述转盘上设有与所述齿轮的对数相等数量的滑槽且每对所述齿轮之间设有一条所述滑槽，每一滑槽上设有一个所述齿条，所述齿条的双侧均带有齿且能够与两侧的所述齿轮啮合；

每一所述齿条的端部通过所述弹性件与所述转盘连接，每一所述弹性件的伸缩方向平行于条形的所述滑槽；

所述机械调磁装置的部件均由隔磁材料制成。

在示例性实施例中，所述齿轮与所述圆柱永磁体之间同轴地通过柱销铆接连接，所述柱销由隔磁材料制成。

在示例性实施例中，所述转子铁芯设有安装槽，所述安装槽用于安装所述圆柱永磁体，相邻的所述安装槽之间设有隔磁桥。

在示例性实施例中，一个所述安装槽用于安装一个所述圆柱永磁体，用于安装同一对圆柱永磁体的两个安装槽之间设有第一隔磁桥，且两个安装槽设有所述第一隔磁桥的另外一侧分别设有第二隔磁桥。

在示例性实施例中，所述转盘包括中空的轴颈，所述弹性件的一端与所述轴颈连接。

在示例性实施例中，所述弹性件为弹簧。

在示例性实施例中，所述弹簧处于自然态时，所述齿条与所述齿轮分离。

在示例性实施例中，所述齿条与所述齿轮分离时，每对所述圆柱永磁体的磁极方向平行且均在所述转子铁芯的径向上。

在示例性实施例中，所述外定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述定子铁芯上圆周均布有偶数个定子槽，所述电枢绕组采用分布式短距绕组形式缠绕于所述定子槽上。

在示例性实施例中，所述变磁通永磁能量转换设备包括变磁通永磁电动机和变磁通永磁发电机。

本申请的变磁通永磁能量转换设备与现有技术相比，具有如下优点：

本申请的变磁通永磁能量转换设备的工作机理是调节圆柱永磁体的磁化方向，改变合成永磁磁动势的大小，达到调节气隙磁场分布的目的。电机在基速以下时，离心力较小，圆柱永磁体充磁的磁动势最大，而通过机械调磁装置的作用，同一极下的左侧圆柱永磁体逆时针自旋转，右侧圆柱永磁体顺时针自旋转，左右两侧的圆柱永磁体自旋转角度相同，则同一极下合成永磁磁动势方向不变，但其磁动势幅值减小，可知离心力与转速有关，转速越大，离心力越大，圆柱永磁体的磁极转动角度越大，磁动势幅值的减小越大，但圆柱永磁体的合成的充磁方向不变，达到了直轴去磁效果。

变磁通永磁能量转换设备借助机械调整装置可方便地调节磁通，打破了采用电励磁进行调磁的思维模式，克服了混合励磁电机结构复杂、附加气隙多、励磁损耗较大以及功率密度较低等缺点。无需调磁绕组，省略了相对复杂的励磁控制算法，降低了控制***的实现难度，在完全无励磁功率损耗的基础上实现电机高效率和高功率密度。在内转子外侧安装机械调磁部件，根据电机转速的变化对电机内磁场强度进行自动同步调节，具有良好的调磁效果，且可实现磁场的双向调节。机械调磁装置不需外部能源驱动，无附加损耗，不影响电机的能量转化效率。

机械调磁装置与电机转子的机械隔离，一定程度上可减小电机运动部件间的相互影响，能够有效地保证转子铁心的利用率。

综上所述，本申请将机械传动理论与内置式永磁能量转换设备相融合，在保证能量转换设备功率密度一定的情况下，利用机械传动的方式能够有效地改变能量转换设备内工作磁场的强弱，有效解决内置式永磁能量转换设备气隙磁场调节困难的缺陷，是一类可应用于稳压发电及变速驱动领域的变磁通永磁能量转换设备。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的变磁通永磁能量转换设备的整体结构主视图；

图2示出了本申请实施例所提供的变磁通永磁能量转换设备的分解结构轴测图；

图3示出了本申请实施例所提供的变磁通永磁能量转换设备的外定子和内转子的主视结构示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的变磁通永磁能量转换设备的机械调磁装置的主视第一结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的变磁通永磁能量转换设备的机械调磁装置的主视第二结构示意图；

图6示出了本申请实施例所提供的变磁通永磁能量转换设备的机械调磁装置的主视第三结构示意图；

图7示出了本申请实施例所提供的额定转速时变磁通永磁能量转换设备的内转中圆柱永磁体的磁化方向示意图；

图8示出了本申请实施例所提供的超额定转速时变磁通永磁能量转换设备的内转中圆柱永磁体的磁化方向示意图。

图标：1-变磁通永磁能量转换设备；10-外定子；101-定子铁芯；1011-定子槽；20-内转子；201-转子铁芯；2011-隔磁桥；202-圆柱永磁体；30-机械调磁装置；301-转盘；3011-滑槽；3012-轴颈；302-齿轮；303-齿条；304-弹性件；305-柱销。

具体实施方式

在下文中，将结合附图更全面地描述本申请的各种实施例。本申请可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。因此，将参照在附图中示出的特定实施例更详细地描述本申请。然而，应理解：不存在将本申请的各种实施例限于在此申请的特定实施例的意图，而是应将本申请理解为涵盖落入本申请的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。结合附图的描述，同样的附图标号标示同样的元件。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所申请的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本申请的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本申请的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本申请的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本申请的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本申请的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本申请的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

请一并参阅图1至图4，本申请的变磁通永磁能量转换设备1，包括同轴设置的外定子10和内转子20，所述内转子20包括转子铁芯201和圆柱永磁体202。偶数对的所述圆柱永磁体202转动的内置于所述转子铁芯201中，所述圆柱永磁体202在所述转子铁芯201中成对的圆周均布，每对相邻的所述圆柱永磁体202的磁极方向相反。

变磁通永磁能量转换设备1还包括机械调磁装置30，所述机械调磁装置30包括转盘301、齿轮302、齿条303和弹性件304。所述转盘301同轴地固设于所述转子铁芯201的端部，所述转盘301上转动地设有与所述圆柱永磁体202数量相同且位置相配的所述齿轮302，所述圆柱永磁体202与所述齿轮302之间固定地连接。所述转盘301上设有与所述齿轮302的对数相等数量的滑槽3011，每一滑槽3011上滑动地设有一个所述齿条303，每对所述齿轮302之间插设有一个所述齿条303，所述齿条303的双侧均带有齿且与两侧的所述齿轮302啮合。每一所述齿条303的端部通过所述弹性件304与所述转盘301连接，每一所述弹性件304的伸缩方向平行于条形的所述滑槽3011。所述机械调磁装置30的部件均由隔磁材料制成。

上述，变磁通永磁能量转换设备1包括普通的内置式永磁能量转换设备和机械调磁装置30，圆柱永磁体202内置与内转子20中，交替的径向充磁。连接于内转子20端面上的机械调磁装置30，在内转子20具有不同的转速时，具有不同的离心力，F＝mv²/r。离心力的大小不同时，机械调磁装置30的弹性件304的伸缩长度不同，x＝F/k，x＝mv²/kr，可以得出弹性件304的伸缩长度与内转子20的速度相关，内转子20的速度越大，弹性件304的拉伸长度越长。齿条303由于离心力的作用，拉动弹性件304，同时在径向上向外滑动，当速度达到一定大小时，齿条303与齿轮302啮合，随着齿条303在滑槽3011上的移动，齿条303驱动齿轮302啮合角度不断增大。齿轮302与圆柱永磁体202为固定同轴连接，齿轮302在转动时带动圆柱永磁体202一同转动，圆柱永磁体202的磁极方向发生变化，且两个圆柱永磁体202的转动方向相反，转动角度相同，圆柱永磁体202的磁动势合成方向不变，但磁动势的幅值减小了。

一对圆柱永磁体202形成了一个磁极，偶数对的圆柱永磁体202即为偶数个磁极，如2、4、6、8个。以两个圆柱永磁体202为一组，在转子铁芯201上圆周均匀分布，且相邻磁极的充磁方向相反，从而进行交替的径向充磁。

机械调磁装置30上的齿轮302两两一组，与圆柱永磁体202的数量及分布相匹配，转盘301上的齿条303由于离心力的作用在滑槽3011上滑动，齿条303为双面齿条303，同时与两个齿轮302啮合，带动两个齿轮302反向的同步转动。每一所述弹性件304的伸缩方向平行于条形的所述滑槽3011。从而使得弹性件304对齿条303的作用力始终与齿条303的移动方向在同一条直线上，使得齿条303的移动更加平滑和顺畅，防止齿条303在滑槽3011上卡死等不利的情况出现。

机械调磁装置30的部件均由隔磁材料制成以避免漏磁，如铝合金、不锈钢等，变磁通永磁能量转换设备1无励磁绕组，可在完全无励磁功率损耗的基础上实现能量转换设备的高效率和高功率密度。

所述变磁通永磁能量转换设备1包括变磁通永磁电动机和变磁通永磁发电机。作为变磁通永磁发电机使用时，无论转速如何变化，都能实现恒压发电。作为变磁通永磁电动机使用时，是一种能够在高效率，恒定功率下进行变速驱动的电动机。

下面结合附图，对本申请的具体实施方式作详细说明。

实施例

所述外定子10包括定子铁芯101和电枢绕组(图中未示出)，所述定子铁芯101上圆周均布有偶数个定子槽1011，所述电枢绕组采用分布式短距绕组形式缠绕于所述定子槽1011上。

本实施例中，变磁通永磁能量转换设备1，采用单定子/单转子的径向结构，定子槽1011的数量为48，定子极数为8。内转子20上的圆柱永磁体202的对数为8对4组，每对包含2个，每组包含2对4个。圆柱永磁体202的材料采用高强度的圆柱永磁体N36Z_20，其磁感应矫顽力为-920000A/m，磁化强度为1.03A/m。转子铁芯201和定子铁芯101使用厚度为0.5毫米的M19_29G硅钢片，叠压系数为0.94，其中有6％的硅钢片片间绝缘，相对磁导率的均磁化方向为沿硅钢片叠压方向。

为使得圆柱永磁体202能与齿轮302同轴转动，所述齿轮302与所述圆柱永磁体202之间同轴地通过柱销305铆接连接，所述柱销305由隔磁材料制成。

在圆柱永磁体202的端面中心设有圆孔，齿轮302的中心设有圆孔，从而通过柱销305***到两个圆孔中，与圆孔之间形成过盈连接，从而使得圆柱永磁体202与齿轮302之间形成固定连接。连杆有铝合金、不锈钢等隔磁材料制成。

转盘301通过螺钉连接在转子铁芯201的端面上，从而与转子铁芯201固定。齿轮302和圆柱永磁体202只具有沿其轴向转动的自由度。

所述转子铁芯201设有安装槽，所述安装槽用于安装所述圆柱永磁体202，相邻的所述安装槽之间设有隔磁桥2011。每对所述圆柱永磁体202的所述安装槽的与另一对所述安装槽相邻的一侧设有所述隔磁桥2011，每对所述圆柱永磁体202的所述安装槽之间设有所述隔磁桥2011。

所述转盘301包括中空的轴颈3012，所述弹性件304的一端与所述轴颈3012连接，从而使得弹性件304的伸缩方向与转盘301的平面平行，从而与齿条303的移动在同一条直线上。

具体的，所述弹性件304为弹簧，在其他实施例中弹性件304还可以是其他的如橡皮筋、弹性柱等具有轴向收缩特性的弹性件304。所述弹簧处于自然态时，所述齿条303与所述齿轮302分离。

速度较低时，齿条303与齿轮302分离，磁动势的大小不变，速度提高时，齿条303与齿轮302啮合，圆柱永磁体202转动，合成磁动势的方向不变，幅值变小。在圆柱永磁体202旋转过程中，由于齿条303左右两侧的齿轮302旋转方向始终相反，使内转子20每极下的两圆柱永磁体202旋转方向相反，但每极圆柱永磁体202的合成永磁磁动势方向保持不变，变磁通永磁能量转换设备1的交直轴磁路保持不变，变磁通永磁能量转换设备1所改变的只是直交轴磁路上的磁通大小。

变磁通永磁能量转换设备1具有三种运行状态，即额定转速以下、额定转速和额定转速以上。

本实施例中，所述齿条303与所述齿轮302分离时，每对所述圆柱永磁体202的磁极方向平行且均指向气隙。

(1)额定转速以下时：当变磁通永磁能量转换设备1运行在额定转速以下时，机械调磁装置30中齿条303的位置如图4所示，机械调磁装置30中的齿条303未接触齿轮302，滑块对齿轮302没有切向推动力，此时电机获得最大的气隙磁通密度，其中圆柱永磁体202的磁化方向如图7所示。

(2)额定转速时：当变磁通永磁能量转换设备1在额定转速以下开始加速，滑块继续做直线运动，在达到额定转速时恰好与齿轮302接触，如图5所示。

(3)额定转速以上时：当超过额定转速时，齿条303推动齿轮302旋转，位于齿条303左侧的圆柱永磁体202以逆时针方向旋转，而齿条303右侧的圆柱永磁体202则以顺时针方向旋转，但两圆柱永磁体202合成磁动势方向保持不变。当电机在额定转速以上开始减速至额定转速以下时，齿条303受到弹性件304的拉力开始往回做直线运动，齿条303左侧的圆柱永磁体202以顺时针旋转，在齿条303右侧的圆柱永磁体202逆时针旋转，减速至额定转速时齿条303与齿轮302不接触，圆柱永磁体202旋转至初始位置，合成永磁磁动势恢复到最大，如图6所示，其中圆柱永磁体202的磁化方向如图8所示。

可以理解，若变磁通永磁能量转换设备1的额定转速一定，可根据弹性件304在自然态时，齿条303到齿轮302的距离来选用不同弹性系数的弹性件304，根据齿条303的齿距大小来确定磁通量的调节精度，可知，齿条303的齿距越小，齿条303在移动时，齿轮302的转动角度变化越连续，磁通量变化越连续。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.变磁通永磁能量转换设备，包括同轴设置的外定子和内转子，所述内转子包括转子铁芯和圆柱永磁体，其特征在于，

偶数对的所述圆柱永磁体转动地内置于所述转子铁芯中，所述圆柱永磁体在所述转子铁芯中成对的圆周均布，同一对的所述圆柱永磁体的磁化方向相同，且与相邻对的所述圆柱永磁体的磁化方向相反；

还包括机械调磁装置，所述机械调磁装置包括转盘、齿轮、齿条和弹性件，所述转盘同轴地固设于所述转子铁芯的端部，所述转盘上转动地设有与所述圆柱永磁体数量相同且位置相配的所述齿轮，所述圆柱永磁体与所述齿轮之间固定地连接；

所述转盘上设有与所述齿轮的对数相等数量的滑槽且每对所述齿轮之间设有一条所述滑槽，每一滑槽上设有一个所述齿条，所述齿条的双侧均带有齿且能够与两侧的所述齿轮啮合；

每一所述齿条的端部通过所述弹性件与所述转盘连接，每一所述弹性件的伸缩方向平行于条形的所述滑槽；

所述机械调磁装置的部件均由隔磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述齿轮与所述圆柱永磁体之间同轴地通过柱销铆接连接，所述柱销由隔磁材料制成。

3.根据权利要求1所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述转子铁芯设有安装槽，所述安装槽用于安装所述圆柱永磁体，相邻的所述安装槽之间设有隔磁桥。

4.根据权利要求3所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，一个所述安装槽用于安装一个所述圆柱永磁体，用于安装同一对圆柱永磁体的两个安装槽之间设有第一隔磁桥，且两个安装槽设有所述第一隔磁桥的另外一侧分别设有第二隔磁桥。

5.根据权利要求1所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述转盘包括中空的轴颈，所述弹性件的一端与所述轴颈连接。

6.根据权利要求1所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述弹性件为弹簧。

7.根据权利要求6所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述弹簧处于自然态时，所述齿条与所述齿轮分离。

8.根据权利要求7所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述齿条与所述齿轮分离时，每对所述圆柱永磁体的磁极方向平行且所述圆柱永磁体的磁极朝向或背离气隙。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述外定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述定子铁芯上圆周均布有偶数个定子槽，所述电枢绕组采用分布式短距绕组形式缠绕于所述定子槽上。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的变磁通永磁能量转换设备，其特征在于，所述变磁通永磁能量转换设备包括变磁通永磁电动机和变磁通永磁发电机。