CN109586434A - 一种机械调磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械调磁永磁电机，包括转轴，以及围绕在该转轴外、且用于相互配合工作的定子铁芯及转子铁芯；在转子铁芯的内部设置有多个永磁体对，任意一个永磁体对包括至少两段内置式永磁体由此构成一个磁极，并且在任意一个永磁体对的多个内置式永磁体之间还设置有可活动的调磁块，该调磁块用于根据转子铁芯的转速移动其位置。本发明通过对电机整体的组件构成及各个组件间的配合工作方式等进行改进，尤其在永磁同步电机转子上添加对永磁体功效具有调节作用的调磁单元，并根据电机具体运行情况改变调磁块的位置，可减小永磁体磁通的漏磁路磁阻，削弱气隙内的永磁体磁场，增大永磁同步电机的自起动性能以及永磁同步电机弱磁扩速能力。

Description

一种机械调磁永磁电机

技术领域

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种机械调磁永磁电机，是一种能够提高起动与弱磁扩速性能的永磁同步电机。

背景技术

时至今日，能源短缺已成为事关人类生存的重要问题，开发新能源与节约能源刻不容缓。电力能源是人类目前利用最为广泛的二次能源，与国家节能减排和可持续发展战略息息相关。随着国家经济的发展，工业用电量逐年提升，已经占到全国用电量的70％以上，其中电动机的耗电量又占工业总用电量的50％以上。因此，电机及其***节能是实现工业节能降耗的重要途径。

随着永磁材料的发展，永磁电机技术越来越成熟。永磁同步电机采用高性能永磁材料提供励磁磁场，不需要电机定子侧提供励磁电流，效率、功率因数和功率密度都比感应电机高，是典型的高效节能产品。其应用范围非常广泛，在航空航天、国防、工业、农业生产以及日常生活的各个领域都有应用。

但是，由于永磁材料提供的磁通较为稳定，导致永磁同步电机也有一些不足：

(1)通过在永磁同步电机转子上安装笼型绕组，使得电机具有自起动功能(即为自起动永磁同步电机)。在起动过程中，永磁体磁场将与定子磁场产生永磁制动转矩，使得永磁电机的起动能力差于感应电机。

(2)当永磁电机高速运行时，会在定子绕组上感应较大的反电势，由于变频器供电电压有限，电机的转速范围受到限制。目前常用的方法是增加定子电流直轴分量，削弱气隙磁场，降低高转速运行时的机端电压。但是这种方法增加了定子电流，降低了电机的效率和功率因数。

中国专利文献CN104935111A的发明专利公开了一种机械调磁式旋转电机。这种电机包括转子铁芯、转轴、可移动导磁轭和机械调磁阀调磁装置。转子铁芯内嵌设前凸极和后凸极，可移动导磁轭位于转轴与前凸极、后凸极之间，机械调磁阀调磁装置连接可移动导磁轭并控制可移动导磁轭沿着转轴轴向移动。该发明通过控制可移动导磁轭轴向移动，从而实现永磁磁通新增漏磁路径的通断，间接控制电机气隙内的有效磁通，使得电机具有较大的调磁能力，实现更高转速的运行，避免了传统永磁电机弱磁扩速时需要较大直轴去磁电流，保证了电机的高效率和高功率因数。但该电机中，电机轴向分为两段，同时有两套转子，两套定子绕组，电机结构较复杂。

中国专利文献CN104659996A的发明专利公开了一种漏磁式机械变磁通永磁同步电机。这种电机由电机本体和机械调磁装置构成，通过控制调磁块与定子之间的气隙长度控制永磁体漏磁的大小，实现电机的气隙磁场可调，应用于稳压发电及变速驱动领域的变磁通永磁同步电机。但该电机采用的机械调磁装置特别是机械调磁块位于转子外侧，增大了电机体积和重量，也增加了电机结构的复杂性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种机械调磁永磁电机，通过对电机整体的组件构成及各个组件间的配合工作方式等进行改进，尤其在永磁同步电机转子上添加对永磁体漏磁场具有调节作用的调磁单元，并根据电机具体运行情况改变调磁块的位置，可减小永磁体磁通的漏磁路磁阻，削弱气隙内的永磁体磁场，增大永磁同步电机的自起动性能以及永磁同步电机弱磁扩速能力。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种机械调磁永磁电机，包括转轴，以及围绕在该转轴外、且用于相互配合工作的定子铁芯及转子铁芯，其特征在于，在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体对，任意一个所述永磁体对包括至少两段内置式永磁体由此构成一个磁极，并且在任意一个所述永磁体对的多个内置式永磁体之间还设置有可活动的调磁块，该调磁块用于根据所述转子铁芯的转速移动其位置。

作为本发明的进一步优选，所述调磁块具体是根据所述转子铁芯的转速移动其位置从而调整其距离所述转轴的距离的；

当所述机械调磁永磁电机自起动时，所述调磁块位于距所述转轴距离较近的位置，用于增大所述永磁体漏磁；

当所述机械调磁永磁电机在额定转速运行时，所述调磁块位于距所述转轴距离较远的位置，用于减小所述永磁体漏磁。

作为本发明的进一步优选，该机械调磁永磁电机采用变频器供电，并且，

当所述机械调磁永磁电机在高于额定转速运行时，所述调磁块位于距所述转轴距离较近的位置，用于增大所述永磁体漏磁，扩大转速范围；

当所述机械调磁永磁电机在不高于额定转速运行时，所述调磁块位于距所述转轴距离较远的位置，用于减小所述永磁体漏磁，提高电机的出力。

作为本发明的进一步优选，所述定子铁芯还设置有定子电枢绕组，该定子电枢绕组采用多相交流绕组。

作为本发明的进一步优选，沿所述转子铁芯的圆周方向设有多个圆形槽，这些圆形槽用于放置鼠笼绕组，用于实现自起动。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，针对内置式永磁同步电机，由于在永磁同步电机转子上添加调磁单元(即，将调磁块设置于内置式永磁转子中)并改变其位置，可减小永磁体磁通的漏磁路磁阻，削弱气隙内的永磁体磁场，增大自起动永磁同步电机的起动性能以及永磁同步电机弱磁扩速能力。

具体说来，本发明有如下有益效果：

1)机械调磁永磁电机采用恰当的机械调磁装置，实现了灵活调节气隙磁通的目的，还克服了混合励磁电机结构复杂，效率和功率因数低等缺点。

2)电机转子采用每极由两段以上永磁体构成的内置式结构，永磁体的位置固定，仅通过设置在永磁体中间的可活动的调磁块，可以调节永磁体的漏磁大小，从而调节气隙磁通和空载反电势的大小。本发明中，由至少两段内置式永磁体并由此构成一个磁极的永磁体对，例如可以为V型(即，两条呈V型分布的永磁体)，可活动的调磁块则可以设置于永磁体对的两条永磁体之间。

3)相对于混合励磁电机，无需调磁绕组，省略了复杂的励磁控制算法，降低了控制***的实现难度。

4)自起动永磁同步电机通电起动时，将调磁块置于距转轴距离较近的位置，永磁体漏磁路的磁阻小，漏磁大，使得起动过程的永磁制动转矩较小，从而提高电机起动性能。电机运行于额定转速时，将调磁块置于距转轴距离较远的位置，永磁体漏磁很小，电机空载反电势大，效率和功率因数均能得到提高。

5)永磁同步电机采用变频器供电情况下，在不高于额定转速运行区时，将调磁块置于距转轴距离较远的位置。在高于额定转速运行区时，将调磁块置于距转轴距离较近的位置，此时，调磁块可增大永磁体漏磁，减小绕组上的感应反电势，在电机端电压受限的情况下增大了转速范围，并且消除了常规高速弱磁控制导致的效率降低。

附图说明

图1是本发明机械调磁永磁电机的一种结构示意图。

图2是本发明机械调磁永磁电机在自起动永磁同步电机起动时的结构示意图，此时，调磁块置于接近转轴的位置。

图3是与图2对应的本发明机械调磁永磁电机在额定转速的空载反电势波形图。

图4是本发明机械调磁永磁电机在电机运行于额定转速时的结构示意图，此时，调磁块置于远离转轴的位置。

图5是与图4对应的本发明机械调磁永磁电机在额定转速的空载反电势波形图。

图1中各附图标记的含义如下：1为电枢绕组，2为定子铁芯，3为鼠笼绕组，4为转子铁芯，5为调磁块(如矩形调磁块)，6为V型永磁体，7为转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中的机械调磁永磁电机，如图1，电机定子部分包括一套电枢绕组(1)与定子铁芯(2)；转子部分包括鼠笼绕组(3)、转子铁芯(4)、调磁块(5)与V型永磁体(6)。其中电枢绕组采用分布式短距绕组，材料为铜。定转子铁芯与调磁块均采用相同的硅钢片材料，永磁体材料采用稀土钕铁硼，转轴材料为不导磁材料。

本发明中的机械调磁永磁电机，电机转子采用永磁结构，并在永磁体之间安装可活动调磁块。转子圆周上可安装笼型绕组，使电机具有自起动功能。定子可采用分布式短距绕组，谐波含量低。通过调磁块的移动，改变永磁体漏磁路磁阻，调节气隙磁场。因此本发明非常适合用于需要对电机自起动性能与高速运行阶段的效率要求较高的场合。

该机械调磁永磁电机，转子包含可活动调磁块，电机起动时，调磁块位于转子底部，永磁体漏磁大，导致永磁制动转矩小，电机起动能力强。电机在额定工作点运行时，调磁块位于转子顶部，永磁体漏磁小，电机效率和功率因数高。电机在高速恒功率区运行时，调磁块位于转子底部，永磁体漏磁大，在定子绕组上产生的感应反电势小，避免电机端电压超出限制，也消除了常规的弱磁控制所导致的效率降低。

自起动永磁同步电机通电起动时，将调磁块置于转子底部，如图2。电机在额定转速的空载反电势波形分别如图3，永磁体漏磁路的磁阻小，漏磁大，自起动过程的永磁制动转矩小，电机起动性能好。电机运行与同步转速时，将调磁块置于转子顶部，如图4。电机在额定转速的空载反电势波形分别如图5。

永磁同步电机在恒转矩运行区时，将调磁块置于转子顶部，如图4。在恒功率运行区时，将调磁块置于转子底部，如图2，电机空载反电势小，不需要对定子电流进行弱磁控制，避免高速恒功率运行阶段的效率降低。

由于机械调磁永磁电机是立体结构，本发明中的组件形状一般是指组件在垂直于转轴中心线的平面上的投影形状。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机械调磁永磁电机，包括转轴，以及围绕在该转轴外、且用于相互配合工作的定子铁芯及转子铁芯，其特征在于，在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体对，任意一个所述永磁体对包括至少两段内置式永磁体由此构成一个磁极，并且在任意一个所述永磁体对的多个内置式永磁体之间还设置有可活动的调磁块，该调磁块用于根据所述转子铁芯的转速移动其位置。

2.如权利要求1所述机械调磁永磁电机，其特征在于，所述调磁块具体是根据所述转子铁芯的转速移动其位置从而调整其距离所述转轴的距离的；

当所述机械调磁永磁电机自起动时，所述调磁块位于距所述转轴距离较近的位置，用于增大所述永磁体漏磁；

当所述机械调磁永磁电机在额定转速运行时，所述调磁块位于距所述转轴距离较远的位置，用于减小所述永磁体漏磁。

3.如权利要求1所述机械调磁永磁电机，其特征在于，该机械调磁永磁电机采用变频器供电，并且，

当所述机械调磁永磁电机在高于额定转速运行时，所述调磁块位于距所述转轴距离较近的位置，用于增大所述永磁体漏磁；

当所述机械调磁永磁电机在不高于额定转速运行时，所述调磁块位于距所述转轴距离较远的位置，用于减小所述永磁体漏磁。

4.如权利要求1－3任意一项所述机械调磁永磁电机，其特征在于，所述定子铁芯还设置有定子电枢绕组，该定子电枢绕组采用多相交流绕组。

5.如权利要求1－4任意一项所述机械调磁永磁电机，其特征在于，沿所述转子铁芯的圆周方向设有多个圆形槽，这些圆形槽用于放置鼠笼绕组。