一种具有楔形永磁体的可变结构磁通切换电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种具有轴向/径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机。

背景技术

区别于传统的转子励磁型永磁电机，定子励磁型磁通切换电机(以下简称“磁通切换电机”)的永磁体和电枢绕组均位于静止的定子侧，既实现了电机的无刷化，永磁体和电枢绕组也可以通过简单的冷却系统被充分冷却，同时各部件可采用模块化设计，具有槽满率高、加工便利、容错性好的优点。因此，磁通切换电机在近些年来受到学术界和工业界的重点关注，并逐渐在航空航天、新能源汽车、直线曳引、风力发电机等行业或领域中显示出了特有的技术优势和应用潜力。

然而，由于永磁电机(包括传统转子励磁型永磁电机和磁通切换电机)固有的结构特点和励磁方式，永磁体一旦安装于电机之后，永磁体的空载励磁磁场和电机气隙磁场便难调节。尤其是磁通切换电机，即便是在负载条件下，考虑电枢反应磁场时的气隙磁场与空载气隙磁场几乎相同，因此励磁磁场/气隙磁场较难调节是磁通切换电机的典型缺点之一。根据电机学的基本原理可知，电机的励磁磁场/气隙磁场调节能力与电机的弱磁扩速范围、高效区分布特性、转速转矩特性密切相关，于是研究者从多种角度设计了永磁电机的励磁磁场/气隙磁场调节技术。

从技术特点来看，基于变驱动电流的弱磁/增磁技术和基于变电机结构的磁场调节技术是两类典型的技术：

其中，前者是通过改变电机电枢绕组中交轴电流(产生转矩的电流分量)与直轴电流(产生磁场的电流分量)的比例，来实现弱磁/增磁的效果和转矩控制，但该技术存在明显不足：首先，在考虑电机驱动器电流约束时，直轴电流的分配必然导致交轴电流的变化，这会影响电机的转矩输出能力和系统的效率；其次，直流电流的调节依赖于前期离线表格和运行时的在线调正，这导致弱磁/增磁的效果总是滞后于指令，且调节范围有限；最后，当直轴负向电流过大时，永磁体存在不可逆失磁的风险，进而威胁电机系统的可靠运行。

对于第二类基于变电机结构的磁场调节技术，以往研究主要围绕传统的转子励磁型永磁电机展开，日本东芝公司提出了一种具有分段式转子的主动机械调节型调速电机，该技术中转子被分为两段，通过调整分段转子轴向的夹角实现合成气磁磁场的调节，但该技术存在结构复杂、可靠性低的缺点，尤其是当转子高速旋转时，如何动作机械结构来实现夹角调整，安全性也难以保证。英国谢菲尔德大学的提出一种附加短路环漏磁方式机械变磁通永磁电机，该技术借助其定子外部添加具有导磁性能的短路环，致使嵌在定子单元中间永磁体生成的磁通将经过短路环导通形成电磁通路，以此来削弱电机内部气隙磁场的强度，但是机械传动装置在电机运转时比较难将短路环调节到合适的角度，从而会降低电机一定的运转效率，尤其是，该技术所提出的短路环远离电机气隙，与气隙没有直接接触，电机调磁效果非常有限；国内哈尔滨工业大学提出了一种具有锥形转子的主动机械调节型调速电机，但是锥形转子带来的单边磁拉力问题也是一个新的挑战。因此，综合现有的基于变电机结构的磁场调节技术，可以发现：1)机械调磁机构位于转子，需要随转子一起运动，或调节转子，结构复杂，可靠性低；2)机械调磁机构位于定子，依靠调整永磁体的漏磁，弱磁效果非常有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有轴向/径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机，解决了背景技术中的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种具有楔形永磁体的可变结构磁通切换电机，包括转子，所述转子外侧设置多个呈周向均匀分布的模块化定子铁芯，所述模块化定子铁芯与所述转子之间形成定转子间气隙；

相邻两个所述模块化定子铁芯之间形成一个梯形安装槽，每个所述梯形安装槽内安装有一个楔形永磁体，所述楔形永磁体能够沿着所述转子的轴向或者径向移动，并改变所述楔形永磁体与所述模块化定子铁芯之间的间隙。

进一步地，所述楔形永磁体能够紧密嵌入相邻的两个所述模块化定子铁芯之间，此时，电机主磁路中仅存在定转子间气隙。

进一步地，所述梯形安装槽沿着所述转子径向逐渐变窄，且越靠近所述定转子间气隙处越窄；所述楔形永磁体的横截面呈楔形结构，且越靠近定转子间气隙越窄。

进一步地，所述楔形永磁体靠近所述定转子间气隙的一侧不超出所述模块化定子铁芯的内侧。

进一步地，所述梯形安装槽沿着所述转子轴向逐渐变窄，所述楔形永磁体沿着所述转子轴向宽度逐渐变窄，且所述楔形永磁体沿着所述转子轴向移动，能改变所述楔形永磁体与所述模块化定子铁芯之间的间隙。

进一步地，所述楔形永磁体的轴向长度小于所述模块化定子铁芯的轴向长度。

进一步地，所述楔形永磁体为钕铁硼、铁氧体、钐钴、铝镍钴中的一种或者多种。

进一步地，所述模块化定子铁芯上开设有定子槽，定子槽内安装有定子绕组。

进一步地，所述模块化定子铁芯和转子均通过片状模塑软磁复合材料压制而成。

一种新能源汽车，其中包括上述电机。

本发明的有益效果：

本发明提出一种具有轴向/径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机，实现励磁磁场/气隙磁场的调节，同时尽可能让电机结构简单化、紧凑化，尤其是满足不同转速时的励磁磁场/气隙磁场调节及时性、可靠性，对于克服现有磁通切换电机的不足，提升磁通切换电机的优势特点和应用潜力，扩宽磁通切换电机的应用领域具有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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的附图。

图1为本发明实施例1中的磁通切换电机的结构示意图；

图2为本发明实施例1的磁通切换电机中径向楔形永磁体沿径向移动后的结构示意图；

图3为本发明实施例2中的磁通切换电机的结构示意图；

图4为本发明实施例2中的磁通切换电机结构爆炸视图；

图5为本发明实施例2磁通切换电机中轴向楔形永磁体沿轴向移动后的结构示意图；

图6为本发明实施例1的磁通切换电机在原始结构、变结构1、变结构2时气隙磁密的变化示意图；

图7为本发明实施例2的磁通切换电机在原始结构、变结构1、变结构2时气隙磁密的变化。

其中，附图标记为：1、径向模块化定子铁芯；2、定子绕组I；3、径向楔形永磁体；4、定转子间气隙；5、转子I；6、转轴；701、左侧附加气隙；702、右侧附加气隙；8、轴向模块化定子铁芯；9、轴向楔形永磁体；10、定子绕组II；11、转子II；1201、左侧附加气隙II；1202、右侧附加气隙II。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于描述本发明中各部件间的相互位置关系，以电机二维横截面为参考平面建立了x-o-y-r平面坐标系，其中r为径向方向，c为圆周方向；垂直于电机二维横截面建立了x-o-y-z三维直角坐标系，其中z为轴向方向。

实施例1

如图1所示，一种具有径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机，包括多个径向模块化定子铁芯1、转子I5和转轴6，转子I5套设固定在转轴6上，多个径向模块化定子铁芯1在转子I5的外侧呈圆周均匀分布，并形成一个圆柱形的定子铁芯，多个转子I5与形成的定子铁芯同轴，且，径向模块化定子铁芯1在转子I5之间形成定转子间气隙4；

相邻两个模块化定子铁芯1之间形成梯形安装槽，梯形安装槽沿着转子I5径向位置逐渐变窄，且越靠近定转子间气隙4处越窄；梯形安装槽内安装有径向楔形永磁体3，径向楔形永磁体3的横截面呈楔形结构，靠近定转子间气隙4的一端窄，远离定转子间气隙4的一端宽，径向楔形永磁体3可以根据励磁磁场/气隙磁场调节的需要径向移动，即靠近或者远离定转子间气隙4；

当径向楔形永磁体3未沿径向移动时，径向楔形永磁体3紧贴相邻的两个径向模块化定子铁芯1，即径向楔形永磁体3如楔子一般紧密嵌入相邻的两个径向模块化定子铁芯1间的空隙内，径向楔形永磁体3靠近定转子间气隙4的一侧与径向模块化定子铁芯1的内侧接近平齐，但不能高出径向模块化定子铁芯1的内侧，以免对电机安全运行产生影响；径向楔形永磁体3远离定转子间气隙4的一侧低于径向模块化定子铁芯1的外侧，具体实施时，径向楔形永磁体3远离定转子间气隙4的一侧也可以与径向模块化定子铁芯1的外侧平齐，但会在调节电机励磁磁场/气磁磁场时，造成一定程度的永磁材料的浪费，因此，从经济性的角度考虑，径向楔形永磁体3远离定转子间气隙4的一侧尽量低于径向模块化定子铁芯1的外侧。此时，电机主磁路中仅存在定转子间气隙4，电机励磁磁场/气磁磁场强度最强。

当径向楔形永磁体3沿径向移动时，如图2所示，径向楔形永磁体3将逐渐远离相邻的两个径向模块化定子铁芯1，此时在径向楔形永磁体3和相邻的两个径向模块化定子铁芯1之间，将额外引入左侧附加气隙701和右侧附加气隙702，显然，径向楔形永磁体3远离相邻的两个径向模块化定子铁芯1越远，左侧附加气隙701和右侧附加气隙702将越宽。此时，电机主磁路中除了存在定转子间气隙4外，还存在左侧附加气隙701和右侧附加气隙702，因此电机励磁磁场/气磁磁场强度被削弱，起到了调节电机励磁磁场/气磁磁场的效果。

在本实施例中，径向楔形永磁体3可以为钕铁硼、铁氧体、钐钴、铝镍钴等磁性材料中的一种或者多种，本领域技术人员需要根据电机性能要求对其进行合理设计。

此外，径向模块化定子铁芯1和转子I5的制备过程相同：均可以由硅钢片冲压或切割，然后按照一定轴向厚度叠压制成；当然也可采用片状模塑软磁复合材料直接压制制成，以降低铁芯损耗；

径向模块化定子铁芯1上开设有定子槽，定子槽内安装有定子绕组I2。

实施例2

如图3和4所示，一种具有轴向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机，包括多个轴向模块化定子铁芯8和1个转子II11，多个轴向模块化定子铁芯8在转子II11外侧呈周向均匀分布，多个轴向模块化定子铁芯8形成一个圆柱形的定子铁芯，并与转子II11同轴；

相邻两个轴向模块化定子铁芯8之间形成一个梯形安装槽，梯形安装槽沿着转子II11轴向逐渐变窄；每个梯形安装槽内安装有一个轴向楔形永磁体9；

并且，轴向楔形永磁体9的轴向长度通常小于轴向模块化定子铁芯8的轴向长度，实际长度可以根据电机性能需要合理设置，轴向楔形永磁体9可以根据励磁磁场/气隙磁场调节的需要轴向移动。

当轴向楔形永磁体9未沿轴向移动时，轴向楔形永磁体9紧贴相邻的两个轴向模块化定子铁芯8，即轴向楔形永磁体9如楔子一般紧密嵌入相邻的两个轴向模块化定子铁芯8间的空隙内，轴向楔形永磁体9的一端与轴向模块化定子铁芯8的一端平齐，由于轴向楔形永磁体9的轴向长度小于轴向模块化定子铁芯8的轴向长度，使得轴向楔形永磁体9的另一端不超过轴向模块化定子铁芯8；此时，电机主磁路中仅存在定转子间气隙，电机励磁磁场/气磁磁场强度最强。

当轴向楔形永磁体9沿轴向移动时，如图5所示，轴向楔形永磁体9和轴向模块化定子铁芯8的一端将从“平齐”状态改变为非“平齐”状态，此时在轴向楔形永磁体9和相邻的两个轴向模块化定子铁芯8之间，将产生左侧附加气隙II1201和右侧附加气隙II1202，可以看出轴向楔形永磁体9远离轴向模块化定子铁芯8的一端越远(另一端越近)，所述左侧附加气隙II1201和右侧附加气隙II1202将越宽。此时，电机主磁路中除了存在定转子间气隙4外，还存在左侧附加气隙II1201和右侧附加气隙II1202，电机励磁磁场/气磁磁场强度被削弱，起到了调节电机励磁磁场/气磁磁场的效果。

在本实施例中，轴向楔形永磁体9可以为钕铁硼、铁氧体、钐钴、铝镍钴等磁性材料中的一种或者多种，本领域技术人员需要根据电机性能要求对其进行合理设计；

轴向模块化定子铁芯8和转子II11的制备过程相同：均可以由硅钢片冲压或切割，然后按照一定轴向厚度叠压制成；当然也可采用片状模塑软磁复合材料直接压制制成，以降低铁芯损耗。

轴向模块化定子铁芯8上开设有定子槽，定子槽内安装有定子绕组II10。

为进一步展示具有径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机在调节励磁磁场/气隙磁场的技术先进性，以实施例1中的具有径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机为例，调整径向楔形永磁体的位置，并将未调整径向楔形永磁体位置时的电机称为“原始结构”，调整径向楔形永磁体后的电机成为“变结构1”和“变结构2”，其中，“变结构2”比“变结构1”具有更大的左侧附加气隙701和右侧附加气隙702，图6为发明一种具有径向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机在原始结构、变结构1、变结构2时气隙磁密的变化。

附图6中，由于磁通切换电机的特有的聚磁优势，“原始结构”电机的局部气隙磁密峰值可以达到2.5～3T，在“变结构1”电机中，气隙磁密峰值降低了约40％，在“变结构2”电机中，气隙磁密峰值降低了约60％。进一步调节径向楔形永磁体3的位置，励磁磁场/气磁磁场还可以继续调节，气隙磁密峰值降低的范围或比例均是可控的。可以看出本发明在调节励磁磁场/气磁磁场时，具有调节直观、连续可调、调节范围大的优点。

与上述过程类似，对于实施例2中的具有轴向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机，调整轴向楔形永磁体的位置，并将未调整轴向楔形永磁体位置时的电机称为“原始结构”，调整轴向楔形永磁体后的电机成为“变结构1”和“变结构2”，其中，“变结构2”比“变结构1”具有更宽的左侧附加气隙II1201和右侧附加气隙II1202，图7为发明一种具有轴向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机在原始结构、变结构1、变结构2时气隙磁密的变化。

附图7中，在“变结构1”电机中，气隙磁密峰值降低了约58％，在“变结构2”电机中，气隙磁密峰值降低了约88％，可以看出该实施例依然具有较大的气隙磁密调节范围。需要说明的是，沿着轴向看，具有轴向楔形永磁体的可变结构磁通切换电机是一种轴向非对称结构，即不同轴向位置的气隙磁密是不同的，气隙磁密的变化程度也是不同的，附图7为其中一处的气隙磁密，其他位置处的气隙磁密都可以通过磁路法、有限元法等方法准确获得，该结果依然证明了该发明具有宽范围、灵活调节励磁磁场/气隙磁场的典型优势。

以上所述仅为本发明的两种实施例，再具体来说，实施例一中的电机具有12个定子齿、10个转子齿、12个永磁体，实施例二中的电机具有6个定子齿、5个转子齿、6个永磁体。但是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、改进等，比如将实施例中的定子齿、转子齿、永磁体个数修改为其他数目，或者是将定子、转子、永磁体修改为其他形状，但只要是通过引入附加气隙以实现励磁磁场/气磁磁场的调节，均应包含在本发明的保护范围内。在描述本发明时，术语“左”、“右”、“前”、“后”等指示方位或位置关系，仅仅是为了更清晰地描述本发明，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须是具有特定的方位，不能理解是对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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。