一种混合励磁电机自适应轴向磁阻调节装置

1.本发明涉及电机领域，具体涉及一种混合励磁电机自适应轴向磁阻调节装置。


背景技术：

2.传统永磁电机具有功率密度高和效率高的优势，但其内部只存在单一永磁励磁源，磁通调节困难，导致宽转速高效运行范围窄；在永磁电机的基础上，其轴向引入电励磁绕组，可通过改变励磁线圈通入电流的大小调节电机主气隙磁通，拓宽电机的转速范围；电机在不同工况下对转速需求不同，通入励磁线圈中电流的大小需要根据转速要求不断的变化，但由于线圈自感的存在，线圈所感应出的轴向磁场的变化具有滞后性，难以快速地调节主气隙磁通；并且为满足轴向励磁电流不断变化的需求，需要额外的控制器，增加了电机控制难度及成本。


技术实现要素：

3.针对现有永磁电机轴向上增设的励磁线圈通入的电流变化时，轴向磁场调节具有滞后性以及电机控制难度增加的问题，本发明提出一种混合励磁电机自适应轴向磁阻调节装置，通入的励磁电流固定，根据转速的变化自动调节轴向磁阻，进而调节主气隙磁通。
4.本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：一种混合励磁电机自适应轴向磁阻调节装置，包括端盖和磁阻调节机构，所述端盖的一侧与机壳固定连接，所述端盖上设置有环形槽，所述环形槽内设置有励磁绕组，所述端盖上位于所述环形槽位置均布有空气流通孔，所述端盖与转子之间设置有导磁环，所述导磁环包括同圆心布置的s极导磁环和n极导磁环，所述s极导磁环和所述n极导磁环的一端均与所述转子固定连接，所述s极导磁环的另一端与所述端盖之间不存在轴向气隙，即所述s极导磁环与所述端盖接触连接，所述n极导磁环的另一端与所述端盖之间设置有轴向气隙，所以所述s极导磁环的轴向高度比所述n极导磁环的轴向高度高；所述轴向气隙内设置有所述磁阻调节机构，利用所述磁阻调节机构实现对主气隙磁通的调节。
5.所述n极导磁环上朝向所述n极导磁环中心点的一端设置有第一扇叶，每个所述第一扇叶均倾斜的设置在所述n极导磁环上，即所述第一扇叶与所述n极导磁环连接的一侧面的上下两端不在同一竖直线上，且所述第一扇叶的整体叶面相对所述第一扇叶的中心线成扭曲状。
6.或者将所述n极导磁环的爪极设置为第一扇叶，所述n极导磁环通过所述第一扇叶与所述转子连接，所述第一扇叶为曲面板，所述第一扇叶的底端的前半部分固定在导磁环的端面上，所述第一扇叶的顶端的前半部分与所述第一扇叶的底端前半部分在同一水平面上，且与所述转子固定连接，所述第一扇叶的后半部分向所述n极导磁环的中心点方向偏上方倾斜，成扭曲状。
7.所述磁阻调节机构包括磁阻调制块、转轴、滚珠螺母和轴承，所述磁阻调制块均布在所述轴向气隙内，所述环形槽外侧壁的内侧面上均布有与所述磁阻调制块一一对应的带
有通行孔的固定板，所述固定板的上端面超出所述环形槽外侧壁的上端面，且所述通行孔设置在所述固定板超出所述环形槽外侧壁上端面的位置处。
8.每个所述磁阻调制块上面向所述固定板的一侧均设置有带有所述轴承的轴承槽，所述滚珠螺母设置在所述固定板上远离所述磁阻调制块的一端，且所述滚珠螺母、通行孔和所述轴承的中心点均在同一条直线上，所述转轴的一端设置在所述轴承内，另一端穿过所述固定板上的所述通行孔和所述滚珠螺母后与挡板连接。
9.所述滚珠螺母包括同圆心设置的外环和内环，所述外环与所述内环之间设置有滚珠，所述外环与所述固定板固定连接，所述内环嵌套在所述转轴的圆周，所述内环能够相对所述外环圆周转动，所述内环上远离所述固定板的一端向外延伸有延伸环，所述延伸环的外侧面上均布有弧形扭曲状的第二扇叶。
10.所述转轴上远离所述磁阻调制块的一端穿过所述延伸环，且所述转轴上伸出所述延伸环的一侧端部设有所述挡板，所述挡板的外径尺寸大于所述延伸环的内径尺寸。
11.所述转轴上设置有大螺距的外螺纹，所述滚珠螺母的内环内侧以及所述延伸环的内侧设置有与所述外螺纹相配合的大螺距的内螺纹，在外力的作用下，所述转轴与所述滚珠螺母和所述延伸环之间通过所述外螺纹和所述内螺纹的相互配合能够相对运动，实现所述转轴的内移或外移，进而带动所述磁阻调制块内移或外移。
12.所述磁阻调制块为具有弧度的磁阻调制块，每两个所述磁阻调制块之间以及所述磁阻调制块与所述导磁环和所述端盖之间均是滑动密封连接，所有的所述磁阻调制块在所述轴向气隙时，围成一个与所述轴向气隙相一致的圆形密封环。
13.电机起动后，导磁环以及导磁环上的第一扇叶跟随转子一起转动，旋转的第一扇叶会不断地将所述转子侧的空气沿轴向挤向端盖侧，产生轴向的风，轴向的风吹向所述第二扇叶；第二扇叶在受到第一扇叶旋转带动轴向空气流动产生的冲击时，扭曲的叶片内外两个面会受到不平衡的力，随后第二扇叶将带动滚珠螺母的内环开始旋转，但由于所述滚珠螺母的外环固定在挡板上，所以滚珠螺母只能进行圆周空转（将此时旋转方向定义为正转），不会发生位移移动，再因为所述内环和所述延伸环内部的内螺纹与转轴上的外螺纹相配合，所以在所述滚珠螺母空转的过程中，转轴将受到一个向外的推力，能够使其水平向外移动，即当滚珠螺母上的第二扇叶受到轴向的风时，将带动滚珠螺母内环开始正转，与滚珠螺母内环螺纹连接的转轴将受到一个向外的推力；与所述转轴连接的所述磁阻调制块也受到同样向外的推力。
14.所述励磁线圈在通入电流后产生轴向磁场，其轴向磁通经端盖、n极导磁环、转子、定子和s极导磁环形成回路，当磁阻调制块受到轴向的风所产生的推力向外移动后，根据磁阻最小原则，轴向磁通为沿磁阻最小路径闭合，位于端盖与n极导磁环之间的磁阻调制块将受到向内的磁拉力；即轴向磁场使向外移动的磁阻调制块受到向内的磁拉力，与所述磁阻调制块连接的所述转轴也受到同样向内的磁拉力。
15.磁阻调制块受到向内的磁拉力通过转轴传递到滚珠螺母上，由于滚珠螺母的内环内侧以及延伸环的内侧与转轴表面都设有大螺距螺纹，转轴表面上的大螺距螺纹对滚珠螺母上的所述内环上的大螺距螺纹有一个螺纹之间的螺纹推力，在滚珠螺母的位置不能移动的条件下，此螺纹推力将带动滚珠螺母上的内环向与轴向的风带动内环旋转方向的反方向空转，那么磁阻调制块跟随着转轴一起水平同步向内移动。
16.当电机运行速度加快时，所述第一扇叶产生的风力变强，进而所述第二扇叶受到的轴向的风力增大，转速变快，所述转轴受到的向外的推力增大，当所述转轴上的向外的所述推力大于其受到的向内的所述磁拉力时，所述转轴带动所述磁阻调制块向外移动，此时轴向磁阻增大，主气隙磁通变弱；当转速稳定后，在磁阻调制块向外移动到磁拉力与推力处于动态平衡的位置时静止，达到与此时电机速度相匹配的最佳调制状态；磁阻调制块位于最外侧（磁阻调制块仍与轴向气隙有接触）时，轴向磁阻最大。
17.当电机运行速度减慢时，所述第一扇叶产生的风力变弱，进而所述第二扇叶受到的轴向的风力减小，转速变慢，所述转轴受到的向外的推力减小，当所述转轴上的向外的所述推力小于其受到的向内的所述磁拉力时，所述磁阻调制块带动所述转轴向内移动，此时轴向磁阻变小，主气隙磁通变强；当转速稳定后，在磁阻调制块向内移动到磁拉力与推力处于动态平衡的位置时静止，达到与此时电机速度相匹配的最佳调制状态，磁阻调制块位于最内侧（磁阻调制块与轴向气隙完全重合）时，此时轴向磁阻最小。
18.本发明的积极有益效果是：1、本发明中将通入励磁线圈的电流固定，通过轴向的风产生的推力和通过励磁线圈通电产生的磁拉力相互作用，实现磁阻调制块的内外移动，进而改变轴向磁阻的大小，方便通过轴向磁通来调节主气隙磁通；当电机加速运行时，推力大于磁拉力，转轴带动磁阻调制块外移，轴向磁阻增大，主气隙磁通变弱；当电机速度下降时，推力小于磁拉力时，转轴带动磁阻调制块内移，轴向磁阻减小，主气隙磁通变强；轴向磁通对主气隙磁通的调节作用跟随电机转速变化而变化，无滞后性，使电机变速时快速准确运行。
19.2、本发明中电机按不同速度运行时，在推力与磁拉力的共同作用下，自动调节磁阻调制块的位置，改变轴向磁阻，进而调节主气隙磁通，无需额外的励磁电流控制器，降低了电机控制难度及成本。
20.3、本发明中导磁环跟随转子转动时，其内侧第一扇叶产生的风使空气向端盖方向运动，当转速达到一定程度时，空气流动较快，励磁绕组线圈因持续工作产生的较高温度能较多和较快地通过快速流动的空气带走，空气的循环流动使励磁线圈散热效果增强。
21.4、本发明中固定板、转轴、滚珠螺母和第二扇叶相结合，第二扇叶旋转带动转轴旋转，滚珠螺母位移不移动，因转轴和滚珠螺母上内外螺纹的配合，转轴发生移动，磁阻调制块又和转轴固定连接，从而能够实现磁阻调制块的水平移动，且运动具有可逆性，摩擦阻力小，精度高。
附图说明
22.图1是本发明实施例1的结构爆炸图；图2是本发明实施例1的结构整体图；图3是图2中磁阻调制块完全位于轴向气隙内的结构示意图；图4是本发明中转轴和轴承、挡板、滚珠螺母和固定板之间的结构示意图；图5是本发明中励磁电流磁通路径（图中曲线）和转轴受到的磁拉力（f）的结构示意图；图6是本发明实施例2中第一扇叶与n极导磁环之间的结构示意图。
具体实施方式
23.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
24.本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。
25.需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
26.本发明实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
27.参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，图中：1-端盖，2-环形槽，3-空气流通孔，4-转子，5-s极导磁环，6-n极导磁环，7-永磁体，8-轴向气隙，9-第一扇叶，10-磁阻调制块，11-转轴，12-滚珠螺母，13-轴承，14-固定板，15-延伸环，16-外螺纹，17-挡板，18-第二扇叶，19-励磁绕组。实施例1：一种混合励磁电机自适应轴向磁阻调节装置，包括端盖1和磁阻调节机构，端盖1的一侧与机壳固定连接，端盖1上设置有环形槽2，环形槽2内设置有励磁绕组19，端盖1上位于环形槽2位置均布有四个空气流通孔3，端盖1与转子4之间设置有导磁环，端盖1与导磁环为上下同圆心设置。
28.导磁环包括同圆心布置的s极导磁环5和n极导磁环6，s极导磁环5和n极导磁环6的一端均与转子4固定连接，转子4上设置有永磁体7，永磁体7以切向式内置于转子4中，且n极s极交替排列，n极导磁环6的爪极对应放置于转子4上的n极区，与n极区固定连接；s极导磁环5的爪极对应放置于转子4上的s极区，与s极区固定连接。
29.s极导磁环5的另一端与端盖1之间不存在轴向气隙8，即s极导磁环5与端盖1接触连接，n极导磁环6的另一端与端盖1之间设置有轴向气隙8，所以s极导磁环5的轴向高度比n极导磁环6的轴向高度高。
30.n极导磁环6上面向n极导磁环6中心点的一端设置有第一扇叶9，每个第一扇叶9均倾斜的设置在n极导磁环6上，即第一扇叶9与n极导磁环6连接的一侧面的上下两端不在同一竖直线上，第一扇叶9的整体叶面相对第一扇叶9的中心线成45
°
倾斜。
31.轴向气隙8内设置有磁阻调节机构，利用磁阻调节机构改变轴向磁阻的大小，进而调节主气隙磁通。
32.磁阻调节机构包括磁阻调制块10、转轴11、滚珠螺母12和轴承13，磁阻调制块10均布在轴向气隙8内，磁阻调制块10设置有六个，每个磁阻调制块10的弧度为60度，每两个磁阻调制块10之间以及磁阻调制块10与导磁环和端盖1之间均是滑动密封连接。
33.环形槽2外侧壁的内侧面上均布有六个与磁阻调制块10一一对应的带有通行孔的固定板14，固定板14的上端面超出环形槽2外侧壁的上端面，且通行孔设置在固定板14超出环形槽2外侧壁上端面的位置处，以方便磁阻调制块10上的转轴11水平的通过通行孔。
34.每个磁阻调制块10上面向固定板14的一侧均设置有带有轴承13的轴承13槽，滚珠螺母12设置在固定板14上远离磁阻调制块10的一端，且滚珠螺母12、通行孔和轴承13的中心点均在同一条直线上。
35.滚珠螺母12包括同圆心设置的外环和内环，外环与内环之间设置有滚珠，固定外环，内环可转动，固定内环，外环可转动，本实施例中将外环上面向固定板14的一端与固定板14固定连接，内环嵌套在转轴11的圆周，且内环的外径小于通行孔的直径，内环能够相对外环圆周转动，内环上远离固定板14的一端向外延伸有延伸环15。
36.转轴11上设置有大螺距的外螺纹16，滚珠螺母12的内环内侧以及延伸环15的内侧设置有与外螺纹16相配合的大螺距的内螺纹。
37.转轴11的一端设置在轴承13内，另一端穿过固定板14上的通行孔和内环以及延伸环15后与挡板17连接，转轴11与通行孔内侧面不接触。
38.挡板17设置在转轴11的端部，与转轴11垂直设置，挡板17的外径尺寸大于延伸环15的内径尺寸，防止转轴11在转动的时候脱离滚珠螺母12。
39.在外力的作用下，转轴11与滚珠螺母12和延伸环15之间通过外螺纹16和内螺纹能够相对运动，实现转轴11的内移或外移，进而带动磁阻调制块10内移或外移。
40.延伸环15的外侧面上均布有弧形扭曲状的第二扇叶18。
41.电机起动后，导磁环以及导磁环上的第一扇叶9跟随转子4一起转动，如果此时磁拉力与推力达到动态平衡，那么此时磁阻调制装置静止。
42.当电机运行速度加快时，导磁环内侧的第一扇叶9产生的风力变强，进而延伸环15外侧面上的第二扇叶18受到的轴向的风力增大，转速变快，转轴11受到的向外的推力增大，当转轴11上的向外的推力大于磁阻调制块10受到的向内的磁拉力时，转轴11和磁阻调制块10向外移动，此时轴向磁阻变大，磁拉力增大，轴向磁通对主气隙磁通调节作用变差，主气隙磁通减弱；当转速稳定后，在磁阻调制块10向外移动到磁拉力与推力处于动态平衡的位置时静止，达到与此时电机速度相匹配的最佳调制状态；磁阻调制块10位于最外侧（磁阻调制块10仍与轴向气隙8有接触）时，轴向磁阻最大。
43.当电机运行速度减慢时，导磁环内侧的第一扇叶9产生的风力变弱，进而延伸环15外侧面上的第二扇叶18受到的轴向的风力减小，转速变慢，转轴11受到的向外的推力减小。当转轴11上的向外的推力小于其受到的向内的磁拉力时，磁阻调制块10带动转轴11向内移动，此时轴向磁阻变小，主气隙磁通增大；当转速稳定后，在磁阻调制块10向内移动到磁拉力与推力处于动态平衡的位置时静止，达到与此时电机速度相匹配的最佳调制状态；磁阻调制块10位于最内侧（磁阻调制块10与轴向气隙8完全重合）时，此时轴向磁阻最小。
44.轴向磁阻调节装置可设在电机转子4单侧或对应的设在其双侧，适用于永磁体7内置且ns极交替的转子4结构。
45.实施例2：与实施例1不同之处在于，n极导磁环6面向n极导磁环6中心点的一端没有设置第一扇叶9，第一扇叶9均布在n极导磁环6上远离磁阻调制块10的一端，取代n极导磁环6的爪极，由导磁材料制成，此时的第一扇叶9为曲面板，第一扇叶9的底端的前半部分固定在导磁环的端面上，第一扇叶9的顶端的前半部分与第一扇叶9的底端前半部分在同一水平面上，且与转子4固定连接，第一扇叶9的后半部分向n极导磁环6的中心点方向偏上方倾斜，成扭曲状；第一扇叶9的首部内侧面到转轴11中心点的距离大于n极导磁环6内侧面到转轴11中心点的距离；第一扇叶9的尾部内侧面到转轴11中心点的距离小于n极导磁环6内侧面到转轴11中心点的距离。
46.当第一扇叶9跟随转子4一起转动时，会产生离心力，第一扇叶9不断地将其下方转
子4侧的空气挤向端盖1侧，形成轴向的风。
47.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。