一种自动无级变功调速电机及其调速方法与流程

1.本发明涉及永磁同步电机领域，具体涉及一种自动无级变功调速电机及其调速方法。


背景技术：

2.随着科学技术的飞速发展和研究的不断深入，尤其是信息数字时代的到来，迫切需要电驱动系统向大功率、高效率、宽速域、高转矩、高性能体积比等方向发展，从国际科技发展趋势看，在工业控制、家用电器和交通运输等国民经济主要领域中，高效、节能变频驱动是一个重要的发展方向。
3.随着变频技术的日趋完善，永磁同步电机和变频控制技术实现了机电一体化，使永磁同步电机驱动系统的优势已越来越明显。特别是稀土永磁同步电机结合我国稀土元素丰富的特点，采用高性能稀土永磁材料为同步电机产生励磁磁场，使电机的运行效率和功率因数大幅度提高。并且该驱动系统调速精度高，调速比大，输出特性好，运转平稳。此外，系统还具有恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定，在某些机械传动中去掉减速器，这无疑给整个机械制造带来一场新的革命。
4.但是，由于永磁同步电机采用永磁体励磁，磁场恒定，永磁体励磁强度也就不可调节，在基速以上的恒功率运行区域，随着转速升高，由于供电电压的限制及电流控制器的饱和影响，严重损害永磁同步电机(pmsm)的电磁转矩性能，因而无法运行到较高的转速和在高速下做恒功率运行，这严重限制了pmsm的应用范围。
5.针对调节永磁电机气隙磁场以实现等功率变速的技术研发成为热点之一。现有技术中，从电控入手的有矢量变频和直接转矩控制，而从电机着手的有磁电混合励磁、双转子组合励磁、调节磁路和漏磁等方案。这些已知技术方案各有特点，电控方式可实现复杂的柔性的程序控制，但它只能从外部控制电机输入端的电参数如频率相位波形等，主要采用直轴电流分量id弱磁，功率因素不高，需要功率容量大的控制器，用于永磁同步电机中成本很高。因此，充要分发挥永磁同步电机驱动系统高效率的特长，在现有基础上需进一步拓宽其调速范围、提高基速以上区域系统的运行效率是电机驱动系统的重要研究方向。在此基础之上，现有技术中也出现了基于调磁弱磁的方式来扩大调速范围的技术，然而在实际运行时却始终存在调磁难度大、效果不理想的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种自动无级变功调速电机及其调速方法，以解决现有技术中永磁同步电机的调磁难度大、调速效果不理想等问题，实现对轴向磁通进行径向脱离调磁，来拓宽永磁同步电机的变功调速范围，提高高速区域系统的运行效率的目的。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.一种自动无级变功调速电机，包括机壳、位于机壳内的定子组件和转子组件、与所述转子组件相连的主轴；所述定子组件包括定子铁芯、定子线圈，所述转子组件包括转子、
转子铁芯、转子磁铁；
9.所述定子组件、转子组件沿主轴轴向分布；
10.所述转子铁芯沿径向滑动配合在转子面向定子组件所在方向的端面上；
11.还包括设置在转子铁芯内径端的径向离合装置、设置在转子铁芯外径端的空气阻尼离心装置；所述径向离合装置用于控制转子铁芯沿径向的分离和接合，所述空气阻尼离心装置用于在转子铁芯径向向外滑动时提供阻尼；
12.当所述径向离合装置接合时，所述转子铁芯和定子铁芯轴向正对。
13.针对现有技术中永磁同步电机的调磁难度大、调速效果不理想等问题，本案发明人在大量研究过程中发现，其重要原因之一是在于现有技术普遍存在调磁方向与磁通方向一致的问题，如对于轴向磁通在轴向上进行移动调磁或对于径向磁通在径向上进行移动调磁，而在强磁场作用下，定子与转子之间的磁吸力是极大的，因此导致了这种调磁难度极大、效果十分不明显。基于上述研究，本技术首先提出一种自动无级变功调速电机，其中定子组件和转子组件均位于电机的机壳内，电机的主轴与转子组件相连，且其中定子铁芯、定子线圈、转子、转子铁芯、转子磁铁等均为现有技术，在此不做赘述。
14.本技术中的定子组件和转子组件，沿主轴的轴向进行分布，因此定子组件和转子组件是以端面相对的状态进行布局。本技术将转子铁芯滑动配合在转子朝向定子组件的端面上，且使得转子铁芯的滑动方向为沿转子端面的径向方向，并且在该端面设置径向离合装置、空气阻尼离心装置。其中径向离合装置位于转子铁芯的内径侧，顾名思义其功能是用于控制转子铁芯沿径向的分离和接合，当径向离合装置接合时，钻子铁芯无法沿径向向外滑动，此时转子铁芯和定子铁芯轴向正对，转子铁芯上的转子磁铁与定子之间的磁场强度最大。当转子高速旋转时，在离心力的作用下使得径向离合装置分离、解除对转子铁芯的限制，使得转子铁芯沿径向向外滑动，使得转子磁铁与定子之间的磁场强度逐渐减弱，实现了电机高速运转下的弱磁自动变功调速功能。此外，在转子铁芯径向向外滑动的过程中，由空气阻尼离心装置提供阻尼，利用空气阻尼对向外滑动的转子铁芯进行缓冲，以避免转子铁芯的过快移动，保证电机变功调速过程的平稳性。可以看出，本技术采用了轴向磁通、径向脱离的调速方式，使得调磁方向与磁通方向呈垂直错开状态，因此相较于现有技术中调磁方向与磁通方向一致的做法而言，能够显著降低调磁的移动难度，巧妙的利用离心力即可实现电机高速运转下的弱磁自动变功调速功能，且该离心力甚至不需要很大即可实现，有利于永磁同步电机的小型化发展。
15.其中径向离合装置的具体的离合方式在此不做限定，本领域技术人员在现有技术中能够实现的离合方式均可适用。此外，空气阻尼离心装置的具体缓冲方式在此同样不做限定，本领域技术人员在现有技术中能够实现的、通过空气阻力来提供阻尼的方式均可适用。
16.进一步的，所述径向离合装置包括沿转子铁芯滑动方向分布的第一磁性件、第二磁性件，所述第一磁性件与转子相对固定，所述第二磁性件与转子铁芯相对固定，所述第一磁性件与第二磁性件磁性相吸；还包括连接在第一磁性件与第二磁性件之间的弹性件；所述第一磁性件位于第二磁性件径向向内的一侧。
17.第一磁性件和第二磁性件之间通过弹性件连接。其中第一磁性件与转子相对固定，因此第一磁性件随转子进行同步转动，但不会相对转子进行滑动或移动；第二磁性件与
转子铁芯相对固定，因此第二磁性件不仅会与转子铁芯一起随转子进行转动，还会随转子铁芯共同进行滑动。本技术中第一磁性件与第二磁性件磁性相吸，因此在静止状态或低速转动时，由两者的吸力使得第二磁性件径向向内与第一磁性件处于吸合状态；当转子组件高速转动时，由于离心力增大，当离心力大于第一磁性件和第二磁性件之间的磁吸力时，在离心作用下转子铁芯径向向外运动，使得转子和定子之间的磁场强度逐渐减弱，实现了电机高速运转下的弱磁自动变功调速功能。此外，当转子转速降低后，在弹性件的弹性复位力作用下，转子铁芯与第二磁性件共同径向向内滑动，直至第二磁性件再次被第一磁性件所吸附住实现复位。
18.本技术巧妙的利用电机转动时候的离心力来调节电机的磁场强度，达到控制电机高速运转下的弱磁目的，从而实现了电机的自动无级变功调速功能。并且本技术中由于第一磁性件和第二磁性件的作用，转子铁芯向外运动首先需要克服磁吸力，即等于为电机的自动无级变功调速提供了一个开启力，该开启力可等效于在对应转速下才能够开始工作，以此确保了只有在转速达到设定阈值时才会启动该功能。
19.此外，第一磁性件与转子的相对固定方式、第二磁性件与转子铁芯的相对固定方式，以及弹性件与两个磁性件之间的连接方式在此不做限定。
20.进一步的，所述第一磁性件与第二磁性件均为凹型件，且所述第一磁性件与第二磁性件的凹面相互正对；所述弹性件的两端分别连接在第一磁性件的凹型内部、第二磁性件的凹型内部。通过第一磁性件与第二磁性件的凹型结构，能够为弹性件提供的两端提供稳定的安装工位，提高本技术径向离合装置的稳定性和装配方便性。
21.进一步的，所述第一磁性件、第二磁性件均为永磁体；所述弹性件为拉簧，以保证在转速降低后的自动复位。
22.进一步的，所述第一磁性件和/或第二磁性件朝向定子线圈所在方向的一侧设置阻磁件，通过阻磁件阻隔第一磁性件和/或第二磁性件的磁场，避免对定子铁芯、定子线圈造成干扰。
23.进一步的，所述空气阻尼离心装置包括位于转子铁芯径向外侧的阻尼气缸、位于阻尼气缸内的活塞，所述活塞与转子铁芯固定连接，所述阻尼气缸上开设进气孔、出气孔。
24.本方案中，由于转子铁芯与阻尼气缸的活塞连接，因此当转子铁芯沿径向向外运动时，能够推推动该活塞同步向外运动，阻尼气缸中的空气从出气孔处排出，利用空气阻力实现对转子铁芯提供阻尼的效果：由于空气的阻力存在，活塞无法在缸内快速移动，因此使得转子铁芯也无法快速的径向向外滑动，从而实现了缓冲效果。
25.进一步的，所述进气孔处设置单向阀，所述单向阀朝向进入阻尼气缸内部的方向导通。进气孔为阻尼气缸的进气通道，当活塞在阻尼气缸内向内收缩时，空气可由进气孔自动进入阻尼气缸。单向阀只能够允许外部空气通过进气孔进入阻尼气缸，而阻尼气缸内的空气无法通过进气孔排出，以此保证阻尼气缸内的空气必须通过出气孔排出，保证稳定提供阻尼缓冲的效果。
26.进一步的，还包括与所述活塞固定连接的配重块。通过配重块的设置可增加本技术中离心部件的重量(即转子铁芯、活塞等受离心力作用进行运动的部件的总重量)，可减小离心部件的体积，进而减小整个电机的体积。此外，由于配重块具有较大质量，其离心力较大，在转子高速旋转时配重块径向向外运动，还能够拉动转子铁芯运动，更加保证自动弱
磁变功功能的稳定实现。
27.进一步的，所述转子固定套设在转子支架上，所述转子支架上开设用于主轴穿过的轴孔；主轴与转子支架固定连接，主轴与机壳之间通过轴承连接。
28.基于前述自动无级变功调速电机的调速方法，包括：
29.当电机未启动时，所述径向离合装置接合，所述转子铁芯和定子铁芯轴向正对；
30.当转子组件的转速低于或等于设定阈值时，径向离合装置保持接合，转子铁芯保持径向位置不变；
31.当转子组件的转速高于设定阈值时，所述径向离合装置分离，转子铁芯在离心力作用下径向向外滑动，同时由空气阻尼离心装置为转子铁芯提供阻尼缓冲。
32.本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：
33.1、本发明一种自动无级变功调速电机及其调速方法，采用了轴向磁通、径向脱离的调速方式，使得调磁方向与磁通方向呈垂直错开状态，因此相较于现有技术中调磁方向与磁通方向一致的做法而言，能够显著降低调磁的移动难度，巧妙的利用离心力即可实现电机高速运转下的弱磁自动变功调速功能；并且本技术有利于永磁同步电机的小型化发展。
34.2、本发明一种自动无级变功调速电机及其调速方法，由于第一磁性件和第二磁性件的作用，转子铁芯径向向外运动首先需要克服磁吸力，即等于为电机的自动无级变功调速提供了一个开启力，该开启力可等效于在对应转速下才能够开始工作，以此确保了只有在转速达到设定阈值时才会启动该功能。
35.3、本发明一种自动无级变功调速电机及其调速方法，当转子铁芯沿径向向外运动时，能够推推动活塞同步向外运动，利用空气阻力实现对转子铁芯提供阻尼的缓冲效果；并且能够通过配重块进一步减小电机的体积。
附图说明
36.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
37.图1为本发明具体实施例的剖视图；
38.图2为本发明具体实施例中定子组件的端面示意图；
39.图3为本发明具体实施例中定子组件的端面示意图。
40.附图中标记及对应的零部件名称：
41.1-转子，2-转子铁芯，3-第一磁性件，4-第二磁性件，5-弹性件，6-转子磁铁，7-转子支架，8-滑板，9-阻尼气缸，10-活塞，11-进气孔，12-出气孔，13-单向阀，14-配重块，15-防撞垫，16-机壳，17-主轴，18-定子铁芯，19-定子线圈，20-阻磁件，21-轴承，22-定子支架。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
43.实施例1：
44.如图1所示的一种自动无级变功调速电机，包括机壳16、位于机壳16内的定子组件和转子组件、与所述转子组件相连的主轴17；所述定子组件包括定子铁芯18、定子线圈19，所述转子组件包括转子1、转子铁芯2、转子磁铁6；
45.所述定子组件、转子组件沿主轴17轴向分布；
46.所述转子铁芯2沿径向滑动配合在转子1面向定子组件所在方向的端面上；
47.还包括设置在转子铁芯2内径端的径向离合装置、设置在转子铁芯2外径端的空气阻尼离心装置；所述径向离合装置用于控制转子铁芯2沿径向的分离和接合，所述空气阻尼离心装置用于在转子铁芯2径向向外滑动时提供阻尼；
48.当所述径向离合装置接合时，所述转子铁芯2和定子铁芯18轴向正对。
49.如图1所示，本实施例中转子1固定套设在转子支架7上，转子支架7上开设用于主轴17穿过的轴孔；主轴17与转子支架7固定连接，主轴17与机壳16之间通过轴承21连接。还包括用于安装定子组件的定子支架22。
50.优选的，转子支架7为石墨碳纤维支架。
51.优选的，转子铁芯与定子相对的端面上环形分布有若干个作为转子磁铁6的永磁体，永磁体与定子之间轴向间隙配合。
52.本实施例工作过程包括：
53.当电机未启动时，所述径向离合装置接合，所述转子铁芯2和定子铁芯18轴向正对；
54.当转子组件的转速低于或等于设定阈值时，径向离合装置保持接合，转子铁芯2保持径向位置不变；
55.当转子组件的转速高于设定阈值时，所述径向离合装置分离，转子铁芯2在离心力作用下径向向外滑动，同时由空气阻尼离心装置为转子铁芯2提供阻尼缓冲。
56.实施例2：
57.一种自动无级变功调速电机，在实施例1的基础上，所述径向离合装置包括沿转子铁芯2滑动方向分布的第一磁性件3、第二磁性件4，所述第一磁性件3与转子1相对固定，所述第二磁性件4与转子铁芯2相对固定，所述第一磁性件3与第二磁性件4磁性相吸；还包括连接在第一磁性件3与第二磁性件4之间的弹性件5。其中所述第一磁性件3位于第二磁性件4径向向内的一侧。
58.本实施例在静止状态或低速转动时如图2所示；当转子高速转动时，如图3所示，在离心作用下转子铁芯径向向外运动，使得转子磁铁和定子铁芯之间的磁场强度减弱，实现了电机高速运转下的弱磁自动变功调速功能。
59.优选的，第一磁性件3与第二磁性件4均为凹型件，且所述第一磁性件3与第二磁性件4的凹面相互正对。所述弹性件5的两端分别连接在第一磁性件3的凹型内部、第二磁性件4的凹型内部。
60.优选的，所述第一磁性件3、第二磁性件4均为永磁体。所述转子1端面设置供转子铁芯2滑动的滑板8，所述转子铁芯2滑动配合在滑板8上，通过滑板为转子铁芯提供滑动导向。
61.优选的，所述转子1的端面上环形均布4个转子铁芯2。所述第一磁性件3与转子支架7固定连接。
62.优选的，所述弹性件5为拉簧。
63.优选的，还在第一磁性件和/或第二磁性件朝向定子线圈所在方向的一侧设置阻磁件20，通过阻磁件阻隔第一磁性件和/或第二磁性件的磁场，避免对定子铁芯、定子线圈造成干扰。
64.优选的，所述阻磁件20为阻磁挡板。
65.实施例3：
66.一种自动无级变功调速电机，在上述任一实施例的基础上，所述空气阻尼离心装置包括转子1、与所述转子1相匹配的转子铁芯2，所述转子铁芯2沿径向滑动配合在转子1的端面上；还包括设置在转子1端面上且位于转子铁芯2径向外侧的阻尼气缸9、位于阻尼气缸9内的活塞10，所述活塞10与转子铁芯2固定连接，所述阻尼气缸9上开设进气孔11、出气孔12。所述进气孔11处设置单向阀13，所述单向阀13朝向进入阻尼气缸9内部的方向导通。
67.如图1所示，本实施例还包括与所述活塞10固定连接的配重块14。所述配重块14固定在活塞10沿径向的外侧。还包括位于所述活塞10径向外侧方向的防撞垫15。
68.其中，活塞10与转子铁芯2之间通过活塞杆固定连接。活塞杆一端连接在转子铁芯2的外侧壁、另一端连接在活塞10的内侧壁。
69.本实施例的工作原理包括：
70.①
、静止状态下，空气阻尼离心装置未受到离心力的作用，空气阻尼离心装置不会对转子铁芯产生径向拉力，转子铁芯上的永磁体与定子之间的磁场强度最大。
71.②
、当转子低速旋转时，转子铁芯受到的空气阻尼离心装置的径向拉力和径向离合装置的吸力之和小于转子和定子之间的磁吸力，转子铁芯的径向位置不会发生变化，再加上电机采用转矩密度最高的表贴磁钢，电机具有最高的低速转矩。
72.③
、当转子高速旋转时，转子铁芯受到的空气阻尼离心装置的径向拉力增加，当空气阻尼离心装置的径向拉力大于磁吸力，转子铁芯开始径向远离转子支架移动，永磁体与定子之间的磁场强度逐渐减弱，实现了电机在高速运转下的弱磁调速性能，电机具有超大范围的变功调速区间。
73.④
、当电机减速时，空气阻尼离心装置的径向拉力不足以对抗磁吸力的时候，转子铁芯径向靠近转子支架向内移动，此时又变成了径向离合装置产生的拉力和空气阻尼离心装置产生的拉力的合力和磁吸力的对抗，直到转速降为零的时候，离心力消失，此时磁吸力大于径向离合装置拉力，转子铁芯回到原来位置。
74.优选的，本实施例还具有与配重块相匹配的、沿径向分布的滑动轨道，该滑动轨道可以是滑轨、滑槽、开口等，可实现对所有离心部件的运动方向的限位。
75.优选的，防撞垫安装在配重块上，且防撞垫和活塞分别位于配重块的两侧。
76.优选的，所述进气孔11的过流面积大于出气孔12的过流面积。
77.本实施例的有益效果包括：
78.1、当转子高速转动时，转子铁芯径向远离定子，转子铁芯上的永磁体和定子之间的磁场强度逐渐减弱，实现了电机高速运转下的弱磁自动变功调速功能；且该调节过程无需人为操作，也无需增设驱动结构，不需要弱磁电流的加入。
79.2、利用盘式电机的特点，巧妙的利用电机转动时候的离心力来调节电机的磁场强度，达到控制电机高速运转下的弱磁目的，从而实现了电机的自动无级变功调速功能。
80.3、电机结构采用了转矩密度最高的表贴磁钢方式，所以电机既有最高的低速转矩，又有超大范围的自动无级变功调速空间，不需要弱磁电流的加入，大幅降低了电机磁钢退磁的风险，提高了电机效率。
81.4、电机转速未达到设定转速时，径向离合装置处于吸合状态。当电机达到设定高速运转时，转子铁芯和配重块产生的离心力拉力开始增加，当离心拉力大于径向离合装置的磁吸吸力时，转子铁芯开始径向向外移动，随着转速的越来越高，距离越来越远，最终达到最高速度。当电机减速时，离心力拉力不足以对抗径向离合装置磁吸力的时候，离心力逐渐消失，转子铁芯径向向内移动，转子铁芯回到原来位置。
82.5、通过配重块的设置可增加离心件的重量，可适当减小离心件的体积，进而减小整个电机的体积。
83.6、为了避免电机扭矩突变时转子过快移动所产生冲击，设计了缓冲系统，缓冲系统包括阻尼气缸和配重活塞，配重活塞与转子铁芯相连，随转子一起运动，利用空气的阻尼，配重活塞在阻尼气缸中不能快速移动，从而实现缓冲作用。
84.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。
85.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。