一种转子模块化电机

1.本发明属于电机领域，尤其是涉及一种转子模块化电机。


背景技术：

2.永磁电机具有控制性能好、动态响应快、效率高等优点，已在电动汽车、多电飞机、加工装备等领域获得了广泛应用。为了提升系统的总体性能，永磁电机不仅需要在低转速下输出大转矩，而且需要具备在高转速下运行的能力。实现大转矩输出的常用方法是提高电机的磁负荷，即增大永磁磁链，但是这会导致高转速时的电机绕组电压太大，超过电源限制，使得电机无法运行。
3.目前解决大转矩和高转速矛盾的主流方法是改进永磁电机的控制算法。当电机低速运行时，采用最大转矩电流比的控制策略，使电机输出大转矩；当电机高速运行时，采用弱磁控制策略，使部分电流产生的电枢磁场和永磁磁场方向相反，从而降低电机的磁场，达到抑制绕组电压的目的。上述方法的主要问题在于，产生弱磁作用的电流无法产生输出转矩，但会产生损耗，降低电机在高速运行时的效率。此外，当绕组或变流器发生故障时，弱磁电流消失，而永磁磁场依旧存在，这将导致绕组电压瞬间大幅上升，存在进一步损毁电机或控制设备的风险。另一方面，弱磁电流产生的弱磁效果和电机绕组电感紧密相关，绕组电感越大，弱磁效果越好。
4.在现有改进后的电机设计方案中，采用由导磁材料制成的调磁块来调节永磁磁场，以解决上述问题。如公开号为cn106787307a的中国专利公开了一种转子调磁型磁通切换电机，包括定子和转子，定子和转子均采用凸极结构，转子包括转子磁极模块、隔磁块、调磁块和轴，转子磁极模块包括两块转子齿和一块永磁体，永磁体嵌入两块转子齿之间，永磁体切向充磁，且相邻所述永磁体充磁方向一致，相邻转子磁极模块之间嵌入隔磁块。
5.上述转子调磁型磁通切换电机的永磁体和转轴之间存在环形调磁气隙，环形调磁气隙内嵌入调磁块，调磁块的尺寸小于环形调磁气隙的尺寸。当电机转速升高时，调磁块在环形调磁气隙中沿圆周方向滑动，使部分永磁磁路通过调磁块闭合，在无需弱磁电流的情况下达到部分减弱电机磁场的效果。然而，上述调磁块无法跟随电机转速在环形调磁气隙中自主滑动，并且受惯性的影响，电机在加速和减速的过程中，调磁块均会受到外力干扰。因此，需要采用电磁铁等额外的控制装置才能实现对上述调磁块的位置控制，但调磁块位于高速旋转的电机转子上，需要通过电刷、滑环等转换机构方能与控制装置连接，而电刷和滑环会影响电机的运行寿命和可靠性。另一方面，上述转子调磁型磁通切换电机的相邻转子齿均被永磁体、气隙和隔磁块分开，电枢磁路的磁阻大，导致绕组电感小，无法通过弱磁电流进一步提升电机的运行转速。
6.在现有方案中，调磁模块的自主滑动可通过弹簧实现。如公开号为cn101702543a的中国专利公开了一种能自动弱磁的盘式永磁电机转子，将永磁体和弹簧相连接，以实现不同转速下永磁体位置的自主移动。又如公开号为cn106489230a的中国专利公开了一种具有可移动的磁通量引导件的电动发电机，将导磁块和弹簧相连接，高转速下导磁块受离心
效应自主和永磁体接触，短路部分永磁体磁通，达到弱磁的目的。
7.然而，在上述技术通过弹簧自主滑动调磁模块的方案中，具有以下缺陷：(1)当电机转速变化过快(如短路故障、快速启停等)或弹簧失效时，永磁体存在撞击风险，而永磁体本身材质较脆，容易因此而碎裂，导致整个电机转子报废。(2)在上述技术方案中，永磁体、导磁块和调磁模块运动的滑道处于同一切向位置，导致永磁体、导磁块和滑道之间存在空间竞争关系，三者长度之和为常数。此时若减小永磁体长度，则会降低电机磁链，导致低转速下输出转矩减小；若减小导磁块或滑道长度，则会降低弱磁能力，导致电机的最高运行转速下降。(3)现有技术方案未涉及绕组电感跟随电机转速自主调整的需求。在上述针对永磁磁场的调节方法中，一部分技术方案仅调节永磁体在空气滑道中的位置，而永磁体和空气的磁导率类似，故无法以此调节绕组电感；另一部分技术方案的导磁块虽然理论上存在为电枢磁场提供磁路的可能，但是这些结构的导磁块尺寸受限，和转子铁芯的接触范围过小，导致磁路的磁阻较大，无法起到调节绕组电感的作用。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状提出一种无需额外的控制装置就能实现电机永磁磁场和绕组电感跟随电机转速自主调节的转子模块化电机。
9.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种转子模块化电机，包括定子以及设置在定子内部的转子，所述定子与转子之间存在气隙；所述转子包括位于其中心的转轴，其特征在于：所述转子还包括分布在转轴外的多个转子模块和多个自调磁模块；所述转子模块整体呈扇环形结构，相邻所述转子模块之间存在长方形间隙，每个所述转子模块均包括转子铁芯以及嵌设于转子铁芯内的永磁体，所述永磁体切向充磁，且所有所述永磁体的充磁方向均相同；所述自调磁模块位于所述间隙中，所述自调磁模块包括由导磁材料制成的弱磁部和由弹性件制成的调节部，所述弱磁部和转轴由所述调节部连接。
10.为了引导自调磁模块在间隙内的自主移动，本发明的进一步改进为，所述自调磁模块还包括由不导磁材料制成的引导部，所述引导部设于靠近所述气隙的一端，所述引导部靠近所述转轴的一端与弱磁部连接。同时，在电机低转速的情况下，仅不导磁的引导部和转子铁芯接触，不会影响原有的永磁磁场和电枢磁场。
11.本发明的进一步改进为，所述转轴的外表面与长方形间隙相对应的位置，均设有向内凹陷的安装凹槽，所述调节部的内侧与安装凹槽的底部连接，所述调节部的外侧则与弱磁部连接；当转轴转速低于设计阈值时，调节部和弱磁部位于安装凹槽，仅不导磁的引导部与和转子铁芯接触，自调磁模块不影响电机的磁路；当转轴转速高于设计阈值时，受离心效应影响，调节部自主伸长，此时导磁的弱磁部进入长方形间隙内并与转子铁芯接触，永磁磁通通过弱磁部和转子铁芯在转子上形成闭环路径。
12.本发明的进一步改进为，每个所述转子模块中的转子铁芯均包括两块呈扇环形的转子铁芯，所述永磁体嵌夹设于两块转子铁芯之间；所述永磁体靠近所述气隙一侧存在连通相邻两块转子铁芯的导磁桥。当电机高速运行时，永磁磁通被自调磁模块分流，导磁桥的磁场饱和程度下降，可以为电枢磁场提供额外的磁通路径，增大绕组电感，增强弱磁电流对电机磁场的调节能力，进一步提升电机的运行转速。同时，导磁桥还具有固定永磁体位置的作用，可以避免永磁体因离心效应而产生位移。
13.本发明的进一步改进为，所述转子模块的数量设为α，所述自调磁模块的数量设为β，满足：α＝β，即所述转子模块和自调磁模块沿周向交替布置。当转子模块和自调磁模块的数量相同时，绝大部分永磁体磁通可通过转子铁芯和自调磁模块形成闭环，不再进入定子铁芯和电枢绕组匝链，可显著降低绕组电压，提升电机的最高运行转速。
14.本发明的进一步改进为，所述转子模块的数量设为α，所述自调磁模块的数量设为β，满足：α可被α-β整除且α-β》1，相邻α
÷
(α-β)个转子模块标记为一组，所有所述转子模块被平均分为α-β组，每组所述转子模块包含β
÷
(α-β)个所述自调磁模块。当电机高速运行时，每组转子模块内部通过自调磁模块形成连通的磁通路径，而不同组转子模块之间依旧磁路不连通，此时虽然多数永磁磁通依旧可以进入定子铁芯和电枢绕组匝链，但是电机的极对数变为原来的α
÷
(α-β)分之一，导致绕组系数大幅降低，不同电枢线圈内的部分磁链被相互抵消，达到降低绕组电压的目的，可提升电机的最高运行转速。
15.本发明的进一步改进为，所述转子铁芯靠近所述间隙一侧延伸出限位部，所述限位部的位置靠近所述气隙。该限位部可以起到保护作用，避免自调磁模块因弹簧失效而进入电机气隙。
16.本发明的进一步改进为，所述转子铁芯靠近所述转轴一侧延伸出卡接部，所述转轴设有对应卡槽，所述转子铁芯和转轴形成卡扣结构。该卡扣结构用于加强转子模块和转轴之间的连接，可以提高转子的机械强度。
17.本发明的进一步改进为，所述定子包括电枢绕组和定子铁芯，所述电枢绕组位于由定子铁芯构成的定子槽内，所述电枢绕组为单层分布绕组；所述定子铁芯存在齿尖。为了提升整数槽电机的绕组系数，宜采用分布绕组。同时，单层绕组的布置形式可以使各个电枢线圈均被定子铁芯隔开，有助于提高电机的容错性。每个线圈和其余线圈在端部仅交叉两次，有助于减少绕组端部长度，降低铜用量，减少绕组铜耗，提升电机效率。齿尖为电枢磁场提供额外的磁通路径，有助于增大绕组电感，提升弱磁电流的磁场调节能力，提高电机的运行转速。
18.本发明的进一步改进为，所述定子槽数设为s，所述永磁体数设为n，绕组相数设为m，满足：s＝2knm，其中k为正整数。将电机的等效极数设为p，由于本发明中所有永磁体的充磁方向均相同，因此满足：p＝2n。当s＝2knm时，即s＝kpm，电机为整数槽结构，由电枢绕组产生的畸变磁动势谐波含量少，所造成的损耗小，电机的效率高。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.(1)本发明中的自调磁模块采用机械弱磁部进行弱磁，利用离心效应和弹性件，弱磁部可在转子模块之间的间隙中自主径向移动，无需额外的控制装置；
21.(2)弱磁部可为电枢磁场提供新的磁通路径，降低电枢磁路的磁阻，起到自主增大绕组电感的效果，有助于增强弱磁电流对电机磁场的调节能力，进一步提升电机的运行转速；
22.(3)弱磁部和永磁体不存在空间竞争关系，因此可以同时采用大尺寸永磁体和大尺寸弱磁部，其中大尺寸永磁体可以增加低转速下的输出转矩，而大尺寸弱磁部可以提高高转速下的永磁磁场和绕组电感调节效果；
23.(4)永磁体和自调磁模块不存在直接的物理接触，避免了因电机转速变化过快或弹簧失效而导致的永磁体撞击风险，提高了电机的可靠性；
24.(5)自调磁模块数量的选择更加灵活，不再需要和永磁体数量相同，通过改变自调磁模块的数量，可以灵活调整电机的极对数，达到弱磁的目的。
25.综上所述，本发明实现了电机永磁磁场和绕组电感跟随电机转速自主调节的目标。在低转速下，电机呈现大磁链、小电感的特性，即高输出转矩和高功率因数；在高转速下，电机呈现小磁链、大电感的特性，即高弱磁能力和高运行转速。
附图说明
26.图1为本发明实施例在低转速运行时的截面示意图；
27.图2为本发明实施例在高转速运行时的截面示意图；
28.图3为本发明实施例转子模块数量和自调磁模块数量不相等时的截面示意图；
29.图4为本发明实施例相邻转子模块间隙中存在限位部时的截面示意图；
30.图5为本发明实施例转子铁芯和转轴设有卡扣结构时的截面示意图。
具体实施方式
31.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
32.如图1～图5所示，为本发明的优选实施例。
33.实施例一
34.一种转子模块化电机，如图1所示，包括定子以及设置在定子内部的转子，定子与转子之间存在气隙3。定子包括电枢绕组11和定子铁芯12，电枢绕组11位于由定子铁芯12构成的定子槽13内，电枢绕组11为单层分布绕组；定子铁芯12靠近气隙3位置设置有齿尖121。转子包括位于其中心的转轴21以及分布在转轴21外的多个转子模块22和多个自调磁模块23；转子模块22整体呈扇环形结构，每个转子模块22中的转子铁芯221均包括两块呈扇环形的转子铁芯221，永磁体222嵌夹设于两块转子铁芯221之间，永磁体222切向充磁，且所有永磁体222的充磁方向均相同。永磁体222靠近气隙3一侧存在连通相邻两块转子铁芯221的导磁桥225，每个转子模块22内的永磁磁通路径及方向如图1中箭头所示。自调磁模块23位于相邻转子模块22之间的间隙24中，自调磁模块23由引导部233、弱磁部231和调节部232构成；引导部233位于自调磁模块23靠近气隙3的一端，由不导磁材料制成；弱磁部231与引导部233靠近转轴21的一端相连，由导磁材料制成；调节部232位于自调磁模块23靠近转轴21的一端，用于连接弱磁部231和转轴21，由弹簧制成。
35.转子模块22数量α＝4，自调磁模块23数量β＝4，即α＝β，转子模块22和自调磁模块23沿周向交替布置。当电机低转速运行时，弹簧长度短，仅不导磁的引导部233和转子铁芯221接触，故不会影响电机的磁路，此时绕组反电动势系数为27.5v/krpm，绕组相电感为15.9mh；当电机高转速运行时，受离心效应影响，弹簧自主伸长，如图2所示，导磁的弱磁部231和转子铁芯221接触，永磁磁通可通过弱磁部231和转子铁芯221在转子上形成如图2中箭头所示的闭环路径，即大部分永磁磁通不会进入定子铁芯12和电枢绕组11匝链，达到降低绕组电压的效果，此时绕组反电动势系数为1.7v/krpm，相比低转速情况降低94％。同时，高转速时弱磁部231也为电枢磁场提供了新的磁通路径，降低了电枢磁路的磁阻，达到增大绕组电感的效果，此时绕组相电感为17.5mh，相比低转速情况提高10％，有助于增强弱磁电流对电机磁场的调节能力，可以进一步提升电机的运行转速。
36.定子槽13数s＝24，永磁体222数n＝4，绕组相数m＝3，由于所有永磁体222的充磁方向均相同，故电机的等效极数p＝2n＝8，则满足s＝kpm，其中k＝1。即电机为整数槽结构，由电枢绕组11产生的畸变磁动势谐波含量少，所造成的损耗小，电机的效率高。电枢绕组11为单层分布绕组，分布绕组的设计可以提高整数槽电机的绕组系数，而单层绕组的设计可以使各线圈之间物理隔离，提高电机的可靠性。同时，相比于双层分布绕组，单层分布绕组的每个线圈在端部仅和其余线圈交叠2次，有利于降低绕组端部长度，降低铜用量，减少绕组铜耗，提升电机效率。定子铁芯12存在齿尖121，为电枢磁场提供了新的磁通路径，相比无齿尖设计，可提升绕组电感30％，有助于增强弱磁电流对电机磁场的调节能力，便于进一步提升电机转速。
37.实施例二
38.与实施例一不同的是，自调磁模块23数量β＝2，则α-β＝2，α
÷
(α-β)＝2，β
÷
(α-β)＝1，相邻2个转子模块22被标记为一组，所有转子模块22被平均分为2组，每组转子模块22包含1个自调磁模块23，参见图3所示。当电机高转速运行时，如图中箭头所示，弱磁部231为每组内部的转子模块22提供磁通路径，电机的等效极数p变为原来的二分之一，即p＝4，使得绕组系数下降，不同电枢线圈内的部分磁链被相互抵消，绕组反电动势系数为19.2v/krpm，相比低转速情况降低30％。
39.实施例三
40.与实施例一不同的是，相邻转子模块22之间的间隙24中存在由转子铁芯221延伸而来的限位部223，限位部223的位置靠近气隙3，参见图4所示。该限位部223用于限制自调磁模块23的最大位移，避免自调磁模块23因弹簧失效而进入气隙3，损坏电机。
41.实施例四
42.与实施例一不同的是，转子铁芯221靠近转轴21一侧延伸出卡接部224，转轴21设有对应卡槽，转子铁芯221和转轴21形成卡扣结构，参见图5所示。该卡扣结构用于加强转子模块22和转轴21之间的连接，可以提高转子的机械强度，保障电机的稳定运行。