一种漏磁式机械变磁通永磁同步电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种漏磁式机械变磁通永磁同步电机，属于电机制造的技术领域。
【背景技术】
[0002]随着新能源与可再生能源综合利用和开发程度的不断提高，能否提供稳定的电能质量或较宽的电机调速范围逐渐成为决定能源转换效率的一个关键因素，而灵活调节的电机磁场是保证能源高效转换的重要技术手段之一。
[0003]磁通切换电机随着转子位置的变化，其磁通会自动切换路径，使穿过线圈的磁通极性与大小发生变化，从而产生交变的感应电动势，此类电机具有体积小、重量轻、工作可靠、冷却方便、高功率密度以及较高效率等优点，在电动汽车、风力发电、电梯驱动以及航空航天等领域得到广泛的应用。但此类电机的磁场基本恒定，在电机高速运行时，很难对磁场进行弱磁控制，制约其进一步发展。
[0004]机械调磁电机是实现电机磁场灵活调节的一类新型永磁电机，其特征为利用机械传动部件有规律的运动，以调节电机磁场强弱，改变绕组合成感应电动势大小，从而实现机、电、磁三者耦合的新型磁场调节方式。近年来，经过国内外专家学者的不断努力，相继提出了气隙调整式、转子调整式、离心式、漏磁式等多种拓扑结构的机械调磁永磁同步电机。研宄结果表明，现有的机械调磁永磁同步电机多数存在永磁体用量大，转子铁心利用率低及机械调整装置控制难度大等缺点。
[0005]设置漏磁磁路是变磁通永磁电机实现磁场调节的一种常见方式。然而，在现有的漏磁式机械调磁永磁电机中，均采用传统永磁同步电机，调磁装置均安装于转子铁心上，转子铁心利用率和机械强度较低。基于此，本发明创新性地融合磁通切换电机与机械调磁电机的优势，使其在保证电机效率较高的前提下，利用机械调磁的原理实现宽范围恒压发电或恒功率调速驱动，提出一种基于磁通切换原理的漏磁式机械变磁通永磁同步电机。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明所要解决的技术问题是提供一种适合于利用机械传动方式调磁的永磁同步电机拓扑结构。确定该电机拓扑结构最佳调磁方式，并分析机械调磁方式下的增磁和弱磁机理，提供一种融合电机本体并能有效调节电机内磁通的机械传动部件。
[0007]技术方案:本发明的漏磁式机械变磁通永磁同步电机由电机本体和机械调磁装置所构成。电机定子由凸极定子铁心和电枢绕组组成，定子铁心采用导磁材料制成，定子齿周向均勾分布；转子由若干个U型单元铁心拼装组成，永磁体镶嵌于相邻转子单元铁心中间，交替切向充磁，永磁体选用钕铁硼永磁材料；转子外侧安装机械调磁装置，其主要包括调磁块、转盘、轮毂、凸轮、凸轮轴、踏杆和弹簧等构成；轮毂同轴安装于电机转轴上，可随电机转子同步旋转；踏杆与转盘、调磁块与转盘以及凸轮轴与轮毂之间均为刚性连接；凸轮可绕凸轮轴任意旋转；弹簧一端固定于轮毂上，另一端与凸轮连接；转盘与转轴通过轴承安装，可相对于转轴任意转动；调磁块采用导磁材料，而转盘、轮毂和凸轮等采用非导磁材料制成，电机轴采用非导磁钢；电机无励磁绕组，可在完全无励磁功率损耗的基础上实现电机高效率和高功率密度。
[0008]电机具体工作原理如下:
[0009]当电机运行在基速以下时，机械调磁装置的凸轮达到受力平衡情况下，尚未推动踏杆发生相对位移，即调磁块位于原始位置。电机由单元转子铁心中散嵌着的永磁体提供磁动势，根据电机磁路磁阻最小的原则，电机工作于磁通切换状态，绝大部分磁通由永磁体N极出发，经U型单元转子铁心、气隙、定子齿、定子铁心、相邻的定子齿、气隙、相邻的U型单元转子铁心，再回到永磁体S极。定子齿与其中一个单元转子齿对齐时，通过电枢线圈的磁通最大；随着转子位置的变化，定子齿与永磁体或者转子槽对齐时，通过电枢线圈的磁通为零。由此可见，当转子旋转一个极距时，电机经历了一个电周期，通过电枢绕组的磁链会随着转子位置的变化呈周期性变化，如图5所示。
[0010]当电机运行于基速以上时，电机转速较大，凸轮离心力也相对较大，为达到新的平衡点，机械调磁装置的凸轮则会推动踏杆沿预设轨道偏移，此时调磁装置转盘相对于转轴发生转动，即调磁块相对于转子转动一定角度，为电机提供了漏磁回路。电机的气隙磁场仍由永磁体产生，但是一部分磁通通过调磁块形成漏磁路，另一部分磁通依旧通过上述磁路成为主磁通。因此，电枢绕组匝链的有效磁链减少，绕组感应电动势也相应降低，此时机械调磁装置对电机起弱磁作用，如图6所示。由于调磁块的弧形瓦片结构，其与转子间的气隙长度不均匀，电机漏磁路磁阻可调。随着电机转速的上升，调磁块转动的角度不断变大，漏磁磁阻则不断减小，永磁体提供的有效磁通将随着转速的上升而减小，从而实现电机恒压输出。
[0011]有益效果:由于机械调磁电机借助合适的机械调整装置即可方便地调节磁通，完全打破了采用电励磁进行调磁的思维模式。同时，还可克服混合励磁电机结构复杂，附加气隙多、励磁损耗较大以及功率密度较低等缺点。
[0012]电机转子采用U型单元转子铁心结构，可大大简化制造工艺。定子结构简单，电枢绕组位于定子上，省去电刷和滑环结构，运行靠性高；基于磁通切换原理，电机采用双凸极结构，结构紧凑。
[0013]电机无需调磁绕组，省略了相对复杂的励磁控制算法，降低了控制系统的实现难度，在完全无励磁功率损耗的基础上实现电机高效率和高功率密度。本发明采用在电机转子外侧安装机械调磁部件，基于离心原理，根据电机转速的变化对电机内磁场强度进行自动同步调节，具有良好的调磁效果，且可实现磁场双向调节。机械调磁装置不需外部能源驱动，无附加损耗，不影响电机的能量转化效率。
[0014]本发明通过采用外转子结构，并将永磁体设计在外转子上，使电机成为一种外转子永磁同步电机。相对于现有转子永磁型机械调磁电机，实现了机械调磁装置与电机转子的机械隔离，一定程度上可减小电机运动部件间的相互影响，能够有效地保证转子铁心的利用率。
[0015]综上所述，本发明将机械传动理论、磁通切换原理与永磁电机相融合，在保证电机功率密度一定的情况下，利用机械传动的方式能够有效地改变电机内工作磁场的强弱，克服现有转子永磁型机械调磁电机的缺点，有效解决磁通切换型永磁电机气隙磁场调节困难的缺陷，是一类可应用于稳压发电及变速驱动领域的新型变磁通永磁同步电机。
【附图说明】
[0016]图1是漏磁式机械变磁通永磁同步电机整体结构图；
[0017]图2是漏磁式机械变磁通永磁同步电机剖面图；
[0018]图3是漏磁式机械变磁通永磁同步电机本体结构图；
[0019]图4是机械调磁装置结构图；
[0020]图5是单元电机磁路平面展开示意图(基速以下)；
[0021]图6是单元电机磁路平面展开示意图(基速以上)
[0022]图1、2中有:定子1，转子2，定子铁心3