专利名称：一种永磁无刷电机的一体化自适应磁通分流扩速方法
技术领域：
本发明涉及永磁无刷电机，具体的说是一种永磁无刷电机的一体化自适应磁通分
流扩速方法。
背景技术：
现有技术和产品中，用于电动车的电机主要有感应电机(IM)，永磁无刷电机(PM) 和开关磁阻电机(SRM)，相对于感应电机和开关磁阻电机。其中永磁电机结构紧凑，体积小， 功率大，效率高，技术成熟，因此现有的电动自行车和轻便电动摩托车几乎都采用了永磁无 刷电机。 但这种电机由于使用永磁体励磁，难以调整电机磁通量，因此全功率调速范围窄， 对于实际的使用工况变化范围需要更多的功率储备，这是很不经济的，参见见图1。
图中a-b-c为永磁电机特性曲线，a-b-d-e为理想的车辆动力特性曲线，前段a-b 为等扭矩段，b-d-e段是等功率段，是双曲线P = TmX "。曲线上各点坐标的乘积就是功率 P = TmX "，等于左下则的面积。图中可见，永磁电机的速度范围很窄，调速比"2/"d[J， 比基准速度c^高不了多少，且速度增加时功率急剧下降。而理想的特性是调速比为基速 "i的2倍以上或更多。图中"2是对应阻力矩时匀速行驶的最高速度。因此如果能使电 机的特性接近理想动力特性，则电机功率不变的情况下，速度可以达到基速"i的2倍或更 多。 为了解决这个问题，人们尝试了许多方法，目前为止，所知为解决此问题的方法主 要有以下3类 1、传统方法。通过另外设置机械式变速机构来弥补电机的不足，虽可以使整车达 到要求的运行效果，这种纯机械方法，电机没变化，也无创新，由于必须保留变速箱、离合器 等，制动器、单向器等，结构复杂，成本高。 2、弱磁控制技术。通过在控制器中用程序指令控制电机通电相位(矢量控制)，产 生同主磁通方向相反的磁场分量的方式减弱主磁通小从而提高电机的转速，因为电机的 转速同磁通量小成反比。这种技术是当前热点，多用于磁极内嵌的永磁无刷同步电机，用 于普通隐极式永磁无刷电机效果较差。 3、复合转子和改变磁通路径的方法(参件本文后对比资料《永磁同步电动机 弱磁扩速概况》李春艳，寇宝泉，程树康。中图分类号TM341文献标识码A文章编号
1004-7018(2008}01-0058-03) 上述方法各有特点，实际也都在使用，都有不足。
发明内容
本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种新的调整永磁电机磁通量小
的方法，它既不需要增加变速箱、离合器等，也不需要复杂的控制和昂贵的功率电子开关， 又不同于复合转子，仅在电机内部增加几个机械零件，就可以实现自适应连续增量调速，实现良好的驱动特性。 为实现上述目的，设计一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，首先包括转子和定子，其特征在于永磁无刷调速电机的控制器接受操作指令产生确定的电压和3相驱动电流输出，驱动转子旋转，由于电机定转子结构和绕组已经固定，电机的输出状态也是确定的，其中转速"k 1/小，扭矩T k小，功率& = TX "，电机启动后，速度按d"/dt = (Tm-Tr)/J的角加速度上升，J是系统的惯性量。 第二，有转速感应调磁机构为一离心机构和一磁通分流器，离心力F。 = rmo^，方向为径向向外；该离心力被调磁机构转移到Z向，变为Fz = f(")， Fz作用于转子并轴向移动永磁转子，使定转子与定子逐步错开一定位置A z，致使磁路构成发生改变， 一部分磁通小d被磁通分流器分流，穿过绕组的磁通小m减少，反电势减E二k^ (K* "减小，有效电位差AU二U-E增加，转速"随之上升，小m减少虽然同时会导致扭矩T下降，但功率P2=TX"保持不变，使永磁电机转速大大提高。具体说来，电机启动后，转子(6、7、8组成)在电磁力作用下旋转并带动电机轴1、磁通分流器2、滚柱9、滚导体10同步旋转，滚柱受到离心力F"的作用，力值F"=版"2且方向向外，其中1 是滚柱所在瞬时位置柱坐标的半径，m滚柱的质量，由于推力盘13斜面的作用，产生z向分力Fz = cos(a)，使F"在某一转速上能和弹簧3作用力Kz = - P Z相互平衡在某一位置Z ;其中P是弹簧的特性系数，滚道3被设计成分段函数，低速段为等扭矩特性，Fz小于弹簧预压力，转子无轴向位移，转速、扭矩、功率随输入电能E I增加，直到额定工作点；继之，滚子开始越过拐点，进入弱磁扩速段函数特性，分流磁通，提高转速。 所述的永磁无刷调速电机由电机、离心机构和磁通分流器组成，所述的电机定子由绕组4、定子铁芯5、导线组成，电机轴中间设有电机的转子和限速装置14，转子由转子支架8、转子铁芯6、和永磁体7组成，转子支架同电机轴以花键方式连接，既可随轴旋转，又能够轴向移动，转子支架一个端面设计有若干滚道13，滚道接触面的形状同转速的变化为预期的函数关系，电机轴的一端连接磁通分流器2，与转子同步旋转，磁通量与转子之间设有弹簧3，电机轴另一端连接推力盘10，推力盘为一锥面圆盘，圆盘内表面同滚道13之间形成若干个径向分布的锲型空间，中间设有离心滚子9。 所述的磁通分流器是用导磁材料做成的圆筒型物体，它能对移动过来的转子磁通进行旁路，从而使气隙中原有穿过绕组的磁通或主磁通被分流削弱。 所述的离心机构能将从转子获得的速度和离心力转化为轴向移动转子磁场的力，并使转子位移量(磁通分流的数量)同转速变化为预期的函数关系。
所述的限速器14决定转子最大位移，限制最高转速。 本发明与现有技术相比，结构上是一体化的，巧妙利用原电机内部空间安放离心机构和磁通分流器，结构紧凑、简单，坚固耐用，工作可靠，特别适用于磁铁表面安装的隐极式永磁转子，电动自行车和电动摩托车普遍使用这种转子。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为理想的动力特性和现有永磁无刷电机特性的对比图。 图2为本发明的系统原理框图。
图3为本发明的结构示意图。
图4为本发明的具体实施例图。
指定图4为摘要附图 图中的1电机轴，2磁通分流器，3弹簧，4绕组，5定子铁芯，6转子铁芯，7永磁体， 8转子支架，9滚柱，10推力盘，11轴承，12机壳、13滚道，14限速装置
具体实施例 结合附图对本发明做进一步说明，这种装置的制造技术对本专业的人来说是非常 清楚的。 参见图1，图中a-b-c为永磁电机特性曲线，a-b-d-e为理想的车辆动力特性曲线， 前段a-b为等扭矩段，b-d-e段是等功率段，是双曲线P二TmX"。曲线上各点坐标的乘 积就是功率P = TmX "，等于左下则的面积。图中可见，永磁电机的速度范围很窄，调速比 "乂"J氏，比基准速度"i高不了多少，且速度增加时功率急剧下降。而理想的特性是调速 比为基速"i的2倍以上或更多。图中"2是对应阻力矩时匀速行驶的最高速度。因此如 果能使电机的特性接近理想动力特性，则电机功率不变的情况下，速度可以达到基速"i的 2倍或更多。 参见图2，工作过程如下 控制器接受操作指令产生确定的电压和3相驱动电流输出，驱动转子旋转，由于 电机定转子结构和绕组已经固定，电机的输出状态也是确定的，其中转速"k 1/>，扭矩 Toc小，功率P2 = TX "。电机启动后，速度按d"/dt = (Tm-Tr)/J的角加速度上升(J是 系统的惯性量)。转速感应调磁机构为一离心机构和一磁通分流器。离心力F。二rm"2， 方向为径向向外；该离心力被调磁机构转移到Z向，变为Fz = f (") ， Fz作用于转子并轴向 移动永磁转子，使定转子与定子逐步错开一定位置A z，致使磁路构成发生改变， 一部分磁 通小d被磁通分流器分流，穿过绕组的磁通小m减少，反电势减E二k^ "减小，有效
电位差AU = U-E增加，转速随之上升，同时虽然扭矩下降，但功率保持不变，使永磁电机转 速大大提高。 注F是磁动势，kE是反电势系数，U是给定电压，扭矩变化同磁通量正比相关。
参见图3，分为上下两半，上面表示低速状态，转子未移动，磁通大，输出大扭矩，下 面表示转子移动，磁通分流，为弱磁状态，输出高速，扭矩较小。 参见图4，电机轴1通过轴承11和机壳12相连，支撑电机的所有旋转部分，电机 轴中间设置电机的转子，转子由转子支架8、转子铁芯6、和永磁体7组成；转子支架右端面 设置若干滚道13 ;转子支架同电机轴以花键方式连接，同电机轴同步旋转，并可以轴向移 动；电机轴的左端连接磁通分流器2，磁通分流器是用导磁材料做成的圆筒型物体，其左端 底部同电机轴固连，同步旋转；磁通分流器和转子支架间设置弹簧3 ;电机轴右端连接推力 盘10，推力盘为一锥面圆盘，圆盘内表面同支架8的滚道13间形成若干个内大外小的锲型 空间，中间放置滚柱9。另外，电机的定子由绕组4、定子铁芯5、导线等组成，铁芯连接到机 壳12上。轴上挡圈14起限位作用，防止飞车。 电机启动后，转子(6、7、8组成)在电磁力作用下旋转并带动电机轴1、磁通分流 器2、滚柱9、滚导体10同步旋转。滚柱受到离心力F"的作用，力值F"=版"2且方向
5向外，其中R是滚柱所在瞬时位置柱坐标的半径，m滚柱的质量。由于推力盘13斜面的作用，产生z向分力Fz = cos ( a )，通过设计，可以使F "在某一转速上能和弹簧3作用力Kz二-pZ相互平衡在某一位置Z。其中p是弹簧的特性系数。滚道3被设计成分段函数，低速段为等扭矩特性，Fz小于弹簧预压力，转子无轴向位移，转速、扭矩、功率随输入电能E *I增加，直到额定工作点；继之，滚子开始越过拐点，进入弱磁扩速段函数特性，分流磁通，提高转速。 —体化自适应磁通分流转速扩展方法关键结构包括一个离心机构和磁通分流器。其功能是依据转速变化改变磁路，使气隙磁通被分流来削弱主磁通，使转速提高。这是现有永磁无刷电机所没有的机构。
权利要求
一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，包括转子和定子其特征在于永磁无刷调速电机的控制器接受操作指令产生确定的电压和3相驱动电流输出，驱动转子旋转，由于电机定转子结构和绕组已经固定，电机的输出状态也是确定的，其中转速ω∝1/φ，扭矩T∝φ，功率P2＝T×ω，电机启动后，速度按dω/dt＝(Tm-Tr)/J的角加速度上升，J是系统的惯性量，转速感应调磁机构为一离心机构和一磁通分流器，离心力Fω＝rmω2，方向为径向向外；该离心力被调磁机构转移到Z向，变为Fz＝f(ω)，Fz作用于转子并轴向移动永磁转子，使转子与定子逐步错开一定位置Δz，致使磁路构成发生改变，一部分磁通φd被磁通分流器分流，穿过绕组的磁通φm减少，反电势减E＝kE·φm·ω减小，有效电位差ΔU＝U-E增加，转速ω随之上升，φm减少虽然同时导致扭矩T下降，但功率P2＝T×ω保持不变，使永磁电机转速大大提高；电机启动后，转子(6、7、8组成)在电磁力作用下旋转并带动电机轴1、磁通分流器2、滚柱9、滚导体10同步旋转，滚柱受到离心力Fω的作用，力值Fω＝Rmω2且方向向外，其中R是滚柱所在瞬时位置柱坐标的半径，m滚柱的质量，由于推力盘13斜面的作用，产生z向分力Fz＝cos(α)，使Fω在某一转速上能和弹簧3作用力Kz＝-ρZ相互平衡在某一位置Z；其中ρ是弹簧的特性系数，滚道3被设计成分段函数，低速段为等扭矩特性，Fz小于弹簧预压力，转子无轴向位移，转速、扭矩、功率随输入电能E·I增加，直到额定工作点；继之，滚子开始越过拐点，进入弱磁扩速段函数特性，分流磁通，提高转速。
2. 根据权利要求1所述的一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法的实例，其特征在于所述的永磁无刷调速电机由电机、离心机构和磁通分流器组成，所述的电机定子由绕组4、定子铁芯5、导线组成，电机轴中间设有电机的转子和限速装置14，转子由转子支架8、转子铁芯6、和永磁体7组成，转子支架同电机轴以花键方式连接，同电机轴同步旋转，并可以轴向移动，转子支架一个端面设计有若干滚道13，滚道接触面的形状同转速的变化为预期的函数关系，电机轴的一端连接磁通分流器2，与转子同步旋转，磁通量与转子之间设有弹簧3，电机轴另一端连接推力盘IO，推力盘为一锥面圆盘，圆盘内表面同滚道13之间形成若干个径向分布的锲型空间，中间设有离心滚子9。
3. 根据权利要求1和2所述的一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，其特征在于所述的磁通分流器是用导磁材料做成的圆筒型物体，它能对移动过来的转子磁通进行旁路，从而使气隙中原有穿过绕组的磁通或主磁通被分流削弱。
4. 根据权利要求1和2所述的一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，其特征在于所述的离心机构能将从转子获得的速度和离心力转化为轴向移动永磁转子的力，并使转子磁通分流的数量同转速变化为预期的函数关系。
5. 根据权利要求1和2所述的一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，其特征在于所述的转子支架同电机轴以花键方式连接，同电机轴同步旋转，并可以轴向移动。
6. 根据权利要求1和2所述的一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，其特征在于所述的限速装置14决定转子最大位移，限制最高转速。
全文摘要
本发明涉及永磁无刷电机，具体说是一种永磁无刷调速电机的一体化自适应磁通分流扩速方法。其特征是使定子和转子相对轴向移动来调节气隙主磁通，其过程是依靠具有特定函数关系的离心机构自动进行的，同时结构上是一体化的。永磁无刷电机通过控制器驱动旋转，转速感应调磁机构为一离心机构和一磁通分流器，离心机构产生离心力Fω＝rmω2，并被转移到Z向，变为Fz，Fz使永磁转子轴向移动，转子与定子逐步错开一定位置Δz，致使磁路发生改变，一部分磁通φd被磁通分流器分流，穿过绕组的磁通φm减少，其结果是电机输出扭矩T下降的同时转速ω升高，功率P＝T·ω保持不变，使永磁电机实现了等功率调速特性。
文档编号H02P6/08GK101789735SQ20101013106
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者杨荷 申请人:杨荷