一种高效宽调速永磁同步电机及其调速方法与流程

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种高效宽调速永磁同步电机及其调速方法。

背景技术：

随着国家推动新能源汽车的发展，永磁同步电机应用于汽车的需求越来越大，对电机和电池的要求也越来越高，由于新能源汽车的电源电压是固定的，而电机的额定反电动势是随着电机的转速提高而提高的，由于逆变器直流侧电压达到最大值后引起电流调节器的饱和，为了获得较宽的调速范围，在基速以上高速运行时实现恒功率调速，需要对电机进行弱磁控制。永磁同步电机弱磁控制的思想源自他励直流电动机的调磁控制，当他励直流电动机端电压达到最大电压时，只能通过降低电动机的励磁电流，改变励磁磁通，在保证电压平衡的条件下，使电动机能恒功率运行于更高的转速。也就是说，他励直流电动机可以通过降低励磁电流达到弱磁扩速的目的。对于永磁同步电机而言，励磁磁动势因永磁体产生而无法调节，只能通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的，而通过增加定子电流，无论是对新能源汽车的电池还是电控、电机来说都是非常大的伤害，很多时候会因为控制不理想导致高温，高放电等发生，从而导致汽车冒烟、着火等情况发生。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明是通过控制转子永磁体在电机定子线圈的位置来控制电机的反电动势，不需要通过增大电流等弱磁控制来实现高速运行，使得电机保持在高效、安全的区间运行。

为了解决上述技术问题，本发明提供的具体方案如下：一种高效宽调速永磁同步电机，包括相互啮合在一起的电机主轴和转子，所述转子外周嵌合有定子，所述的电机主轴末端设有调节定子与转子正对面积大小的移动装置。

进一步：在上述高效宽调速永磁同步电机中，所述的电机主轴带有外花键，所述的转子带有内花键，所述的定子内圆周均布有突起。

所述的移动装置包括设置在电机主轴尾端的伺服电机，伺服电机主轴紧固连接有驱动齿轮；平行电机主轴的末端对称设有丝杆，丝杆的一端固定套接有环形电磁铁，丝杆的另一端连接有丝杆定位件；所述的驱动齿轮啮合有齿轮螺母，所述的齿轮螺母啮合有丝杆螺母，所述丝杆螺母固定套接在丝杆上；所述的转子末端设有衔铁，所述的环形电磁铁正对衔铁。

所述的转子是表贴式永磁体或内嵌式永磁体。所述的定子是拼装式或者一体式。所述的电机还包括前端盖、后端盖，以及设置在前端盖和后端盖之间的外壳。所述的电机还包括设置在伺服电机后端的保护罩。

本发明还提供了上述高效宽调速永磁同步电机的调速方法，调速步骤为，

a、当电机所需的转速在额定转速范围内，伺服电机正方向旋转带动驱动齿轮旋转，啮合于驱动齿轮的带齿轮螺母也跟着旋转，从而使丝杆向电机前端盖方向移动；带内花键的转子由于电磁铁作用，带内花键转子也随着紧固在丝杆上的电磁铁移动而移动，从而带内花键转子向电机前端盖方向移动，使转子径向中心线位置与定子中心线位置的重合，转子与定子有效磁感应面积最大；

b、当电机所需的转速超出额定转速时，伺服电机反方向旋转带动驱动齿轮旋转，啮合于驱动齿轮的带齿轮螺母也跟着旋转，从而使丝杆向电机后端盖方向移动，带内花键的转子由于电磁铁作用，带内花键转子也随着紧固在丝杆上的电磁铁移动而移动，从而带内花键转子向电机后端盖方向移动，使转子径向中心线位置与定子中心线位置远离，定子与转子有效磁感应面积就减小。

其远离的距离的大小与电机转速超出额定转速的多少有关，电机需的转速超出额定转速越多，转子径向中心线位置与定子中心线位置远离的距离就越大，定子与转子有效磁感应面积就越小。

反电动势计算；

根据法拉第电磁感应定律；电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势(电压)称为感应电动势，电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比，用e表示，e＝δφ/δt①；

根据电磁定律，当磁场变化时，附近的导体会产生感应电动势，其方向符合法拉第定律和楞次定律，与原先加在线圈两端的电压正好相反。这个电压就是反电动势。

从而，推导出交流电机电枢绕组的相反电动势，e＝4*knm*f*n*kdp*φ②

knm——气隙磁场基波系数，当气隙磁场正弦分布时等于1.11

f——输入电流频率

n——电枢绕组串联匝数

kdp——电枢绕组系数

φ——每极磁通由于，电机转速与输入电流频率计算公式；

f＝p*n/60③

p——转子极对数

n——电机转速

磁通量计算公式；

φ＝b*s④

b——转子磁极磁感应强度

s——电机定子与转子有效感应面积电机定子与转子有效感应面积计算；

s＝3.14*d*(h-l)/z⑤

d——定子内径

h——定子高度

l——转子径向中心线位置与定子中心线位置远离的距离

z——定子槽数由以上①、②、③、④、⑤式得；

电机反电动势e＝[3.14*knm*p*n*n*kdp*b*d*(h-l)]/15*z

由于电机工艺和正常使用，knm、p、n、kdp、b、d、h、z是常量(定值)，电机的额定反电动势e是随着电机的转速提高而提高的，由于逆变器直流侧电压达到最大值后引起电流调节器的饱和，当反电动势e到最大极限值时，在宽频调速时候，只能由n、l两个因变量相互转化决定。

与现有技术相比，本发明的高效宽调速永磁同步电机，包括相互啮合在一起的电机主轴和转子，所述转子外周嵌合有定子，所述的电机主轴末端设有调节定子与转子正对面积大小的移动装置。所述的移动装置包括设置在电机主轴尾端的伺服电机，伺服电机主轴紧固连接有驱动齿轮；平行电机主轴的末端对称设有丝杆，丝杆的一端固定套接有环形电磁铁，丝杆的另一端连接有丝杆定位件；所述的驱动齿轮啮合有齿轮螺母，所述的齿轮螺母啮合有丝杆螺母，所述丝杆螺母固定套接在丝杆上；所述的转子末端设有衔铁，所述的环形电磁铁正对衔铁。本发明的永磁同步电机是通过控制转子永磁体在电机定子线圈的位置来控制电机的反电势电压，不需要通过增大电流等弱磁控制来实现高速运行，使得电机保持在高效、安全的区间运行。

附图说明

图1为本发明同步电机的纵向截面结构简图；

图2为本发明同步电机的横向截面结构简(转子径向中心线位置向定子中心线位置的方向靠近)；

图3为本发明同步电机的横向截面结构简(转子径向中心线位置远离定子径向中心线位置)；

其中，1电机主轴、2转子、3定子、4突起、5伺服电机、6驱动齿轮、7丝杆、8环形电磁铁、9丝杆定位件、10齿轮螺母、11丝杆螺母、12衔铁、13前端盖、14后端盖、15外壳、16保护罩。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的阐述。

如图1-3：一种高效宽调速永磁同步电机，包括相互啮合在一起的电机主轴1和转子2，所述转子外周嵌合有定子3，所述的电机主轴末端设有调节定子与转子正对面积大小的移动装置。所述的电机主轴带有外花键，所述的转子带有内花键，所述的定子内圆周均布有突起4。所述的移动装置包括设置在电机主轴尾端的伺服电机5，伺服电机主轴紧固连接有驱动齿轮6；平行电机主轴的末端对称设有丝杆7，丝杆的一端固定套接有环形电磁铁8，丝杆的另一端连接有丝杆定位件9；所述的驱动齿轮啮合有齿轮螺母10，所述的齿轮螺母啮合有丝杆螺母11，所述丝杆螺母固定套接在丝杆7上；所述的转子末端设有衔铁12，所述的环形电磁铁正对衔铁。所述的转子2是表贴式永磁体或内嵌式永磁体。所述的定子3是拼装式或者一体式。所述的电机还包括前端盖13、后端盖14，以及设置在前端盖和后端盖之间的外壳15。所述的电机还包括设置在伺服电机后端的保护罩16。

如图2：当电机所需的转速在额定转速范围内，伺服电机正方向旋转带动驱动齿轮旋转，啮合于驱动齿轮的带齿轮螺母也跟着旋转，从而使丝杆向电机前端盖方向移动；带内花键的转子由于电磁铁作用，带内花键转子也随着紧固在丝杆上的电磁铁移动而移动，从而带内花键转子向电机前端盖方向移动，使转子径向中心线位置与定子中心线位置的重合，转子与定子有效磁感应面积最大；

如图3：当电机所需的转速超出额定转速之外，伺服电机反方向旋转带动驱动齿轮旋转，啮合于驱动齿轮的带齿轮螺母也跟着旋转，从而使丝杆向电机后端盖方向移动，带内花键的转子由于电磁铁作用，带内花键转子也随着紧固在丝杆上的电磁铁移动而移动，从而带内花键转子向电机后端盖方向移动，使转子径向中心线位置与定子中心线位置远离。其远离的距离的大小与电机转速超出额定转速的多少有关，电机需的转速超出额定转速越多，转子径向中心线位置与定子中心线位置远离的距离就越大，定子与转子有效磁感应面积就越小。

电机反电动势e＝[3.14*knm*p*n*n*kdp*b*d*(h-l)]/15*z

当反电动势e到最大极限值时，在宽频调速时候，只能由n、l两个因变量相互转化决定。

以上所述为本发明较佳的实现方式，在不脱离本发明构思情况下，进行任何显而易见的变形和替换，均属于本发明的保护范围。