变极转子调磁电机的制作方法

本发明涉及具有三个转动部件的调磁电机。具体是调磁环位于定子和转子之间，转子采用可变极永磁转子，定子极对数、调磁块数和转子极对数的调磁匹配关系可切换，电枢磁场转速、调磁环转速和转子转速的调磁运动关系可切换，可开展定子调节。这就是变极转子调磁电机。

背景技术：

1、电机的部件包括定子、转子、集电环电刷、支承部件、机壳、变流器和控制电路等。电机一般是圆柱状转子位于电机中心内部、圆环状定子位于外部包围转子，这是内转子径向磁通电机。拓扑技术可以实现圆柱状定子位于电机中心内部，圆环状转子位于外部包围定子，这是外转子径向磁通电机。拓扑技术还可以实现盘状定子位于电机一侧，盘状转子位于电机另一侧，定子转子均围绕电机轴转动，这是轴向磁通电机。拓扑技术还可以实现线状排列定子与线状排列转子相对平行运动的直线电机。上述运用于具有两个转动部件电机的拓扑技术是成熟技术，拓扑技术也可以运用于具有三个转动部件的电机。调磁电机是具有三个转动部件的电机。电机都努力丰富功能，具有三个转动部件的调磁电机，功能比具有两个转动部件的电机丰富。传统三相交流变极电机，其控制电路切换齿部绕组三相电枢电流来实现定子极对数变极，转子采用笼形感应转子自动形成与定子极对数相等的转子极对数；作为具有定子电枢磁场和转子这两个转动部件的电机，该电机是额定转速可变速电机，但无法作为混动器。作为混动器需要具有三个转动部件。本发明提出变极转子调磁电机，定子电枢磁场、调磁环和转子各是一个转动部件，可作为可变速电机，也可作为可变速混动器或可调速风力发电系统。该电机转子采用可变极永磁转子，设置永磁体与可变磁体形成转子磁场，控制电路切换可变磁体的励磁电流来实现转子极对数变极，这是转子结构的创新。本发明创造性地在电机中运用同心磁齿轮的调磁效应，利用电枢磁场转速替代同心磁齿轮中具有极对数的一个磁环的转速，改造无动力的同心磁齿轮，形成具有三个转动部件的电机称为调磁电机。所述调磁是调磁效应，是调磁环把电枢磁场调制成为与转子磁场匹配的谐波磁场，转子磁环与这谐波磁场同步；调磁环把转子磁场调制成为与电枢磁场匹配的谐波磁场，电枢磁场与该谐波磁场同步；像同心磁齿轮三部件一样按调磁运动关系互动。同心磁齿轮是具有极对数的两个磁环被中间具有调磁块的调磁环调制形成调磁效应的磁性齿轮传动结构，参见（atallah and howe,2001）。所述调磁匹配关系是定子极对数、调磁块数和转子极对数这三者形成下列等式关系之一：调磁匹配关系一，定子极对数+转子极对数=调磁块数；调磁匹配关系二，定子极对数+调磁块数=转子极对数。与这二种调磁匹配关系依次对应的二种调磁运动关系是：调磁运动关系一，定子极对数*电枢磁场转速+转子极对数*转子转速=调磁块数*调磁环转速；调磁运动关系二，定子极对数*电枢磁场转速+调磁块数*调磁环转速=转子极对数*转子转速。*为乘号。所述三相交流电为+a相、-c相、+b相、-a相、+c相和-b相的正弦交变电流，其中+a相、+b相和+c相这三相依次滞后120度电相位。所述二相交流电为+a相、+b相、-a相和-b相的正弦交变电流，这四相依次滞后90度电相位。所述直流电是在一个步长时间中不变的单向电流，在不同步长时间中可以为正电流或负电流。所述可变极永磁转子上的磁体形成转子极对数的结构形式有halbach式、表面贴合式、表面嵌入式、内部径向式、内部切向式和cp式，cp式又称为单极性式。

2、本发明提出转子采用可变极永磁转子，调磁环位于定子和转子之间，可开展定子调节的变极转子调磁电机，就是要创新转子结构、创新电机结构、丰富电机性能。电机行业需要变极转子调磁电机。

技术实现思路

1、变极转子调磁电机，由定子、调磁环、转子、集电环电刷、支承部件、机壳、变流器和控制电路组成。与电源等电气部件形成电路连接，与风轮、发电机、油机和传动轴等机械部件形成机械连接。特征在于：调磁环位于定子和转子之间，转子采用可变极永磁转子，定子极对数、调磁块数和转子极对数的调磁匹配关系可切换，电枢磁场转速、调磁环转速和转子转速的调磁运动关系可切换，可以开展定子调节。

2、定子由定子铁芯和电枢绕组组成，采用成熟技术。定子铁芯由轭部和齿部组成，采用软磁材料，如硅钢材料。电枢绕组由导线绕制而成，绕制形式包括轭绕组和齿部绕组，分别围绕定子铁芯的轭部和齿部绕制而成，流通三相交流电、二相交流电或直流电形成定子电枢磁场，具有定子极对数，具有电枢磁场转速。齿部绕组形成电枢磁场是成熟技术。轭绕组形成电枢磁场的过程是，各轭绕组流通电枢电流形成轭部磁场，同向轭部磁场叠加、异向轭部磁场汇集，汇集在最近的齿部形成面向转子的齿部磁场就是电枢磁场。流通正向电流形成顺时针方向轭部磁场的轭绕组是正轭绕组。电枢绕组与变流器形成电路连接。

3、调磁环由调磁块、绝缘块和环体组成，位于定子与转子之间。是成熟技术。调磁块采用软磁材料，例如硅钢材料，沿调磁环周向均匀布置在环体上。绝缘块采用不导磁材料，例如环氧树脂材料或空气，沿调磁环周向均匀布置在调磁块的间隔中。环体用于保持调磁块和绝缘块的位置、保持调磁环的形状。调磁环重心与转子轴线重合。调磁环可以机械转动，具有调磁环转速。

4、转子采用可变极永磁转子，由转子铁芯、转子轴、磁体和励磁绕组组成。转子可以机械转动，具有转子极对数，具有转子转速。磁体由多块永磁体和多块可变磁体组成，可变磁体选择采用软磁材料或记忆永磁材料这两者之一。围绕每块可变磁体设置励磁绕组，励磁绕组通过集电环电刷与控制电路连接，励磁电流被控制电路控制，切换励磁电流可以切换可变磁体形成的磁场，从而切换转子极对数。转子重心与转子轴线重合。可变磁体采用软磁材料时，通过持续的励磁电流形成可变磁场；可变磁体采用记忆永磁材料时，通过短时的励磁电流形成可变磁场。永磁体形成形成不变的转子极对数，这是成熟技术。多块永磁体与多块可变磁体组合，形成可变的转子极对数，这是创新技术，此前没有这种转子极对数可变的永磁转子。所述永磁体采用硬磁材料，例如铁氧体材料或钕铁硼材料，具有永久励磁。所述软磁材料，例如硅钢材料。所述记忆永磁材料材料，例如铝镍钴材料。

5、定子电枢磁场、调磁环和转子是三个转动部件，相互之间可相对转动。定子极对数、调磁块数和转子极对数形成调磁匹配关系，调磁匹配关系即下列等式关系之一：调磁匹配关系一，定子极对数+转子极对数=调磁块数；调磁匹配关系二，定子极对数+调磁块数=转子极对数。本发明按调磁匹配关系开展转子极对数变极。本发明不限定定子的结构形式。本发明不限定永磁体和可变磁体形成转子极对数的结构形式。

6、集电环电刷采用多套集电环电刷，包括选择采用普通集电环电刷或开关集电环电刷这两者之一，均为成熟技术。当可变磁体采用软磁材料时，集电环电刷采用普通集电环电刷。普通集电环电刷的电刷持续保持与集电环接触。控制电路通过普通集电环电刷持续给励磁绕组提供励磁电流使可变磁体形成可变磁场。当可变磁体采用记忆永磁材料时，集电环电刷采用开关集电环电刷。开关集电环电刷在电刷上设置机械开关控制电刷与集电环的接触与分离。当需要流通电流时，机械开关闭合，电刷与集电环接触，励磁绕组与控制电路连通；控制电路给励磁绕组提供短时励磁电流使可变磁体形成可变磁场。当不需要流通电流时，机械开关断开，电刷与集电环分离无摩擦，控制电路与励磁绕组不连通。

7、支承部件由轴承和支架等组成。机壳保护电机。均采用成熟技术。

8、变流器是可以改变电枢绕组电流的频率、幅值、相位、相序的成熟部件。变流器连接电源与定子电枢绕组，变流器改变定子电枢绕组电流的频率、幅值、相位、相序，改变电枢磁场转速，从而按调磁运动关系改变三个转动部件的转速就是定子调节。定子调节会导致电流输入定子电枢绕组用电或定子电枢绕组发电电流流出。用电或发电均受变流器和控制电路控制。变流器采用成熟技术。

9、控制电路控制定子电枢绕组的电流，控制定子调节。控制电路控制转子励磁绕组的励磁电流，控制转子极对数变极；转子极对数变极导致调磁匹配关系和调磁运动关系变化。控制电路也控制开关集电环电刷上机械开关的闭合与断开。控制电路也控制变流器。电源采用成熟技术。控制电路采用成熟技术。

10、与调磁匹配关系依次对应，电枢磁场转速、调磁环转速与转子转速形成下列调磁运动关系之一：调磁运动关系一，定子极对数*电枢磁场转速+转子极对数*转子转速=调磁块数*调磁环转速；调磁运动关系二，定子极对数*电枢磁场转速+调磁块数*调磁环转速=转子极对数*转子转速。本发明按调磁运动关系开展转子极对数变极和定子调节。

11、当转子极对数变极时，调磁匹配关系变化，调磁运动关系公式或系数也变化，电机的额定转速变化；转子极对数变极形成一种变速。定子调节，在不改变调磁运动关系公式或系数的前提下，三种转动部件的转速互动变化，形成另一种变速。本发明可作为可变速混动器或风力发电系统；锁止调磁环，可作为可变速电机。

12、各实施例，油机输入油机动力，风轮输入机械动力，传动轴输出机械动力。当调磁环机械连接油机，转子机械连接传动轴，定子电枢绕组电路连接变流器，是第一种混动器。当转子机械连接油机，调磁环机械连接传动轴，定子电枢绕组电路连接变流器，是第二种混动器。这两种混动器转子极对数变极和定子调节的目标是油机输入转速稳定、传动轴转速变化范围大，便于在传动轴转速大幅变动条件下油机稳定运行于高效率转速区域。其中定子调节时，定子发电可以经变流器和控制电路流向外接的电源，定子用电可以经控制电路和变流器来源于电源。当调磁环机械连接风轮，转子机械连接一台发电机、发电机输出电力，定子电枢绕组电路连接变流器，是第一种风力发电系统。当转子机械连接风轮，调磁环机械连接一台发电机，定子电枢绕组连接变流器，是第二种风力发电系统。这两种系统转子极对数变极和定子调节的目标是风轮转速变化范围大，发电机转速稳定、发电频率稳定方便并网。其中定子调节时，定子发电经变流器和控制电路流向电网，定子用电经控制电路和变流器来源于电网。定子调节包括调节发电输出电力和调节用电输入电动力。当转子极对数变极使风轮转速变化范围为2倍时，如果变流器和电枢绕组额定功率达发电机额定功率的33.3%，转子极对数变极和定子调节共同作用，使风轮转速变化范围为4倍。当转子极对数变极使风轮转速变化范围为3倍时，如果变流器和电枢绕组额定功率达发电机额定功率的50%，转子极对数变极和定子调节共同作用，使风轮转速变化范围为9倍。当转子极对数变极使风轮转速变化范围为4倍时，如果变流器和电枢绕组额定功率达发电机额定功率的60%，转子极对数变极和定子调节共同作用，使风轮转速变化范围为16倍。所述发电机是成熟技术的外设备。所述传动轴是机械动力向动力使用机构输出的外部件。锁止调磁环、转子机械连接传动轴，形成可变速电机。当转子极对数为小极对数时，定子电枢磁场正转，转子反转。当转子极对数为大极对数时，定子电枢磁场正转，转子反转。

13、传统三相交流变极电机，采用笼形感应转子自动形成与定子极对数相等的转子极对数，实现转子与定子同时变极、是可变速电机，作为异步电机效率不高。传统混动器采用行星排机械或采用同心磁齿轮，有三个转动部件，第一个转动部件机械连接油机，第二个转动部件机械连接电机一e1，第三个转动部件机械连接电机二e2。传统混动器需要配置e1和e2两台电机，结构复杂，体积大，不可变速。传统双馈交流异步可调速风力发电机需要三套集电环电刷来控制三相转子励磁电流来调速，风轮转速范围窄，不可变速，发电效率低。2022年3月本人申报发明的《双变极双馈异步电机》需要三套集电环电刷来控制单相转子励磁电流调速，可变速，风轮转速范围较宽，电路复杂，集电环电刷效率低。

14、本发明在电机中创造性运用同心磁齿轮的调磁效应，利用电枢磁场转速替代同心磁齿轮中具有极对数的一个磁环的机械转速，形成的变极转子调磁电机本身具有三个转动部件，可作为可变速电机和可调速风力发电系统，还可作为节约一台电机的可变速混动器；这是对电机结构的创新。在本发明之前，存在永磁体形成转子极对数不变的转子；本发明提出永磁体和可变磁体形成转子极对数可变的可变极永磁转子，这是转子结构的创新。本发明有益之处在于：相比传统可变速电机，本发明效率高，变速范围大；相比传统混动器，本发明可变速、结构简单、体积小、节约一台电机；相比传统可调速风力发电系统，本发明风轮转速范围宽，发电效率高。在此之前没有相同的变极转子调磁电机。

15、本说明书在三个实施例中叙述定子极对数、调磁块数和转子极对数这三种数组合的电机，这三种数分别乘以n可以形成新组合，n为自然数。业内技术人员可利用公开知识将新组合的电机推导出来，这些均属于发明的保护范围。

16、所述电源、电网、并网、定子铁芯、转子铁芯、转子轴、电枢绕组、轭绕组、齿部绕组、励磁绕组、笼形感应转子、电枢磁场、转子磁场、极对数、调磁环、调磁块数、同心磁齿轮和转动部件均为成熟技术。