[发明专利]一种不借助外部机制改变轴向磁场电机的气隙的方法

说明书

技术领域

本发明涉及无需外部机制而改变轴向磁场电动机拓扑的空气间隙的应用。

背景技术

已经公认，永磁旋转电机能提供更高的整体效率，并使得整体能源成本降低。相比其他拓扑结构，近年来轴向磁通旋转电机在功率密度和效率上呈现出更为显著的提高。此外，发明者已经证明，利用各种不同的技术，定子和转子之间的气隙可以改变，从而创建一个扩展的转矩 - 速度曲线，而这通常无法通过其他的旋转永磁电机实现。

 在轴向机器中，在使用过程中改变空气间隙将产生一个解决与之相冲突的操作要求的方案。第一个近似值，穿过气隙（BG）的磁通与磁体的剩磁（Br）有关，关系如下：

Br/Bg ≈ 1/C? + g/lm,

其中g是气隙， lm是磁铁的厚度，C?是问题电机的磁通集中因数，这是一个无维数，此类型的电机约为0.9。

这里最重要的是，从一个给定的电机绕组电流产生的转矩实际等于Bg乘以一个因数，此因数是指电机的所有设计细节的总参数。Bg乘以电机等设计参数的数值，简单地称为电机力矩常数kT。 T = I * kT是一个基本的电机关系。由于所产生的功率等于扭矩乘以角速度ω ，或P = ω * T，而P等于I * V ，可以表示为，一个旋转的电机在其终端产生电压 E = ω * krot 。也可以说，常数krot与 KT 是相同的。

飞轮应用中，KT的影响是非常重要的。对于一个给定的KT，电机的最高速度是由作为电源的电压给出的。这通常被称为空载转速。对于具有额定绕组输入电流的电机来说，这也确定了来自电机的峰值扭矩。绕组电感和电阻限制了此约束，但扭矩与速度曲线形似于一个长方形的图（尤其对于高效率的轴向磁通电机来说，拥有低电感和低电阻绕组）。因此，功率与速度非常近似直线，直到在空载转速达到0时才会不同。

在径向磁场电机中，基本电机参数一定固定的。在轴向磁场电机中则不一定。通过简单地改变间隔距离，也就是改变了气隙，进而改变了磁通，根据磁通的变化，kT也随之改变。如果这是在电机工作中动态的完成，那么它可能使电机变成一个类似有一个内置无级变速器+电机的组合——输出轴既能在低转速下具有高扭矩能力，又保留了高转速输出的能力，且其功率、效率不会因此而产生变化。如果气隙在最小和最大气隙之间不断变化的话，运行的电机内部会产生一个新的工作曲线图（见图1 ）。除了扩大操作曲线范围，还有一个重要和独特的好处，有一个可变气隙，气隙变化不仅可以扩展速度范围或提高低速扭矩，它也可以被用来大大拓展电机的高效率工作区域。与其他拓扑结构相比，这种效果会反过来导致其在扩展操作区域会产生很差的效率。

图1中的整体效率图清楚的显示了这一特点。它表示，轴向磁通电机的操作在其运作过程中保持最佳气隙。近乎所有的工作区间内都可以保持极高的工作效率。例外的是在速度接近零和扭矩接近零时，当然这是众所周知也无可避免的。值得注意的是，其他所有工作区间都达到了极高的效率。应当指出的是，此图显示该电机作为电动机与发电机两种工作状态下都产生了极高的运行效率。传统的解决方案将无法呈现两个极端的运行高效率。

永磁转子和铁磁性的定子表现出对对方较大的引力。相比紧凑设计的合理范围，这种引力对于一种能够调节气隙的机制非常重要。我们曾经完成用一台伺服电机转专门控制定子/转子间隙的实验。这样做是为了实验验证不同气隙的性能优势，以量化成调整气隙所需要的负载。随后测量的转子定子的引力见图2。这个实验验证了性能和效率方面的优势，以及改变气隙所需的力。

目前来说有多种方法来扩展轴向磁场电机的工作区间。以下是现有方法与相向量气隙控制（PVGC?）比，他们的主要缺点：

a)   使用超大电机，覆盖较宽的操作范围 - 增加材料成本，系统的重量，通常在低转速工作区间导致效率的下降；

b)   多速变速箱 - 提高驱动系统的成本、重量和大小，并降低了系统的效率；

c)   外置间隙调整 - 需要用外部手段（即其他机制或伺服）调整间隙，从而增加了成本，重量等；

d)   软件（相位超前） -- 对系统效率产生不利影响。单独使用时，它无法和与主PVGC?机制结合使用时一样，延长转矩 - 速度曲线；

e)   扭矩引起的间隙变化 - 所需的机制较PVGC ?机制复杂；

f)   空芯电机 - 扩展频谱较小，要求使用较大的磁瓦，从而增加了成本，转动惯性和用增加的转动速率保持磁铁附着转子的复杂性。此外，保持和冷却线圈更为复杂。

发明内容