專利名稱：一種不借助外部機制改變軸向磁場電機的氣隙的方法
技術領域：
本發明涉及無需外部機制而改變軸向磁場電動機拓撲的空氣間隙的應用。
背景技術：
已經公認，永磁旋轉電機能提供更高的整體效率，并使得整體能源成本降低。相比其他拓撲結構，近年來軸向磁通旋轉電機在 功率密度和效率上呈現出更為顯著的提高。此夕卜，發明者已經證明，利用各種不同的技術，定子和轉子之間的氣隙可以改變，從而創建一個擴展的轉矩-速度曲線，而這通常無法通過其他的旋轉永磁電機實現。在軸向機器中，在使用過程中改變空氣間隙將產生一個解決與之相沖突的操作要求的方案。第一個近似值，穿過氣隙(BG)的磁通與磁體的剩磁(Br)有關，關系如下
Br/Bg 1/C + g/lm,
其中g是氣隙，Im是磁鐵的厚度，C 是問題電機的磁通集中因數，這是一個無維數，此類型的電機約為0. 9。這里最重要的是，從一個給定的電機繞組電流產生的轉矩實際等于Bg乘以一個因數，此因數是指電機的所有設計細節的總參數。Bg乘以電機等設計參數的數值，簡單地稱為電機力矩常數kT。T = I* kT是一個基本的電機關系。由于所產生的功率等于扭矩乘以角速度《，或P = * T，而P等于I * V，可以表示為，一個旋轉的電機在其終端產生電壓E = to * krot。也可以說,常數krot與KT是相同的。飛輪應用中，KT的影響是非常重要的。對于一個給定的KT，電機的最高速度是由作為電源的電壓給出的。這通常被稱為空載轉速。對于具有額定繞組輸入電流的電機來說，這也確定了來自電機的峰值扭矩。繞組電感和電阻限制了此約束，但扭矩與速度曲線形似于一個長方形的圖(尤其對于高效率的軸向磁通電機來說，擁有低電感和低電阻繞組)。因此，功率與速度非常近似直線，直到在空載轉速達到0時才會不同。在徑向磁場電機中，基本電機參數一定固定的。在軸向磁場電機中則不一定。通過簡單地改變間隔距離，也就是改變了氣隙，進而改變了磁通，根據磁通的變化，kT也隨之改變。如果這是在電機工作中動態的完成，那么它可能使電機變成一個類似有一個內置無級變速器+電機的組合一輸出軸既能在低轉速下具有高扭矩能力，又保留了高轉速輸出的能力，且其功率、效率不會因此而產生變化。如果氣隙在最小和最大氣隙之間不斷變化的話，運行的電機內部會產生一個新的工作曲線圖(見圖I )。除了擴大操作曲線范圍，還有一個重要和獨特的好處，有一個可變氣隙，氣隙變化不僅可以擴展速度范圍或提高低速扭矩，它也可以被用來大大拓展電機的高效率工作區域。與其他拓撲結構相比，這種效果會反過來導致其在擴展操作區域會產生很差的效率。圖I中的整體效率圖清楚的顯示了這一特點。它表示，軸向磁通電機的操作在其運作過程中保持最佳氣隙。近乎所有的工作區間內都可以保持極高的工作效率。例外的是在速度接近零和扭矩接近零時，當然這是眾所周知也無可避免的。值得注意的是，其他所有工作區間都達到了極高的效率。應當指出的是，此圖顯示該電機作為電動機與發電機兩種工作狀態下都產生了極高的運行效率。傳統的解決方案將無法呈現兩個極端的運行高效率。永磁轉子和鐵磁性的定子表現出對對方較大的引力。相比緊湊設計的合理范圍，這種引力對于一種能夠調節氣隙的機制非常重要。我們曾經完成用一臺伺服電機轉專門控制定子/轉子間隙的實驗。這樣做是為了實驗驗證不同氣隙的性能優勢，以量化成調整氣隙所需要的負載。隨后測量的轉子定子的引力見圖2。這個實驗驗證了性能和效率方面的優勢，以及改變氣隙所需的力。 目前來說有多種方法來擴展軸向磁場電機的工作區間。以下是現有方法與相向量氣隙控制(PVGC )比，他們的主要缺點
a)使用超大電機，覆蓋較寬的操作范圍-增加材料成本，系統的重量，通常在低轉速工作區間導致效率的下降；
b)多速變速箱-提高驅動系統的成本、重量和大小，并降低了系統的效率；
c)外置間隙調整-需要用外部手段(即其他機制或伺服)調整間隙，從而增加了成本，重量等;
d)軟件(相位超前)一對系統效率產生不利影響。單獨使用時，它無法和與主PVGC 機制結合使用時一樣，延長轉矩-速度曲線；
e)扭矩引起的間隙變化-所需的機制較PVGC 機制復雜；
f)空芯電機-擴展頻譜較小，要求使用較大的磁瓦，從而增加了成本，轉動慣性和用增加的轉動速率保持磁鐵附著轉子的復雜性。此外，保持和冷卻線圈更為復雜。
發明內容
本發明所解決的技術問題在于提供自動改變軸向磁場電動機拓撲的空氣間隙的方法，以解決上述背景技術中的缺點。一種不借助外部機制改變軸向磁場電機的氣隙的方法，利用彈性元件產生的相對于定子與轉子間固有吸力的反作用力，使轉子相對于定子的位置通過相電流產生的力而改變，獲得一個擴展的工作范圍，擴大電機的轉矩、轉速輸出范圍以及擴大電機高效運轉的工作區間，通過改變相電流變換的時間擴展電機的轉矩-轉速曲線且保持高效運轉，影響作用于轉子上力的大小與方向，在零相角，所有的力通過旋轉轉子的相電流獲得，當離開零相角時，軸向力開始產生作用，轉子與定子之間產生引力或斥力，進而改變轉子與定子之間的相對位置。本發明由動態變化氣隙組成，無需使用任何外部機制，通過內部控制磁力，并用一個彈性元件做出一個反力，可變氣隙就可以設法管理和控制扭矩輸出，通過改變應用于電機繞組上的相電流的時間來實現的，此相向量氣隙控制(PVGC )可以顯著降低重量，成本和系統復雜性，同時提高系統的性能和可靠性，相電流的時間操控也被稱為相位超前，它本身是一種擴展電機的轉矩-速度曲線的手段，當由于所要求的量用于獲得任何有意義的轉矩-速度曲線的擴展時，效率很高，相位超前的方法是相角度-抵消的電角度，抵消可以是提前的或推遲的，相位超前影響作用于轉子的力的向量的大小，在零相角，所有的力通過旋轉轉子的相電流獲得。當離開零相電流角度，軸向力開始產生作用，導致轉子與定子產生引力或者轉子與定子產生斥力，由于主電機使用永久磁鐵和鐵磁性的定子，轉子定子之間具有固有的引力，其中一個方式就是，利用彈性元件平衡轉子對定子的引力，使轉子在彈性元件上屬于“浮動”的狀態，從而使相電流產生的力更容易的改變氣隙。有益效果
本發明可以顯著降低重量、成本和系統復雜性，提高系統的性能和可靠性，非常適合在各種不同的操作條件下要求高效率的應用，特別適在給定功率條件下既能夠在低轉速高轉矩的工作狀態上短時間運行并且又能夠在高轉速條件下持續運行的要求。
圖I氣隙調整對扭矩速度曲線和效率的影響。 圖2實驗所測得的轉子-定子引力與氣隙關系。圖3相向量氣隙控制(PVGC )機械原理圖。圖4彈簧機制的方式一。圖5彈簧機制的方式二。
具體實施例方式為了使本發明的技術手段、創作特征、工作流程、使用方法達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。參照圖I、圖2、圖3、圖4、圖5，永磁轉子I、定子鐵芯2、彈性元件3、彈簧4、花鍵5、擾性板6、簡易軸承7，發明的重要組成部分是需要分析和選擇浮動的彈性元件的設計，彈性元件有兩個方面需要解決
首先是其力撓度曲線的一般形狀，第二個是相對引力曲線的曲線方向。如前面圖2所示，吸引力和氣隙是非線性的。最佳的彈性元件應該有一個力/撓度曲線，幾乎與引力/間隙曲線重合。附錄顯示了不同的彈簧的形狀與相對引力曲線的圖表。圖中表現了線性彈簧、雙線性彈簧和多彈簧組合的特性。一個提供簡單和成本經濟的解決方案的體現是，一個雙線性彈簧布置。通常來說碟型彈簧(即貝勒維爾彈簧)比較常用，在其彈性范圍內體積相對合適。其大部分力撓度曲線幾乎都是線性，使用不同彈簧的組合以配合各種不同的撓度曲線要求。利用花鍵和彈簧機制，花鍵負責從轉子向軸傳遞力矩。彈簧或彈簧包負責通過平衡定子轉子吸力來控制氣隙。最簡單的撓性板是一塊鋼板，要求其性質能夠連接轉子到旋轉電機的軸上。鋼板既能傳遞扭矩，也提供彈簧作用來控制氣隙。其他組合也可能存在，并且不限制本發明的一般性。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種不借助外部機制改變軸向磁場電機的氣隙的方法，其特征在于，利用彈性兀件產生的相對于定子與轉子間固有吸力的反作用力，使轉子相對于定子的位置通過相電流產生的力而改變，獲得一個擴展的工作范圍，擴大電機的轉矩、轉速輸出范圍以及擴大電機高效運轉的工作區間，通過改變相電流變換的時間擴展電機的轉矩-轉速曲線且保持高效運轉，影響作用于轉子上力的大小與方向，在零相角，所有的力通過旋轉轉子的相電流獲得，當離開零相角時，軸向力開始產生作用，轉子與定子之間產生引力或斥力，進而改變轉子與定子之間的相對位置。
全文摘要
本發明公開了一種不借助外部機制改變軸向磁場電機的氣隙的方法，由動態變化氣隙組成，通過內部控制磁力，用一個彈性元件做出一個反力，可變氣隙就可以設法管理和控制扭矩輸出，通過改變應用于電機繞組上的相電流的時間來實現的。本發明可以顯著降低重量、成本和系統復雜性，提高系統的性能和可靠性，非常適合在各種不同的操作條件下要求高效率的應用。
文檔編號H02P23/00GK102684325SQ20121015679
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月21日 優先權日2012年5月21日
發明者艾瑞克.卡拉尼 申請人:艾瑞克.卡拉尼