CN111213307A - 具有被动控制的可变转子/定子对准的永磁电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机，包括：第一子系统和第二子系统，所述第一子系统和所述第二子系统中的一个为磁转子组件，并且所述第一子系统和所述第二子系统中的另一个为线圈定子组件；毂组件，所述毂组件支撑所述磁转子组件和所述线圈定子组件并限定旋转轴线；以及轴承组件，所述轴承组件将所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个支撑在所述毂组件上，其中所述第一子系统具有用于生成轴向定向磁场的升力生成元件阵列；所述第二子系统具有与所述第一子系统的所述升力生成元件阵列对准且与其相对的导电区域；并且其中，所述轴承组件使得所述磁转子组件能够围绕所述毂组件的旋转轴线旋转，并且使得所述磁转子组件距所述线圈定子组件的分隔距离能够变化。

Description

具有被动控制的可变转子/定子对准的永磁电动机

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月5日提交的美国临时申请号62/554,068和2018年3月21日提交的美国申请号15/927,328的权益，两者以引用的方式并入本文中。出于美国目的，本申请是美国申请号15/927,328的连续案。

技术领域

本发明的实施例大体上涉及电动机，且更具体地涉及表现出可变转矩常数的电动机。

背景技术

电动机可以由转矩常数Kt表征，转矩常数Kt基本上为由电动机产生的转矩除以产生该转矩所需的线圈电流。具有高转矩常数的电动机通常可用于在低RPM下产生高转矩；而具有较低转矩常数的电动机可更适合于在不需要高转矩时产生较高速度。在非常一般的意义上，转矩常数是在线圈组件和磁转子组件之间的电磁耦合的量度。相比较低的耦合，较高的耦合产生更高的转矩常数。但使用具有较高转矩常数的电动机的不利方面中的一个是相对较高的反向EMF和在较高速度时生成的感生的涡电流。反向EMF和感生的涡电流降低了电动机可达到的最大速度，且在较高速度下产生较高损耗，即，较低效率操作。因此，可能需要在操作范围上改变转矩常数，从而在较低速度下提供较高转矩常数且在较高速度下提供较低转矩常数。

发明内容

一般而言，在一个方面，本发明的特征在于一种电动机，包括：第一子系统和第二子系统，所述第一子系统和第二子系统中的一个包括磁转子组件，并且所述第一子系统和第二子系统中的另一个包括线圈定子组件；毂组件，所述毂组件支撑所述磁转子组件和所述线圈定子组件并限定旋转轴线；以及轴承组件，所述轴承组件将所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个支撑在所述毂组件上。所述磁转子组件包括转矩生成磁体阵列；所述线圈定子组件包括驱动线圈阵列，所述驱动线圈阵列与所述磁定子组件的所述转矩生成磁体阵列相对；所述第一子系统包括用于生成轴向定向磁场的升力生成元件阵列；所述第二子系统包括与所述第一子系统的所述升力生成元件阵列对准且与其相对的导电区域，所述升力生成元件阵列和所述导电区域在所述轴向方向上彼此间隔开分隔距离；并且其中，所述轴承组件使得所述磁转子组件能够围绕所述毂组件的旋转轴线旋转，并且使得所述磁转子组件和所述线圈定子组件的分隔距离能够响应于由所述升力生成元件阵列和所述导电区域相对于彼此的相对移动产生的升力而变化。

其它实施例包含以下特征中的一个或多个。所述轴承组件将所述第一子系统支撑在所述毂组件上，和/或将所述第二子系统支撑在所述毂组件上。所述第一子系统包括所述磁转子组件，并且所述第二子系统包括所述线圈定子组件；或替代地，所述第一子系统包括所述线圈定子组件，并且所述第二子系统包括所述磁转子组件。所述升力生成元件阵列是永磁体阵列或电线圈阵列。所述轴承组件包括将所述磁转子组件支撑在所述毂组件上的旋转轴承组件。所述轴承组件包括将所述线圈定子组件支撑在所述毂组件上的线性轴承组件。所述轴承组件将所述磁转子组件支撑在所述毂组件上，且使得所述磁转子组件能够围绕所述旋转轴线旋转且沿着所述旋转轴线纵向地来回移动。所述第二子系统包括形成所述导电区域的环形形状的导电板。所述磁转子组件和所述线圈定子组件形成径向磁通电动机或轴向磁通电动机。

附图说明

图1描绘了在导电板上方的移动磁体。

图2是对于图1的系统的升力和阻力随转速而变的图形。

图3A-B示出了定子组件响应于旋转的磁转子组件轴向地移动的实施例。

图4A示出了磁转子组件的一个面上的升力生成磁体阵列。

图4B示出了磁转子组件的周边壁上的转矩生成磁体阵列。

图4C示出了线圈定子组件上的线圈阵列和导电板。

图5是对于图3A的系统的转矩系数Kt随磁转子组件的转速而变的图形。

图6A示出了一个实施例，其中升力生成磁体阵列在磁转子组件上，且线性轴承组件支撑线圈定子组件。

图6B示出了一个实施例，其中升力生成磁体阵列在磁转子组件上，线圈定子组件是静止的，并且磁转子组件通过轴承组件支撑在毂上，这允许磁转子组件的旋转移动和轴向定向移动。

图7示出了一个实施例，其中线圈定子组件上的驱动线圈也用作升力生成元件。

图8示出了一个实施例，其在线圈定子组件上采用不同于驱动器阵列的升力生成线圈阵列。

图9示出了一个实施例，其中升力生成机构(例如，导电板)的一个部件由电动机的一部分支撑，该部分既不是线圈定子组件也不是磁转子组件。

图10示出了采用升力生成机构实施可变转矩系数的轴向磁通电动机。

在前面的图式中，相同元件和相同部件可以用相同的附图标记标识。

具体实施方式

本文中描述的永磁(PM)同步电动机提供了一种用于改变电动机的转矩常数以在更宽范围转矩/速度(例如，在高速下低转矩，在低速下高转矩)上实现改进的效率的机制。一般而言，电动机以与电动机的电流和/或速度直接相关的方式被动地改变转矩常数。它们采用单独的磁场生成阵列产生升力(和阻力)，其量值取决于电动机的速度。所得升力使电动机元件中的一个元件在轴向方向上相对于另一元件移动，由此改变磁体接合长度且因此改变转矩常数。

升力机制依赖于磁场在导电板上方移动时由磁场在导电板中感生的涡电流。所感生的涡电流生成与磁体的磁场相对的其自己的磁场。磁体的磁场与由涡电流产生的磁场的相互作用产生推动磁体远离导电板的力。

这由图1示出，图1示出了以速度v并且在板上方的距离x处向右并且平行于导电板12移动的磁体10。在此实例中，磁体具有长度L、宽度b和厚度h，且导电板具有厚度d。磁体在导电材料中产生涡电流，所述涡电流继而以排斥力(升力)F_升力和阻力F_阻力两者作用于磁体上。这些力的方向在图中示出。支配此相互作用的定理被称为洛伦兹定理，洛伦兹定理描述在导电材料上方移动磁体会产生相对的B场并因此产生升力。图1中所示的布置的升力是磁体特性、磁体和导电板的几何形状以及磁体行进的速度的函数。

对于径向电动机，升力生成磁体阵列将以某转速ω在导电板上移动，ω对应于切向速度v，即，

v＝ωr

如图2上所示，对于极慢速度，阻力将高于升力。但是，一旦达到临界速度，升力将变得大得多，但始终存在一些阻力。(注：在图2中，下面曲线表示阻力，上面曲线表示升力。)

在图3A中示意性地描绘采用此原理的电动机100。电动机包括磁转子组件102和线圈定子组件104，两者安装在具有纵向轴线108的轴106(或毂组件)上。磁转子组件102通过轴承110支撑在轴106上，所述轴承使得磁转子组件102能够围绕轴旋转，但不允许其在轴向方向上沿着轴移动。另一方面，线圈定子组件104通过线性轴承系统112安装在轴106上，所述线性轴承系统允许线圈定子组件104在轴向方向上沿着轴来回移动，但不允许其围绕轴旋转。

磁转子组件102包括两个磁体阵列，即转矩生成磁体阵列114和升力生成磁体阵列116。如图4B中所示，转矩生成磁体阵列114由永磁体118形成，所述永磁体围绕磁转子组件102的周边布置且其磁化方向相对于转子组件的旋转轴线指向径向方向。例如，磁体可以是相同形状和相同尺寸的元件，其围绕转子组件均匀地间隔开，其磁化方向在正径向方向和负径向方向之间切换。或者，磁化方向可以被布置成形成海尔贝克阵列(Halbach array)。布置转子组件的永磁体的不同方式是本领域技术人员熟知的。

如图4A中所示，升力生成磁体阵列116由永磁体120形成，所述永磁体在面向线圈定子组件104的磁转子组件102的面上以圆形图案布置。升力生成磁体阵列116的永磁体120被布置成使得其磁化方向全部指向轴向方向，围绕阵列的模式为N-S-N-S。或者，可以使用其他模式，例如N-N-S-S-N-N-S-S……或者海尔贝克阵列，仅列举其他可能实例中的仅两种实例。

在此实施例中，如由图4C所示，线圈定子组件104具有围绕磁转子组件102的圆柱形状的外壁105，并且在磁转子组件的内侧上安装环绕旋转轴线108的线圈阵列122的均匀间隔开的线圈124的阵列。线圈阵列122的线圈124被布置成与磁体阵列114的磁体118相对，它们的轴线径向地定向。当适当的驱动信号被施加到线圈124时，线圈生成的磁场与磁体118的场相互作用将在磁转子组件102上产生转矩，导致其在某方向上以取决于施加的驱动信号的速度围绕旋转轴线108旋转。

参考图3A，在线圈定子组件104的内部竖直壁126(即，面向磁转子组件102的壁)上，存在环绕旋转轴线的导电材料的环(或环形形状的导电板)128(例如，铝板)。替代地，线圈定子组件104的主体可以由铝(或某种导电材料)制成，在这种情况下，不需要单独的环形形状的导电板，而是线圈定子组件本身的主体可以用作导电环。

最后，存在弹簧组件130，其用于提供反对线圈定子组件104的后侧的返回力，所述返回力抵抗线圈定子组件的向左移动(即，线圈定子组件远离磁转子组件的移动)。当电动机不操作时，弹簧组件130朝向磁转子组件推动线圈定子组件104且抵靠着止挡件(未示出)，在所述止挡件位置处，驱动线圈阵列和转矩生成磁体阵列彼此之间重叠最大。在所描述的实施例中，弹簧组件130包括恒定力弹簧，针对所述恒定力弹簧生成的力在一定操作范围上基本上恒定；然而，可使用具有其它力特性的弹簧。另外，除了弹簧之外的构件可以用于生成返回力。

在操作期间，当磁转子组件102旋转时，升力生成磁体阵列116在导电板128上方的移动会在线圈定子组件104上产生力F_升力，在其线性轴承组件112上向左并远离磁转子组件102推动所述线圈定子组件，从而增大两者之间的间隙x_空气，如由图3B所示。随着转速增加，间隙x_空气增加的量取决于升力阵列的强度、导电材料特性和弹簧力。随着间隙增加，F_升力减小，直到其等于由弹簧组件施加的力。

如果使定子返回到完全接合位置的弹簧力是恒定的，如在此实例中所假定的情况，那么升力在整个操作范围中也将是恒定的。即，

∑F_x＝0

F_弹簧＝F_升力＝常数

对于径向磁通电动机，转矩常数与磁体接合长度线性地成比例，如下所示：

Kt(x)＝NI(L₀–x_d)B

其中L₀是线圈和磁体之间的最大重叠长度，(L₀-x_d)是“接合长度”或当线圈已离开最大重叠移动距离x_d时重叠量的量度，N是线圈中的绕组的数目，I是通过线圈的电流，以及B是如由线圈经历的磁体的场强。

如上所述，当电动机加速时，间隙x_air增大，这降低接合长度(L₀-x_d)，由此减小转矩常数Kt。图5中示出了对于样本电动机的恒定弹簧力2N的此关系的示例性图形。这意味着在较高速度下，电动机将较少受电压限制，且相比于具有常数Kt的电动机，将具有减小的旋转损耗。旋转损耗(例如铁芯损耗和涡流损耗)也与接合长度(L₀-x_d)成比例。换句话说，可变转矩常数电动机不仅在较大的转矩/速度组合范围内具有较高效率，而且其也具有较高最高速度。这是由于在较高速度下转矩常数减小，这又导致减小反向EMF，从而允许对于给定驱动电压电动机达到更高速度。

存在实施由图3A和3B的实施例表示的总体构思的其他方式。例如，另一个实施例由图6A示出，其中保持转矩生成永磁体阵列142的磁转子组件140包围保持线圈阵列146的线圈定子组件144。在其它方面，设计非常类似于图3A-B的设计之处在于在磁转子组件140的内侧壁上存在升力生成磁体阵列148，其中磁体的磁化方向轴向定向且导电板150由线圈定子组件144支撑，使得其面向升力生成磁体阵列148。磁转子组件140由轴承组件152支撑在轴154(或毂)上，所述轴承组件允许磁转子组件围绕轴154的纵向轴线旋转，但不在轴向方向上沿着该轴移动。另一方面，线圈定子组件144由线性轴承组件160支撑在轴154上，从而允许线圈定子组件在轴向方向上来回移动，但不围绕该轴154旋转。弹簧组件130对线圈定子组件130的后侧施加力。与图3A-B中所示的实施例一样，磁转子组件140上的旋转升力磁体阵列148在导电板150中感生涡电流，使线圈定子组件144向右移动，减小磁接合长度且由此减小转矩常数。

图6B中示出类似于图6A所示的布置。在此另一布置中，线圈定子组件144在轴154上是静止的(即，它既不能旋转也不能纵向移动)，并且磁体转子组件140由轴承组件153支撑在轴154上，所述轴承组件使磁体转子组件能够围绕轴旋转，并且在轴上纵向地来回移动。在此情况下，弹簧组件130对磁转子组件140的后侧施加恢复力。

又一布置由图7示出，图7示出了类似于图6A所示的实施例，除了由升力磁体阵列执行的功能改为由驱动线圈160执行之外。更具体地，驱动线圈161从线圈定子组件164的外圆周延伸到线圈定子组件164的前表面162上，在此处，驱动线圈还在磁转子组件140上生成轴向定向且朝向导电板166的磁场。轴向定向的磁场在旋转的导电板166中感生涡电流，由此生成升力，所述升力将线圈定子组件164向右抵靠弹簧130推动且取决于旋转速率推动到新位置。

再一种方法由图8示出，图8示出了类似于图7所示的实施例，除了不是使用驱动线圈170生成引起升力的场，而是使用单独的升力生成线圈172。换句话说，在线圈定子组件164的与磁转子组件140上的导电板166相对且面向所述导电板的面174上，存在围绕线圈定子组件164排列且与导电板166对准的升力生成线圈172。在此实施例中，升力线圈在数量上等于驱动线圈，并且它们接收相同的驱动信号。因此，驱动信号被传递到总线176，且对应的升力和驱动线圈连接到所述总线。

在到此为止描述的所有实施例中，参与生成升力的元件中的一个元件是旋转元件，即磁转子组件。不是这种情况的其它实施例是可能的。例如，参见由图9所示的实施例。在此实施例中，磁转子组件800承载转矩生成磁体阵列802，并且磁转子组件在承载驱动线圈阵列806的线圈定子组件804内旋转。磁转子组件800通过轴承808安装在毂组件154上，所述轴承使磁转子组件能够围绕轴154的旋转轴线108旋转。线圈定子组件804由一组线性轴承810支撑在轴154上，所述线性轴承允许线圈定子组件在轴向方向上沿着轴154来回移动，但不允许它围绕轴旋转。非旋转线圈定子组件804还包括在其后侧814，即，背离磁转子组件800的一侧上的升力生成线圈阵列812。邻近线圈定子组件804的后侧是盘(或结构)816，其固定地安装在轴154上，使得它既不能旋转也不能在轴向方向上沿着轴移动。盘816包括环形形状的导电板818，其面向线圈定子组件804的后侧上的升力生成线圈阵列812。当没有信号被施加到升力生成线圈阵列812时，弹簧组件130推动线圈定子组件804，促使其朝向盘816并抵靠止挡件(未示出)。在该特定的实施例中，驱动升力生成线圈阵列812的信号与驱动驱动线圈阵列806的驱动信号相同。(升力生成线圈阵列812可以由不同信号单独地驱动。)

在操作期间，施加到升力生成阵列的驱动信号将在导电板818处产生根据变化的驱动信号而变化的磁场。这将在导电板中感生涡电流，所述涡电流继而产生推动线圈定子组件804远离盘816且反对由弹簧组件130产生的返回力的升力，如先前所描述。

到目前为止所提供的实例全部涉及径向磁通量永磁体同步电动机。这些构思也适用于轴向磁通量永磁同步电动机。图10描绘了轴向磁通量电动机200，其使用升力磁体阵列202来改变驱动线圈204与磁转子组件208的转矩产生磁体206之间的间隙的宽度x_空气。线圈定子组件210具有围绕线圈定子组件210的周边排列的驱动线圈阵列204。在磁转子组件208的相对面上有围绕转子组件的周边排列的磁体组。磁体阵列的磁体的磁化方向以某种模式轴向定向，所述模式例如但不限于：N-S-N-S-N..；2N-2S-2N-2S…；或海尔贝克阵列。在磁转子组件208的同一面上且更接近旋转轴线，还有围绕旋转轴线排列的一组升力生成磁体214。这些磁体还使得其磁化方向轴向定向以产生这样的磁场，其在一个磁体围绕磁体阵列移动时从正轴向方向变成负轴向方向。在线圈定子组件的相对面的对应位置(与驱动线圈所位于的相同面)上有导电板212。当磁转子组件旋转时，升力阵列的磁场与导电板的相互作用生成如先前所描述的升力，且使线圈定子组件向右移动，从而减少驱动线圈与转矩生成磁体阵列之间的耦合，从而降低电动机的转矩系数。在其他方面，图10的电动机与先前针对其他实施例所描述的相同地操作，其中某些编号的元件执行先前描述的类似编号的元件的功能。

其它实施例在以下权利要求书内。例如，磁转子组件或线圈定子组件可以随着其它不旋转的部分旋转。通常，具有线圈的部分是非旋转部分；否则需要换流器(如通常在DC有刷电动机中见到的)。类似地，升力磁体和导电材料可以被交换，使得升力磁体在线圈定子组件上，并且导电材料在磁转子组件上。这些构思对任一方式都奏效；然而，诸如需要限制惯性的一些折衷可能会影响决定。还应注意，这些构思通常适用于除AC永磁同步电动机之外的电动机类型。

Claims (14)

1.一种电动机，其包括：

第一子系统和第二子系统，所述第一子系统和所述第二子系统中的一个包括磁转子组件，并且所述第一子系统和所述第二子系统中的另一个包括线圈定子组件；

毂组件，所述毂组件支撑所述磁转子组件和所述线圈定子组件并限定旋转轴线；以及

轴承组件，所述轴承组件将所述第一子系统和所述第二子系统中的至少一个支撑在所述毂组件上，

其中所述磁转子组件包括转矩生成磁体阵列；

其中，所述线圈定子组件包括驱动线圈阵列，所述驱动线圈阵列与所述磁定子组件的所述转矩生成磁体阵列相对；

其中所述第一子系统包括用于生成轴向定向磁场的升力生成元件阵列；

其中所述第二子系统包括与所述第一子系统的所述升力生成元件阵列对准且与其相对的导电区域，所述升力生成元件阵列和所述导电区域在所述轴向方向上彼此间隔开分隔距离；并且

其中，所述轴承组件使得所述磁转子组件能够围绕所述毂组件的旋转轴线旋转，并且使得所述磁转子组件和所述线圈定子组件的分隔距离能够响应于由所述升力生成元件阵列和所述导电区域相对于彼此的相对移动产生的升力而变化。

2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述轴承组件将所述第一子系统支撑在所述毂组件上。

3.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述轴承组件将所述第二子系统支撑在所述毂组件上。

4.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述轴承组件将所述第一子系统和所述第二子系统两者支撑在所述毂组件上。

5.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一子系统包括所述磁转子组件，并且所述第二子系统包括所述线圈定子组件。

6.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一子系统包括所述线圈定子组件，并且所述第二子系统包括所述磁转子组件。

7.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述升力生成元件阵列是永磁体阵列。

8.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述升力生成元件阵列是电线圈阵列。

9.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述轴承组件包括将所述磁转子组件支撑在所述毂组件上的旋转轴承组件。

10.根据权利要求9所述的电动机，其中，所述轴承组件包括将所述线圈定子组件支撑在所述毂组件上的线性轴承组件。

11.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述轴承组件将所述磁转子组件支撑在所述毂组件上，并且使得所述磁转子组件能够围绕所述旋转轴线旋转并且沿着所述旋转轴线纵向地来回移动。

12.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第二子系统包括形成所述导电区域的环形形状的导电板。

13.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述磁转子组件和所述线圈定子组件形成径向磁通电动机。

14.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述磁转子组件和所述线圈定子组件形成轴向磁通电动机。

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