具有可变磁体取向的永磁电机制造技术

一种永磁电机(PM机)包括具有可旋转磁体的转子和与转子限定气隙的定子。致动器通过足以改变可旋转磁体的磁极取向的角距离使可旋转磁体在预定操作点处旋转，并因此用穿过气隙的定子绕组来修改磁通链。固定磁体可以围绕转子的圆周布置。可以有源地或无源地驱动致动器。通量分流元件可选地设置在转子中以进一步修改通链。连接到转矩传递元件的齿轮组可以由致动器驱动以旋转可旋转磁体。车辆包括驱动轮、变速器和PM机。一种方法控制上述PM机中的磁通链。

Permanent Magnet Motor with Variable Magnet Orientation

【技术实现步骤摘要】
具有可变磁体取向的永磁电机引言牵引电动机和发电机形式的电机用于在各种机电系统中产生转矩。电机通常包括转子和耦合的转子轴，它们相对于定子同心地定位。当电机由高压电源(例如逆变器和多节电池组)通电时，转子轴开始旋转。由转子轴传递的电动机转矩可用于在机电系统中执行工作，例如用于发电、起动和启动发动机、或推进车辆。特别是在永磁型电机(PM机)中，由稀土材料构成的磁体表面安装或嵌入转子材料内。定子的芯部限定多个槽，这些槽分别缠绕有导电线或杆以形成定子绕组。定子绕组依次由多相输入电压通电，以产生旋转电磁场。旋转的电磁场又与转子的永磁场相互作用。这种场相互作用发生在磁路中，其中磁通路径从转子延伸穿过小气隙进入定子。因此，来自PM机的电动机转矩通过由磁体产生的转子磁场与由输入电压的外部控制产生的定子磁场的相互作用产生。
技术实现思路
本文公开了一种永磁型电机(“PM机”)，其中一组永磁体的磁北-南极取向被有源或无源地调节，使得电机在不同的操作点具有可变的磁阻和磁通特性。磁极取向的受控变化使得转子和定子之间的磁通量能够实时地修改，例如转子和定子之间的磁通量减小到高于转子的阈值旋转速度并且低于转子的阈值输出转矩。相对于内燃发动机，PM机是在低速/高转矩条件下相对有效的转矩发生器。当电动机转矩被引导至机动车辆的驱动车轮以从静止加速时，可能存在这样的情况。在较高速度下，由于旋转磁体引起的磁通量损失和磁场减弱的要求，电动机损耗增加。因此，高速/低转矩操作点可能导致与通量相关的损失，如果减小，则将使采用这种PM机的系统受益。所公开的PM机旨在提供对该特定现象的可能解决方案，而不会损害电机的结构完整性和封装要求。在示例性实施例中，PM机包括转子，该转子通过花键连接或以其他方式连接到转子轴。PM机还包括定子和致动器。可旋转磁体连接到转子。定子通过气隙与转子隔开，使得在定子和转子之间存在磁通路径。致动器使可旋转磁体在PM机的一个或多个预定操作点处有源地或无源地选择性旋转。旋转通过角距离发生，该角距离足以将可旋转磁体的北-南磁极取向改变到期望的程度，例如，取决于应用，达到180°或更高。顺时针或逆时针旋转可以是可能的，这取决于操作模式，例如在电动或在再生模式下。磁阻以及转子和定子之间的磁通路径以这种方式被修改，即用穿过气隙的定子绕组来修改一定水平的磁通链。转子可选地包括固定磁体，所述固定磁体围绕转子的圆周以交替的北-南磁极取向布置。上述角距离足以抵消来自固定磁体的磁通量。转子具有由外周壁限定的外径和由内周壁限定的内径。可旋转磁体的相应一个可以在与内周壁相邻的位置处与一个或多个固定磁体相邻定位。可旋转磁体的相应一个可以与可选固定磁体的相应一个相邻定位，以与其形成极对。可选地，通量分流元件可以设置在每个极对上，或者作为与可旋转磁体分开的部件或其一部分。通量分流元件可能具有不均匀的材料成分和/或形状以及可调节的取向，使得在通量分流元件的径向相对的半部上存在非均匀磁导率特性。通量分流元件的取向可以用于进一步影响转子和定子之间的通量，其中通量分流元件可能包括另一个磁体作为其构造的一部分。致动器可以被配置为在PM机的一个或多个预定操作点处选择性地旋转可旋转磁体。预定操作点可以是PM机的预定转矩-速度操作点，其中对应于转子的一个或多个转速的预定转矩-速度操作点超过对应的阈值速度和转子的电动机转矩小于对应的阈值电动机转矩。控制器可以与致动器连通，其中致动器响应于来自控制器的控制信号旋转可旋转磁体，并且可能旋转可选通量分流元件。致动器可包括弹簧机构或其他无源元件，其被配置为在低于转子的阈值加速力的第一预定旋转方向上偏置可旋转磁体/可选通量分流元件，并且在高于转子的阈值加速力的第二预定旋转方向上，能够旋转可旋转磁体/可选通量分流元件。本文还公开了一种具有驱动轮、变速器和PM机的车辆。变速器具有输入构件和输出构件，输出构件连接到驱动轮。PM机将电动机转矩传递到输入构件并且如上所述地配置。本文还公开了一种用于控制PM机中的通量的方法。该方法包括将多个可旋转磁体连接到转子，使得可旋转磁体具有相应的北-南磁极取向。该方法还包括相对于转子定位定子，使得定子围绕转子并且与其一起限定气隙。另外，该方法包括通过足以改变相应的北-南磁极取向的角距离经由致动器在PM机的一个或多个预定操作点处选择性地旋转可旋转磁体，，从而用穿过气隙的定子绕组来修改一定水平的磁通链。通过以下对实施例的详细描述以及用于结合附图和所附权利要求来实现本公开的最佳模式，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。附图说明图1是具有如本文所述的具有可变磁极取向的永磁型电机(PM机)的示例性车辆的示意图。图2是示例性电动机速度-转矩曲线图，其中电动机转矩描绘在垂直轴线上，电动机速度描绘在水平轴线上。图3A、图3B和图3C是根据示例性配置的可与图1的PM机一起使用的转子的示意性平面图。图4A和图4B是图3A-3C中所示的转子的替代配置的示意性平面图。图5是用于在图3A-C和图4A-4B的PM机内旋转永磁体的可能的有源实施例的示意性平面图。图6是图5中示出的无源替代实施例的示意性侧视图。图7是可与图1的PM机一起使用的可选通量分流元件的示意性平面图。图8A和图8B是图5中所示配置的可能的基于飞轮的无源变化的示意性平面图。本公开易于进行各种修改和替代形式，并且已经通过附图中的示例示出了一些代表性实施例，并且将在本文中对其进行详细描述。然而，应该理解，本公开的新颖方面不限于附图中示出的特定形式。相反，本公开将覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等同物、组合、子组合、置换、分组和替代。具体实施方式参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1描绘了具有电动动力系12的示例性机动车辆10。电动动力系12包括具有多个电池单元14C的高压电池组(BHV)14。电池组14电连接到永磁型电机(ME)16，下文称为PM机16，其构造有可变磁取向，如下面参照图3A-8B所述。在某些实施例中，PM机16可以用作机动车辆10上的电力牵引电动机，以产生足以推进车辆10的水平的电动机转矩(箭头TM)，用作发电机，和/或用于执行其他有用的工作。图1中所示的PM机16的应用通常不限于移动或车辆应用，或特别是机动车辆推进应用。本领域普通技术人员将理解，当如下参考图3A-8B所述构造时，所公开的PM机16的伴随益处可以扩展到依赖于使用电动机转矩(箭头TM)的固定和移动应用，特别是在PM机16的高速/低转矩操作条件下。作为本公开的基本基础，并且简要参考图2的示例性转矩-速度操作曲线13，在此认识到当在高电动机速度(Nr)和低负载或电动机转矩(Tm)操作时，以有效功率的百分比表示，PM机通常经历相对高的损失，其中，在水平轴线上描绘电动机速度(Nr)，并以每分钟转数(rpm)表示，在垂直轴线上描绘电动机转矩(Tm)，并以牛顿-米(N-m)表示。图2中示出了在区域Z处示出的代表性轮廓，其中磁通量过大并且通量减少将降低PM机、逆变器和相关联的功率电子器件中的损耗。区域(Z)表示从典型PM机的磁体发出的相对大的固定磁场，例如嵌入相对槽中的大矩形条形磁体，以围绕诸如PM机的转子的圆周形成北-南极对。也就是说，在典型的PM机的转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁电机(PM机)，包括：转子组件，其具有大致圆柱形的转子和连接到所述转子的多个可旋转磁体，每个相应一个所述可旋转磁体具有相应的北‑南磁极取向；定子，其通过气隙与所述转子分开，并具有定子绕组；以及致动器，其配置为通过足以改变所述相应的北‑南磁极取向的角距离使所述多个可旋转磁体在所述永磁电机的一个或多个操作点处选择性地旋转，从而用穿过所述气隙的所述定子绕组来修改一定水平的磁通链。

【技术特征摘要】
2018.01.02 US 15/8602391.一种永磁电机(PM机)，包括：转子组件，其具有大致圆柱形的转子和连接到所述转子的多个可旋转磁体，每个相应一个所述可旋转磁体具有相应的北-南磁极取向；定子，其通过气隙与所述转子分开，并具有定子绕组；以及致动器，其配置为通过足以改变所述相应的北-南磁极取向的角距离使所述多个可旋转磁体在所述永磁电机的一个或多个操作点处选择性地旋转，从而用穿过所述气隙的所述定子绕组来修改一定水平的磁通链。2.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述转子还包括围绕所述转子的圆周布置的多个固定磁体。3.根据权利要求2所述的永磁电机，其中所述可旋转磁体的相应一个与所述固定磁体的相应一个相邻定位。4.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述操作点包括所述永磁电机的转矩-速度操作点，并且其中所述转矩-速度操作点对应于超过阈值速度的所述转子的转速，以及小于阈值转矩的所述转子的输出转矩。5.根据权利要求1所述的永磁电机，还包括：控制器，其与所述致动器连通，其中，致动器被配置为响应于来自所述控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·H·斯威尔斯，K·M·拉哈曼，C·S·罗斯，G·塔马伊，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US