[发明专利]具有可变磁体取向的永磁电机

说明书

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。

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。

发明内容

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。