CN103580411A - 一种永磁无刷自适应变速驱动电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁无刷自适应变速电机，包括定子、转子轴、转子和离心调磁机构，其特征在于电机的转子分成两个部分以上，一部分为主要转子，占据定子气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与转子轴固定连接，通过转轴输出机械力矩；剩余部分为调磁转子，置于轴上主要转子端面一则，可以绕轴转动一定角度；调磁转子上设置蹄块式离心调磁机构、蹄块与装在转子轴上的中心轮偶合，可绕中心轮作转动；另有复位弹簧，固定于调磁转子和主要转子之间；在离心力和弹簧力的作用下，调磁转子依据转速变化发生相对角位移而改变磁链状态，使电机自动适应阻力矩大小变化，获得在额定转速内恒转矩并且额定转速以上恒功率变速的特性；这种特性特别适于驱动车辆。

Description

一种永磁无刷自适应变速驱动电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷电机，尤其涉及电动车辆驱动用的永磁无刷电机。

背景技术

近年来由于电机及控制技术的发展和环境保护的要求，电动车辆迅速发展，驱动电机作为其关键部分，具有十分重要的作用。其中永磁无刷电机由于结构紧凑，比功率大，效率高，技术成熟，因此，在现有的电动车辆中获得了广泛的应用。

但是，普通的永磁无刷电机难以调整电机磁通量，难以具备车辆驱动所需的等功率调速特性，其机械特性的高效区域不能覆盖实际使用工况的变化范围，这是很不经济的。上世纪80年代以来，先后提出了许多技术方案，主要是弱磁调速，其中一类方案是通过实时改变磁路结构来达到减弱子磁链的目的。

其中类似本发明的有：由本人发明已获授权的专利：CN101789735A  一种永磁无刷电机的一体化自适应磁通分流扩速方法，这种设计比较适用于长径比较小的电机；CN102064656A  转子滑移互补励磁永磁无刷变速电机，可减少电机长度，但部分磁铁未能充分得到利用。

另有双转子或多转子。最早见于美国1972年公开的双转子交流发电机专利US3713715，该专利用电磁铁驱动螺旋销子机构改变副转子磁场相位；日立制作所专利ZL02102457.X运输系统和电动发电机，同样使用了电磁铁和螺杆结构旋转或移动转子；2008年5月公开的美国迪尔公司专利CN101188374A双转子电磁机使用伺服电机和行星齿轮机构来移动转子；而最近见于 2010年5月公开的专利US7642683B2自调永磁装置，使用电磁螺线管作为移动转子的动力。

这几个国外专利都使用了2个或两个以上的永磁转子，使用电磁铁或电机改变其中某个转子的位置来改变气隙磁场，虽然能够达到调节磁链的目的，但机构相对复杂，零件数量较多，并且需额外消耗电能，制造和使用成本都相对较高。

发明内容

本发明目的在于提供一种新的设计，一套离心机构自成系统，兼具检测转速和自动按设定函数实时调控磁场的功能，不需要额外消耗电能；不增加电机轴向长度，它具有相对简单的结构；能用于细而长的电机；磁铁的利用率较高。

本发明是由如下构造来实现的，一种永磁无刷自适应变速驱动电机，包括外壳、定子及绕组、转子轴、主要转子、调磁转子和离心调磁机构。其特征在于电机的转子分由两部分构成，一部分为主要转子，占据定子气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与转轴固定连接，通过转轴输出机械力矩；另一部分为调磁转子，置于轴上主要转子一端，可以绕轴转动一定角度；调磁转子上还设置有销轴，销轴上有离心蹄块、离心蹄块与装在转子轴上的中心轮偶合，可绕中心轮作转动；限位结构限制离心蹄块转动的角度，它由离心蹄块上的限位孔和调磁转子上的销钉组成；另有复位弹簧，一端固定于调磁转子，一端固定于主要转子，使得在额定转速内保持初始状态和在额定转速外的某个速度与离心蹄块9离心力平衡以控制转子的角位移量。

本发明的工作原理如下：设主要转子的磁通为A，为常相量，调磁转子磁通为B（n），B的相位可以改变，变化规律被设计成转速n的分段连续函数，B的最大值的绝对值小于A，定子绕组所铰链的磁通C=A+B，为A、B相量之和。电机起动后，转速逐渐增加，离心蹄快随之转动，并产生离心力F=rmω，力值为转速ω之平方乘以蹄快质量m乘以质心半径r之积                                                

；在达到额定转速之前，主要转子和调磁转子在弹簧力K的用下保持相同相位，磁通C最大，电机输出最大扭矩；但是转速一旦达到额定转速并继续增加，离心力F超过弹簧力K，离心蹄块开始绕销轴转动，并带动调磁转子绕中心轮转动，使调磁转子相对于主要转子移开一个角度Δθ，使A和B之间出现相位差Δφ，A+B叠加结果，磁通量C趋于减小，因扭矩同磁通成正比，所以扭矩减小，但转速同磁通成反比，转速增加……，这是个正反馈过程，直到电机扭矩与负载扭矩平衡为止转速不再增加。否则离心蹄块将移动到限位点；在限位点，A和B之间出现最大相位差Δφmax，Δφmax≤180°电角度，电机将终止于设计的极限转速。由于C＞0，不会出现转速失控。

本发明的优势在于：首先，本发明用巧妙的方法实现了低速大扭矩和等功率增速调节效果。因为功率等于转速和扭矩的乘积，额定转速以后，扭矩减小，转速增加，输出功率并不改变；由于这是以输入功率不变为前提的，所以其比值即效率不变，在额定转速以上很宽变速范围都容易得到近似于额定点的最高效率。

第二，由于本发明自成闭环调节系统，不增加额外电控系统开销，转矩和转速随负载变化按设定函数自动调节，稳定可靠。

第三，由于本发明新增零件很少，绕组端部空间即可容纳变速机构，基本不增加电机体积，又不额外消耗电能，节约使用成本，特别适合于既需要等功率调速特性，又使用电池作为能源的车辆或电动工具等。

第四，本发明新增的调速机构零件，离心蹄快和中心转盘及弹簧简单易得，制成工艺简单，适于批量生产，成本低廉。 

附图说明

图1是实施例1的结构剖视图

图2是调速转子的端面视图及额定转速以内运转时调速机构无角位移的状态

图3是额定转速以内运转时主要转子和调磁转子磁极相位对齐的的状态

图4是额定转速以后调磁转子移动一个角度Δθ的状态

图5是额定转速以后主要转子和调磁转子磁极相位错开的状态

图6是蹄快移动的极限位置，调磁转子移动了一个极距τ，被限位销钉限位的状态

图7是蹄快移动的极限位置后，磁极相位错开180°相位的情形

图8是实施例2的结构剖视图

图9是实施例2调速转子端面视图及低速时的状态

图10是实施例2调速转子高速时的状态

图11是对称设置两个调速转子的设计。

 具体实施方式

实施例1参见图1和图2，本发明主要结构如下:铁心1及绕组2组成同普通无刷电机一样的定子部分、定子中心有转子轴3，转子轴3上连接有主要转子4，其上周向设置永久磁铁5，使极性按N、S成周期性分布，主要转子4需占据定子气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与转子轴3固定连接，通过转子轴3输出机械力矩；在转子轴3上、主要转子的一端是调磁转子7，调磁转子7上周向设置永久磁铁6，极性按N、S成周期性分布，它们的磁通对应定子气隙的剩余部分，调磁转子7可以绕轴转动一定角度，改变磁通相位，起磁通调节作用；调磁转子7的端面连接离心调磁机构，包括对称设置的蹄块轴8和离心蹄快9、离心蹄快9上有限位孔11和弧形分布的齿、这些齿同中心齿轮10相互啮合，中心齿轮10固定在转子轴上、限位销钉12置于限位孔11中并且固定在调速转子7的端面，因此调磁转子7可以沿中心齿轮10在一定的范围转动，调速转子7的另一面设置弹簧13，其弹力一端作用于调磁转子7，一端作用于主要转子和转子轴，调节弹簧的预紧力值可以使转子在额定转速内保持调磁转子与主要转子极性相位相同。

下面叙述其工作原理，其中相量的叠加遵循相量运算法则。

设主要转子的磁通为A，为常相量；

调磁转子磁通为B，B的相位φ可以改变，变化量设为Δφ，其变化规律被设计成转速n的分段连续函数：

n≤额定转速，Δφ=0  ；n≥额定转速，Δφ∝n，Δφ≤180°。

用C代表定子绕组所铰链的全部转子磁通，按相量合成法则

C=A+B

并且，B的最大值的绝对值小于A，以使C不会为零。

磁通相位角位移同调磁转子机械角位移Δθ的关系为

Δφ=2pΔθ      Δθ＜τ

2p是磁极对数，τ是极距，对应相位180°。

调磁转子位移是通过离心蹄快9的离心力F来实现的， 

F=rmω²

其中ω为角速，ω=nπ/30，m为蹄快质量，r为质心半径；

另外，弹簧13的张力K为转角Δφ的函数，

K=k·Δφ

恰当选取参数r，m，k可同电机的额定转速相匹配。

电机起动后，转速逐渐增加，离心力随之产生。但电机运转在达到额定转速之前，F≤K，离心蹄快在弹簧力K的作用下向内压在限位销钉上，保持不动，Δθ=0，Δφ=0，即调磁转子7和主要转子4相同相位，参见图3，磁通C最大，电机输出最大扭矩；电机加速运转。

转速一旦达到并超过额定转速，离心力F≥K，蹄块开始绕支点轴转动，并带动调磁转子绕中心齿盘转动，使调磁转子7相对于主要转子4移开一个角度Δθ，参见图4，A和B之间出现相位差Δφ，参见图5，A+B叠加结果，磁通量C趋于减小，因转速同磁通成反比，转速进一步增加……，这是正反馈过程，直到电机扭矩与负载扭矩平衡为止，转速不再增加，否则蹄块将移动到限位点，Δθ=τ，Δφ=180°，调磁转子磁场方位完全反向，C=A-B，参见图6和图7，电机终止于设计的极限转速。

由于C＞0，不会出现转速失控。

如果负载力矩增大，迫使转速降低，离心力减小，离心蹄块7在弹簧13的作用下向内收拢，AB合成磁通C增加，电机扭矩增加，直到同阻力矩平衡，转速不再下降；相反阻力力矩减小时，则转速上升，输出扭矩下降，直到同阻力力矩达成新的平衡，以上过程都是自动进行的，称为自适应特性。

由于额定转速以后，扭矩减小时转速增加，转速降低时扭矩增加，磁通变化并不改变输出功率，又以输入功率不变为前提，所以效率保持不变，即在额定转速以上较宽范围都容易得到近似于额定点的设计最高效率。

本发明用巧妙的方法实现了低速大扭矩和等功率增速调节效果。

实施例2结构参见图8，本例采用销子滑槽机构代替例1的齿轮机构，运动规律等同于机械设计中的导杆机构。下面对该机构进行说明，其余电机部分同实施例1。离心蹄块9通过蹄块轴8连接到调磁转子7，离心蹄快9上有限位孔11和长形孔14、转盘10上的销子15嵌入长形孔中成为销子滑槽机构，转盘10固定在转子轴上，限位销钉12置于限位孔11中并且固定在调速转子7的端面，因此调磁转子7可以沿转盘10在一定的范围转动，调速转子7的另一面设置弹簧13，其弹力一端作用于调磁转子7，一端作用于主要转子和转子轴，调节弹簧的预紧力值可以使转子在额定转速内保持调磁转子与主要转子极性相位相同。

工作原理同实施例1基本相同：电机起动后，转速逐渐增加，离心力随之产生。但电机运转在达到额定转速之前，F≤K，离心蹄快在弹簧力K的作用下向内压在限位销钉上，保持不动，Δθ=0，Δφ=0，即调磁转子7和主要转子4相同相位，参见图9，磁通C最大，电机输出最大扭矩；电机加速运转；转速一旦达到并超过额定转速，离心力F≥K，蹄块开始绕蹄块轴8转动，并带动调磁转子7绕转盘10转动，同时转盘上的销子15在长形孔14中做滑移运动，使调磁转子7相对于主要转子4移开一个角度Δθ， A和B之间出现相位差Δφ，磁通量C趋于减小，因转速同磁通成反比，转速进一步增加……，这是正反馈过程，直到电机扭矩与负载扭矩平衡为止，转速不再增加，如果负载扭矩很小，蹄块将移动到限位点，电机终止于设计的极限转速。由于C＞0，不会出现转速失控。

实施例3结构参见图11，其特征在于还可以用2个调磁转子，对称相向设置于主要转子两端，共同占据气隙的剩余部分，它们构造相同，但转动调节方向对称相反，这种对称设计使成本有所增加，但调节过程只改变磁通大小，不改变磁通相位，磁通波形较好，控制较简单。

Claims (5)

1.一种永磁无刷自适应变速驱动电机，包括外壳、定子、转子、转轴，其特征在于电机的转子在轴向分成2个或3个部分，但组合后总长度同定子铁心长度相当：其中一个为主要转子4的磁通占据与定子间气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与转轴3固定连接，通过转轴3输出机械力矩；其余部分为调磁转子7，调磁转子7的磁通对应与定子间气隙的剩余部分，并且调磁转子7可以绕轴转动一定角度，从而改变磁通相位，起磁通调节作用；调磁转子7的一个端面连接离心调磁机构，包括关于轴对称设置的蹄块轴8和离心蹄快9；蹄块9与中心轮10相偶合构成运动副；调速转子7的另一面设置弹簧13，其弹力一端作用于调磁转子7，一端作用于主要转子4，设计弹簧13的特性可以使调磁转子7在额定转速内保持初始位置和在额定转速外的某个速度与离心蹄块9离心力平衡以确定转子的角位移量。

2.如权利要求1所述的一种具有等功率变速特性的永磁无刷电机及转子，其特征在于所诉的蹄块9与中心轮10相偶合构成运动副之一是齿轮传动副，离心蹄块9上的齿与中心轮10上的齿相互啮合传动。

3.如权利要求1所述的一种具有等功率变速特性的永磁无刷电机及转子，其特征在于所诉的蹄块9与中心轮10相偶合构成运动副之二是销子滑槽传动副，离心蹄块9和转盘10上分别设置长形孔14和销子15，两者相嵌并可相互滑动。

4.如权利要求1所述的一种具有等功率变速特性的永磁无刷电机及转子，其特征在于所诉的离心蹄块9上有限位孔11，调速转子7的端面有限位销钉12，销钉12置于限位孔11中，因此调磁转子7只可以沿中心齿轮10在一定的范围转动。

5.如权利要求1所述的一种具有等功率变速特性的永磁无刷电机及转子，其特征在于所诉的调磁转子7还可以由2个构成，对称相向设置于主要转子两端，共同占据气隙的剩余部分，其余构造相同，这种对称设计成本有所增加，但改变磁通大小时不改变磁通相位，波形较好。

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