CN103633799A - 一种自动连续变速永磁无刷轮毂电机 - Google Patents

一种自动连续变速永磁无刷轮毂电机 Download PDF

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一种自动连续变速永磁无刷轮毂电机。包括定子及绕组、中心轴、永磁转子、行星减速机构、离心调节机构和轮毂，其特征在于电机的转子是外转子，且有两个部分，一个部分连接到行星减速机构，通过减速后输出扭矩，称为主转子；另一个部分连接到离心调节机构称为调速转子；主转子内圆周表面南北极交替依次配置2p个永磁体提供主磁通；对应调速转子内圆周表面同样南北极交替依次配置2p个永磁体，其磁通用于增强或削弱主磁通以实现电机调速，本发明所述电机具有车辆驱动所需的低速恒扭矩，高速恒功率，自动感应行驶阻力调节磁链，自动无极变速的理想特性；同时高速电机行星减速轮毂式一体化设计使得整体结构简单紧凑，有利于降低成本，提高质量和可靠性。

Description

一种自动连续变速永磁无刷轮毂电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其指电动轻便两轮车驱动用轮毂电机。 
背景技术
在目前电动两轮车中，普遍使用的是轮毂式永磁无刷电机，包括高速电机+行星减速型式和低速电机直驱型式。这些电机多数不具备等功率变速特性，限制了电机用于车辆的使用效果，有的方案尝试使用离合器和机械齿轮变档来获得等功率下扭矩和转速的2个或多个组合状态即2档或多档，例如西南大学薛荣生教授的专利200810070383.4可调式2档自适应自动变速轮毂，四川李绵军的专利201020147997.0电动车机械变档轮毂，提高了电机的适应性，但这些方案存在档位少，变比不大，速度变化不连贯等缺点，技术效果有限。 
发明内容
为了获得变速比更大，速度连续变化，同时动力不间断的理想性能，本发明提出了一种利用离心机构弱磁、能实现恒功率自动连续变速永磁无刷轮毂电机。 
本发明所述电机包括定子及绕组，中心轴，永磁转子，行星减速机构、离心调速机构和轮毂，其特征在于电机的转子是外转子，且有两个部分，一个部分连接到行星减速机构，通过减速后输出扭矩，称为主转子；另一个部分连接到离心调速机构称为调速转子；主转子内圆周表面南北极交替依次配置2p个永磁体提供主磁通，p为极对数；对应调速转子内圆周表面同样南北极交替依次配置2p个永磁体，其磁通用于按照设定规律增强或削弱主磁通以实现电机调速，调速转子内的永磁体长度小于主转子内永磁体的长度，确保叠加后磁通大于零，防止速度失控飞车。 
所述行星减速机构由内齿圈14、行星齿轮15、中心齿轮16，行星架17，单向器18组成，属于引用已有的设计，其作用是放大扭矩和单向滑行节能。 
所述离心调速机构由离心块4、复位弹簧22、销轴5、卡子21组成，离心快4通过销轴5连接到调速转子7可绕销轴转动，一对卡子21固定在主转子10外圆周上局部包括调速转子，其突出部分开有矩形槽口，并且分别同2个离心块4的另一端卡合，复位弹簧22分别连接到两个离心块4，预加弹簧张力使其离心块4趋于收拢到极限位置。 
合理选择弹簧特性和离心快质量质心半径等参数，使得在额定转速以内时，离心力小于弹簧预紧力，调速转子保持初始状态，这时调速转子7和主转子10永磁体磁极相位相同，定子绕组磁链保持最大值，扭矩同电流成正比，如果电流保持在限流值，则扭矩也保持最大值不变，称为恒扭矩特性。大的恒定的扭矩有利于持续提供最大的起动加速度，使车辆起动后迅速达到额定转速。 
电机加速到额定转速后，离心力很快超过弹簧于拉张力，离心块开始绕销轴转动，这时调速转子7和主转子10永磁体的磁极相位将错开一个角度，定子绕组磁链相对缩小，由于扭矩同磁链成正比，转速和磁链成反比，这时扭矩下降同时转速升高，输出功率不变，称为恒功率变速特性。恒功率特性使电机从额定转速到最高限速范围都有相同的高效率。 
本发明所述电机具有车辆驱动所需的低速恒扭矩，高速恒功率，自动感应行驶阻力调节磁链，自动无极变速的理想特性；同时高速电机行星减速轮毂式一体化设计使得整体结构简单紧凑，有利于降低成本，提高质量和可靠性。 
附图说明
图1是本发明实施例之一的结构示意图； 
图2是额定转速以下离心块的初始位置状态；
图3是额定转速以上离心块变化一个角度后的状态；
指定图1为摘要附图。
附图1和附图2中：1为中心轴，2为端盖轴承A，3为转子轴承，4为离心块，5为销轴，6为轮毂端盖，7为调速转子，8为调速永磁体，9为主永磁体，10为主转子，11为定子铁心，12为定子支架，13为定子绕组，14为齿圈，15为行星齿轮，16为中心齿轮，17为行星支架连轴，18为单向器，19为端盖轴承B，20为电缆，21为卡子，22为复位弹簧。 
实例解说
下面结合图1和图2对实施例详细说明：本实施例所述电机包含中心轴1，定子支架12固定于中心轴上，定子支架外固连定子铁心11，铁心上有绕组13，电缆20从绕组引出，穿过中心轴1的中心孔道引出至端盖轴承19外端。
本发明所述转子包含主转子10和调速转子7。主转子10和中心齿轮16连接为一个整体，通过轴承支撑在中心轴1上可灵活转动。主转子10的外圆周表面固定有一对卡子21；主转子10的内圆周表面按南北极交替依次配置2p个主永磁体9，由其提供主磁通，p为极对数；调速转子7通过轴承3支撑在中心轴1上可灵活转动，调速转子7内圆周表面同样南北极交替依次配置2p个永磁体8，其磁通用于增强或削弱主磁通以实现电机调速。 
行星减速机构由内齿圈14、行星齿轮15、中心齿轮16，行星架17，单向器18组成。中心齿轮16同主转子相连，并通过轴承支撑于中心轴1上；2个或3个行星齿轮15对称分布并同行星支架连轴17连接，并且分别同中心齿轮16和齿圈14相互啮合；行星支架连轴17通过单向器18同中心轴1连接，行星支架连轴17相对于中心轴1只能单方向旋转。这部分属于常规设计，其作用是放大扭矩和单向滑行以节能。 
  
离心调速机构设置在调速转子7上。2个销轴5对称分布固定于调速转子7的端面，一对月牙形离心块4的一端分别同销轴5连接可绕销轴5转动；一对卡子21固定在主转子10外圆周上局部包括调速转子，突出部分开有矩形槽口，并且分别同2个离心块4的另一端卡合。复位弹簧22分别连接到两个离心块，预加弹簧张力使其离心快收拢到极限位置。通过选择弹簧22特性和离心块4质量质心半径等参数，使得在额定转速以内时，离心力小于弹簧22预紧力，调速转子7保持初始状态，而在额定转速以上离心块4向外移动，调速转子7进入弱磁变速状态。
下面说明调速过程。初始状态时，调速转子7和主转子10的永磁体8和9磁极相位相同，定子绕组铰链到的磁通即磁链保持最大值，扭矩同转速无关，只取决于电流，如果给定最大电流，这时电机将以最大扭矩迅速加速到额定转速，速度达到额定转速后，离心力逐渐超过弹簧22预加张力，离心块4开始绕销轴5转动，这时调速转子7和主转子10的永磁体8和9的磁极相位相对错开一个角度ψ，定子绕组磁链相对减少，由于扭矩同磁链成正比，转速和磁链成反比，这时扭矩下降同时转速升高，直到同负载阻力矩相平衡；如果高速行驶过程中负载阻力矩因故增加，迫使电机转速下降，由于离心力同转速平方成正比，离心力也迅速下降，离心快4内收，通过销轴5使调速转子7相对返回一定角度，这时磁链增加，扭矩增大，直到与因故增加的阻力矩达成新的平衡，由此说明调速过程是随着负载阻力矩变化自动进行的。 

Claims (2)

1.一种自动连续变速永磁无刷轮毂电机，包括定子及绕组、中心轴、永磁转子、行星减速机构、离心调速机构和轮毂，其特征在于电机的转子是外转子，且有两个部分：一个部分连接到行星减速机构，通过行星减速机构和轮毂端盖（6）输出扭矩，称为主转子（10）；另一个部分连接到离心调速机构称为调速转子（7）；主转子内圆周表面南北极交替依次配置2p个永磁体（9）提供主磁通；对应调速转子内圆周表面同样南北极交替依次配置2p个永磁体（8），其磁通用于按照设定运行规律增强或削弱主磁通以实现电机调速，调速转子内的永磁体长度小于主转子内永磁体的长度。
2.一种自动连续变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于所述离心调速机构由离心块（4）、复位弹簧（22）、销轴（5）、卡子（21）组成，离心快（4）通过销轴（5）连接到调速转子（7）并且可绕销轴转动，卡子（21）固定在主转子（10）外圆周上，并同离心块（4）卡合，复位弹簧（22）分别连接到两个离心块（4），复位弹簧（22）预加张力使离心快（4）趋于收拢到极限位置；通过设定复位弹簧特性、离心快质量、质心半径等参数确定电机的调速特性。
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