CN104578561A - 一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机 - Google Patents

Abstract

一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴9、转子2、定子3、端盖7、和轮毂8等。其特征在于定子与中心轴之间插入了一个变速机构，它包括一个螺旋传动副和弹簧测控系统，可以将定子电流在转子磁场中产生的扭矩按比例转换成轴向分力使定子在电机轴上做螺进运动，从而使定子对转子的轴向位置发生变化，气隙有效磁通面积发生变化，把磁通量由原来的常量变成为扭矩的函数，转速随扭矩自动变化，在额定电压电流不变的情况下，输出功率始终不变，使现有低转速的轮毂电机获得了数倍变速比的自适应等功率无极变速特性。本发明用机/电/液结合的方法低成本的实现了高端的直接转矩控制效果。

Description

一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机

技术领域

本发明涉及永磁无刷电机，尤其是车辆用的低转速直接驱动的轮毂电机。

背景技术

近年来，为了保护环境和节约能源，电动车辆及技术不断创新。由于稀土磁性材料的优良特性及制造工艺的突破，特别是采用钕铁硼永磁材料的无刷电机被普遍使用。然而，实际上永磁无刷电机由于其磁通量不能调节，因此不具有车辆所需要的等功率变速驱动的机械特性。为了改善永磁无刷电机的驱动特性，有的技术方案是为车辆增加机械变速系统，这方面的设计不计其数。但它们必然会增加驱动系统的复杂性和制造成本。有的则通过对无刷电机的控制系统的程序方法来实现弱磁调速，但弱磁范围有限，牺牲电机的功率因数。另外还有实时改变电机参数或结构来调速的方案，比如改变绕组连接，改变磁路等技术方案。改变磁路的方案本人已设计过磁通分流、互补励磁、移相调磁等多个发明专利。例如本人于2012年申请的中国专利，CN103580411A，一种永磁无刷自适应变速驱动电机，使用离心机构跟踪转速，离心力和弹簧反力平衡条件及弹簧的角位移确定转子磁极的相位差实现弱磁增速。由于这些专利都是通过离心机构依据转速变化来自动调节磁场状态的，对于高速电机容易实现，但对于转速较低的电机因不易获得足够的离心力，从而限制的该技术的使用。为弥补上述技术不足，继而设想利用电机特性的另一参数——力矩作为反馈信号调节电机的磁场，从而得到等功率变速的机械特性。

发明内容

本发明提出的技术方案如下：一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴9、转子2、定子3、端盖7、和轮毂8等。其特征在于它的定子3与固定不动用作支撑的中心轴9之间不是普通电机那样固定连接的，而是插入了一个变速机构，它包括一个螺旋传动副1和弹簧测控系统5。

所诉螺旋传动副包括连接在轴上的螺旋内花键1a和螺旋外花键1b，螺旋外花键同定子3固定连接,可以将定子电流在转子磁场中产生的扭矩按比例转换成轴向分力使定子在电机轴上做螺进运动，从而使定子3对转子2的轴向位置发生变化，气隙有效磁通面积发生变化，把磁通量由原来的常量变成为实时变量。

所述弹簧测控系统包括弹簧5，弹簧座5.1，导向器5.2，弹簧座5.1同中心轴9固定连接，弹簧5一端在弹簧座上，另一端同定子3抵接，并给定初始压缩量，使得负载力矩小于设定值时，定子和转子处于初始位置，这时定子与转子错开位置最大。

所述弹簧5由一个同轴配置或多个分布配置构成，预先设计好弹簧的方向和特性，使得负载阻力越大时，弹簧压缩量越大，定子移动回到转子磁极下的长度愈多，从而增加输出扭矩；反之，负载阻力减小时，轴向分力比例减小，弹簧反力使定子向初始位置回位，由于定子的初始位置是磁通量较少的状态，这时输出转速将增加。

进一步，为了改善调节特性，设置了阻尼缸4，包括活塞4.1和缸体4.2组成，活塞在中心轴9上固定不动，将阻尼缸内腔分为左右2个部分，内部充满阻尼油脂。定子在轴上运动时会改变左右2部分容积比，其中阻尼油脂只能通过预定的通道在活塞两边转移，螺旋传动副和阻尼缸实际上构成一个比例积分控制系统，用来滤除干扰力矩和避免超调。

所诉预定通道也可以在缸体两边外接液压阀门4.5获得更多的调节特性。

进一步，将螺旋传动副1和阻尼缸4合为一体，在缸体内壁做螺旋内花键1b ，而与之匹配的螺旋外花键1a直接做在中心轴9上，将缸分为左右两个空间，左右端盖支撑于中心轴9上，可转动和轴向滑动，并加以密封，缸内充满阻尼油脂，花键配合间隙构成节流通道，选择粘度适当的油脂和截面合适的通道，便能得到需要的阻尼特性。

所述导向器5.2包括数个带调节螺母的螺杆，具有稳定弹簧、调值、限位的多种作用；可限制弹簧的高度并给定弹簧的初始值，从而确定系统的边界条件；限位作用使定子和转子之间至少保有少量的磁通。

磁平衡环6的作用是消减定子移动的磁阻力，在气隙下时作为磁通分流弱磁的磁轭，磁平衡环位于定子一端圆周边沿，材料为高磁导率高电阻率软磁材料。

由于采用上述技术措施，转速随扭矩自动变化，在额定输入功率即额定电压电流不变的情况下，输出功率始终不变，使现有低转速的轮毂电机获得了数倍变速比的自适应等功率无极变速特性。

并且，弱磁提速时，由于铁心中磁通减少所降低的铁损快于转速提高增加的铁损，在很宽的工况范围都能获得高的效率，本发明用机/电/液结合的方法低成本的实现了高端的直接转矩控制效果。

附图说明

附图1是机构简图，包括本专利的主要结构要素，便于对结构原理进行阐述，依据这些要素进行具体设计是不难的，并且可以使设计有许多不同细节。图中：9是中心轴，是整个轮毂电机的支撑轴，固定不动，也不旋转；螺旋传动副1包括轴上的螺旋内花键1a和与之配合的螺旋外花键1b；2是转子，包括永磁体2.2和铁轭2.1，提供励磁磁场；3是定子，包括铁心线圈3.1和馈电电缆3.2，用以输入电能产生旋转磁场； 4是阻尼缸，包括活塞4.1端盖4.2等；5是弹簧，包括弹簧座5.1和导杆5.2组成弹簧测控系统。

附图2是一个具体设计案例，用于对本专利适用性进一步说明，图中阻尼缸4和螺旋传动副1合为一体，缸体内壁为螺旋内花键1b ，与之匹配的螺旋外花键1a直接做在中心轴9上，螺钉4.4将两边端盖4.2紧固在缸体上，端盖支撑于中心轴9上，可转动和轴向滑动，并由密封件4.3密封，缸内充满阻尼油脂。图2电机处于初始状态或轻载状态，铁心线圈同磁极轴向错开，气隙面积最小，可获得高转速。

附图3是上述案例电机处于满功率状态或重载状态，铁心线圈同磁极轴向对齐，气隙面积最大，电机转速低而扭矩大。

附图2和附图3零部件标号相同。标号分别是: 1螺旋传动副，1a螺旋内花键，1a螺旋外花键；2转子，2.1转子轭，2.2磁铁； 3定子，3.1铁心线圈，3.2馈电电缆； 4阻尼缸，4.1螺旋齿形活塞，4.2端盖，4.3密封件，4.4螺钉；5弹簧，5.1弹簧座，5.2导杆；6磁平衡环，7端盖，8轮毂，9电机轴。

下面以车辆驱动为例说明本发明无极变速的工作过程：通电前电机处于附图2所示状态，在弹簧的作用下，定子偏向右边，一部分转子永磁体的磁通通过磁平衡环6形成回路而没穿过铁心线圈，如将对准定子铁心线圈的磁铁部分的磁通量称为有效磁链，则这时磁链为最小值，即初始状态为弱磁状态。

通电后，若施加电功率较小，比如车辆在平路轻载起步时，以转把操作为例，略加转把信号，电机由初始的弱磁状态低电压起动，因扭矩不大，起步柔和；如遇重载起动，比如需要迅速起步或坡上起步，要求电机提供较大扭矩，则多加转把，给电机施加较高电压，定子3中电流快速增大到额定值以上，使气隙产生的电磁力矩同比快速增加，这个力矩作用于定子3，又通过螺旋传动副1传递到轴9上，并受到轴9反作用力，力的方向指向增加磁链的一端，于是定子3克服活塞和弹簧阻力向左边快速移动，移动的速度同转把控制有关，向左移动将导致定子的磁通增加，输出扭矩增大，这一过程自动进行，直致输出力扭矩同负载力矩相平衡或到达限值为止，这时电机内部位置如图2。

车辆起步之后或由坡道转入平路后，负载力矩变小，若任然保持额定的输入功率，这时由于阻力矩变小，电机加速运转，转速逐步升高，同时反电势增加，当反电势趋于额定电压时，对于普通永磁电机，由于电流迅速减小，转速不再增加，功率下降，而对于本专利，阻力变小时，弹簧受外力压迫减小，而放松伸长，定子在弹簧的反力作用下向右移动，引起定子磁链减小，反电势同时减小，电机电流趋于保持稳定不变，则输入功率稳定不变，电机继续加速运转，直到某个速度状态，阻力矩同电磁力矩重新处于平衡，电磁力矩轴向分力同弹簧力重新平衡，电机进入新的稳定状态。

整个过程中，弹簧实时测量负载扭矩，并调整定子轴向位置，使气隙中的磁链大小对电机效率最为有利。无论扭矩和转速如何变化，但它们的乘积即输出功率始终不变。恒功率变速的好处是，输出和输入功率的比值也就是效率也不变，这样我们在很宽的速度范围都能获得高的效率。

弹簧和螺旋机构组成的是一个比例环节，其传递函数是一个常数，为了提高调节系统的平稳性，加入了积分环节，即液力阻尼缸，由于阻尼缸与活塞之间空隙足够小，其中阻尼油难以迅速从活塞一边转移到另一边，使得定子不会快速来回移动而多次震荡，对于路面短暂的冲击性的扰动不予理会，而对于运行状态的改变则会自动达到平衡。

本例弹簧是压簧，弹簧座固定在中心轴上，位于定子支架和弹簧座之间，导杆穿过弹簧，导杆端部有螺纹和螺母，调节导杆的长度和螺母位置可限制弹簧的高度并给定弹簧的初始值，从而确定系统的边界条件。

磁平衡环6由高磁导率高电阻率软磁材料做成的环形，位于定子一端圆周边沿，作用是消减定子移动的磁阻力。

Claims (9)

1.一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴9、转子2、定子3、端盖7、和轮毂8等；其特征在于它的定子3与固定不动用作支撑的中心轴9之间不是普通电机那样固定连接的，而是插入了一个变速机构，它包括一个螺旋传动副1和弹簧测控系统5。

2.根据权利要求1所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述螺旋传动副包括连接在轴上的螺旋内花键1a和螺旋外花键1b，螺旋外花键同定子3固定连接,可以将定子电流在转子磁场中产生的扭矩按比例转换成轴向分力使定子在电机轴上做螺进运动，从而使定子3对转子2的轴向位置发生变化，气隙有效磁通面积发生变化，把磁通量由原来的常量变成为实时变量。

3.根据权利要求1所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述弹簧测控系统包括弹簧5，弹簧座5.1，导向器5.2，弹簧座5.1同中心轴9固定连接，弹簧5一端在弹簧座上，另一端同定子3连接接，并给定初始变形量，使得负载力矩小于设定值时，定子和转子保持初始位置，这时定子与转子错开位置最大。

4.根据权利要求3所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述弹簧5由一个同轴配置或多个分布配置构成，弹簧力的方向和特性是：负载阻力越大时，弹簧变形量越大，定子移动回到转子磁极下的长度愈多，从而增加输出扭矩；反之，负载阻力减小时，轴向分力比例减小，弹簧反力使定子向初始位置回位，由于定子的初始位置是磁通量较少的状态，这时输出转速将增加。

5.根据权利要求1所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：进一步还设置了改善调节特性的阻尼缸4，包括活塞4.1和缸体4.2组成，活塞在中心轴9上固定不动，将阻尼缸内腔分为左右2个部分，内部充填阻尼油脂；定子在轴上运动时会改变左右2部分容积比，其中阻尼油脂只能通过预定的节流通道在活塞两边转移，可滤除干扰力矩和避免超调。

6.根据权利要求5所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所诉节流通道也可以在缸体两边外接液压阀门4.5获得更多的调节特性。

7.根据权利要求1所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：进一步，可将螺旋传动副1和阻尼缸4合为一体，在缸体内壁做螺旋内花键1b ，而与之匹配的螺旋外花键1a做在中心轴9上，将缸分为左右两个空间，左右端盖支撑于中心轴9上，可转动和轴向滑动，并加以密封，缸内充满阻尼油脂，花键配合间隙构成节流通道，选择粘度适当的油脂和通道截面，便能得到需要的阻尼特性。

8.根据权利要求3所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述导向器5.2包括数个带调节螺母的螺杆，具有稳定弹簧、调值、限位的多种作用；可限制弹簧的高度并给定弹簧的初始值，从而确定系统的边界条件；限位作用使定子和转子之间至少保有少量的磁通。

9.根据权利要求1所诉的一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，其特征在于：定子端部设置有磁平衡环6，在气隙下时作为磁通分流弱磁的磁轭，其作用是消减定子移动的磁阻力，材料为高磁导率高电阻率软磁材料。