CN104600929A - 直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

一种转矩自适应无极变速双转子永磁无刷电机，其特征在于电机轴上顺序安装有两副永磁转子，其中至少有一副转子可绕电机轴单向转动有限角度；在这副转子与电机轴之间还有测控弹簧，它的一端连接这个转子，另一端连接电机轴，用于测控和平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩并调节磁通。本发明仅用弹簧便对电磁力矩同时起到了检测/平衡/变位/回位之多种作用，自成恒功率闭环调节系统，省去了复杂的检测装置和伺服机，特别适合驱动车辆或其他需要恒功率变速动力的装置上。

Description

直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机

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的一个总成，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大量应用。

但是，普通的永磁无刷电机难以调整电机磁通量，自身不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，包括弱磁调速，其中一类方案是可实时改变磁路结构或可实时变换绕组接法来达到减小定子磁链的目的。其中同本发明最接近类似的是轴向组合方式的双转子或多转子专利，略加举例如下：

US3713715，美国专利，输出电压可调双永磁转子交流发电机，1973-1-23。该专利较早提出了双永磁转子结构，目的是使永磁交流发电机输出的电压可调。

ZL02102457.X，日立公司在中国专利，运输系统和电动发电机，2003-1-1公开。利用螺杆结构旋转和移动转子，用控制电路和伺服机构调节限制位移量。

US7642683B2，美国专利，自调永磁装置，2010-1-5，使用第2转子相连的冷却器负载阻力产生角位移。

CN101188374A，美国迪尔公司专利，双转子电磁机，2012-10-24，使用了复杂的行星齿轮机构来移动副转子。

CN103580411A，中国专利，一种永磁无刷自适应变速驱动电机，2.01412，本人于2012年提出，使用离心机构跟踪电机转速，依据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量调速。

 上述方案都使用了2个或两个以上的永磁转子，使用另外伺服机构来改变或制约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，或者效果较差，不能连续变化，并且还需额外消耗电能，制造和使用成本都相对较高。CN103580411A虽然不需要外加伺服机构，但由于永磁电机以速度为参照的高效率区间狭窄，运行中负载变化时定子内作用力变化复杂，不易匹配复杂工况，同时低速电机不便使用离心机构。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，取消伺服机构，也不使用离心机构，而是直接利用电磁力矩与负载阻力矩作用于一个测控弹簧（以下简称弹簧）两端，弱磁增速改为强磁增矩，弹簧的变形直接导致转子的角度变化，从而提供一种更简单更节省更可靠的新设计，由于结构更简单，不增加体积重量，比功率大，节省成本，而且工作稳定，变速范围宽，高效率区域广的高低速电机都适用的驱动电机技术。实现输出力矩自动平衡负载阻力矩，输出速度自适应连续变化，输出功率保持稳定，高效+宽效运行的驱动电机产品的目的。

本发明的基本思路是，设置初始状态为转子极性相对错位的弱磁状态，由弹簧的初值F₁锁定，对应电机的最高转速；起动时，直接利用电机的起动阻力矩使两个转子迅速趋于相位相同，合成最大磁通，产生增磁作用，获得大的起动转矩；继而运行中，利用弹簧反力矩F_k与电磁力矩F_E自动实时达成平衡，预先设计使该平衡位置落入电机特性的高效率区域之中。

详细变化分述如下：

负载扭矩越小，弹簧变形越小，转子相对错位越多，合成磁通量越少，电机转速越高；

负载扭矩越大，弹簧变形越大，转子相对错位越少，合成磁通量越多，电机扭矩越高；

两个转子极性对齐时，到达设置的限位点，这时弹簧反力等于电磁力矩额定值，结束恒功率变速转态。

设计弹簧的测控范围同电机的扭矩范围相匹配，可获得数倍的恒功率无极调速范围。

本发明是通过如下设计来实现的：一种永磁无刷电机及转子，包括定子及绕组、永磁转子、电机轴以及机壳轴承等，动力从电机轴上输出。其特征在于电机轴上顺序安装有两副永磁转子，两副转子高度之和相当于定子铁心高度，其中至少有一副转子可绕电机轴单向转动有限角度；在这副转子与电机轴之间还有弹簧，它的一端连接这个转子，另一端连接电机轴，用于平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩，弹簧反力F_k同电磁力F_E大小相同方向相反；在弹簧的作用下，两副转子的磁极彼此错开一定角度θ，运行阻力较小时，θ较大，运行阻力较大时，θ较小，边界条件是0 ≤θ＜τ，τ是极距，θ=τ时错开最多，是为初态——最弱磁状态，参见附图5；θ=0时，磁极对齐，是为终态，最强磁状态参见附图6。

对于仅需要一个旋向的电机，可只用一副这样的可绕电机轴单向转动的转子，另一转子改为普通结构转子，与电机轴固定连接，省去弹簧等。

对于需要正反两个旋向的电机，则需要两副这样的可绕电机轴单向转动的转子，它们背靠背配置，分别在正转和反转时实现转矩平衡和无极变速。

用于平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩的测控弹簧可以是一种涡旋弹簧，涡旋弹簧具有扁平的特点，可用于直径大而长度短的转子，弹簧的内圈同轴套固定连接，轴套同电机轴连接不能相对转动，弹簧的外圈固定在弹簧盒内周，弹簧盒又同转子轭固定连接，弹簧盒同电机轴同轴配置，可绕轴转动，转子可通过弹簧盒张紧或放松弹簧。

用于平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩的测控弹簧还可以是一种扭簧，扭簧具有较小的直径，可用于直径小而长度长的转子，扭簧的一端通过轴套同电机轴固定连接，轴套同电机轴连接不能相对转动，扭簧的另一端同弹簧盒相连，弹簧盒又同转子轭固定相连，弹簧盒同电机轴同轴配置，可绕轴转动，转子可通过弹簧盒张紧或放松弹簧。

盘形阻尼器由阻尼齿盘、阻尼转子和端盖组成，它们共同构成若干个周向分布的封闭空间，并注满阻尼油，阻尼转子齿与阻尼齿盘间的狭小缝隙构造起节流作用，阻尼齿盘的齿限制与阻尼转子相对位移的角度，盘形阻尼器的时间常数取决于阻尼油的粘度和节流缝隙，它能防止负载突然变化引起的冲击，提供柔和的变速特性。

进一步，还可以直接用转子的轭部构成阻尼齿盘的特征，阻尼转子的齿为叶片形，使用一组压簧作为测控弹簧周向分布于阻尼齿盘与阻尼转子叶片之间的封闭空间中，叶片上设计节流通道。

本发明同上述美、日专利对转矩的利用完全相反，初始磁极位置从对齐变位错开，变化方向为从弱磁增速变为强磁增矩，从而仅用弹簧便对电磁力矩同时起到了检测/平衡/变位/回位之多种作用，自成恒功率闭环调节系统，无需其它检测装置和伺服装置。相比之下，优势明显：

1、省去所有伺服机构或离心机构，降低了成本；

2、缩小体积，减轻重量，提高了比功率；

2、结构简单，零件少，便于实施；提高了可靠性；

3、弹簧直接跟踪负载阻力变化，按比例自适应调节磁通，实现恒功率大变比连续变速，特别适合驱动车辆或其他需要恒功率变速动力的装置上。

附图说明

 本发明所附图例1为机构图，采用简图和GB4460规定的符号对部件、构件和零件进行表示，对本领域的技术人员应不难理解，并不难据此并参照已有文献资料进一步完成具体设计。

图1是本发明的机构图，其中编号为：1电机轴；2A转子A；2B转子B；3定子；4绕组；5测控弹簧；6霍尔传感器；7导线束；8盘形阻尼器；9轴承；10机壳。

图2是从弹簧位置剖开转子A得到的轴向视图，此例弹簧5为涡旋弹簧，图中2-1为转子轭；2-2为转子磁极；2-3轴套；2-4弹簧盒；2-5为连接销；2-6为调节销。

图3是盘形阻尼器的图例，其中8-1为阻尼齿盘；8-2为阻尼油；8-3为节流缝隙；8-4为阻尼转子； 8-5为端盖。

图4是设计案例的剖视图，忽略定子机壳等普通部件。

图5是设计案例的转子的初始状态或弱磁状态。

图6是设计案例的转子的负载状态或增磁状态。

，下面结合图4—图6重点对转子进一步说明：

这是一对8极永磁转子的例子，使用一组压簧，将弹簧测控系统和阻尼系统进一步合并化简；其中1为电机轴；1.1为键；2A为转子A，2B为转子B；2-1为转子轭部，4为绕组；5为弹簧组；8-5和11为端盖。磁铁2-2位于转子轭2-1的外表面，N-S交替配置，极距τ为45°，旋向为逆时针。

转子2B同电机轴1固定连接，键1.1方向为转子B的N极N_B。

转子2A具有调节磁场的功能，它的轭部有4个齿8-1同阻尼转子8-4配合可相互转动，并形成4个独立的型腔，型腔中注满阻尼油8-2，阻尼转子8-4同电机轴1相连，并用键1.1锁定角度，阻尼转子8-4上装有4个矩形叶片8-3，叶片外端同转子轭2-1内弧面接触，内端嵌入阻尼转子8-4中，叶片上有节流通道，每个型腔中都一个弹簧5，一端连接叶片8-3，另一端同齿8-1接触，初始时，弹簧工作于L₁，其反力F₁迫使叶片转至一个极限位置，这时键1.1对应转子A的S极，由于转子A和B极性相反，叠加后净磁通最少，是为弱磁状态，是电机在静止、初始和最低负荷时的状态，在这种状态下，电机可获得很高的输出转速，参见图5。

图6是设计案例的转子的最大增磁状态，电机工作于额定转速以下，电机输出恒扭矩，轴上负载力矩F_L为顺时针方向，电磁力F_E和轴以角速度ω逆时针转动，弹簧被压缩，转子2A的N极N_A和轴上键槽方向即转子2B的N_B方向相同，合成最大磁通，实现增磁。这是电机在负载扭矩≥额定值时变速转子2A的状态。

 通电时，电机从弱磁状态起步，由于负载具有转动惯量，需要电机输出大的扭矩，以产生较大的角加速度，电机以设定的最大电流起步，负载扭矩F_L通过电机轴与电磁扭矩F_E通过转子轭部的齿同时加于弹簧两端并压缩弹簧长度，使得转子2A的N_A极与转子2B的N_B极之间的夹角θ减小，方向趋于相同，合成磁通增加，因为电磁扭矩F_E等于磁通与安匝电流的乘积，所以电机输出扭矩同时变大，直到F_E=F_L，达成平衡后弹簧停止变化，夹角θ保持稳定，电机逐步加速到额定转速后，进入到恒功率无极变速运行区间。

电机恒功率无极变速区间包括从额定转速ω_e到接近空载转速ω₀。这期间，转子叶片位于型腔中部区间，夹角45°＞θ＞0，输入电压电流不变，电机转速自动随负载阻力矩变化，输出功率=扭矩×转速=效率×电压×电流，弹簧动态计量扭矩并调整A、B转子的夹角θ，负载扭矩大，则磁通增大，降低转速增加电磁扭矩；负载扭矩变小，则磁通减小，降低电磁扭矩增加输出转速，获得自适应无极变速的优良特性。

阻尼系统有轭2-1，齿8-1，阻尼油8-2，叶片8-3，转子8-4和8-5端盖组成，叶片上有节流通道，节流通道具有一定的单向性，这种单向特性使得扭矩增加迅速而转速增加平稳，阻尼系统的存在使电机获得稳定的调速性能。

Claims (7)

1.一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，包括定子及绕组、永磁转子A和B、电机轴以及机壳轴承等，动力从电机轴上输出，其特征在于：电机轴上顺序安装有2副永磁转子A和B，两副转子高度之和相当于定子铁心高度，其中至少有一副转子可绕电机轴单向转动有限角度；一副弹簧一端连接这个转子，另一端连接电机轴，用于测量和平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩，弹簧反力F_k同电磁力F_m大小相同方向相反；弹簧的角位移θ同电磁力F_m大小相同方向相同；在弹簧的作用下，两副转子的磁极彼此错开一个初始角度θ，并在运行力矩较小时，保持θ较大，运行阻力较大时，θ变得较小，边界条件是0 ≤θ＜τ，τ是极距，θ=τ时错开最多，是为初态——最弱磁状态；θ=0时，磁极对齐，是为终态，最强磁状态。

2.如权利要求1所述一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，其特征在于所述2副转子A和B，对于仅需要一个旋向的电机，可只用一副可绕电机轴单向转动的转子，另一转子改为普通结构转子，与电机轴固定连接，省去弹簧等。

3.如权利要求1所述一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，其特征在于所述2副转子A和B，对于需要正反两个旋向的电机，则需要两副可绕电机轴单向转动的转子，它们背靠背配置，分别在正转和反转时实现转矩平衡和无极变速。

4.如权利要求1所述一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，其特征在于所述用于平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩的弹簧是一种涡旋弹簧，涡旋弹簧具有扁平的特点，可用于直径大而长度短的转子，弹簧的内圈同轴套固定连接，轴套同电机轴连接不能相对转动，弹簧的外圈固定在弹簧盒内周，弹簧盒又同转子轭部固定连接，弹簧盒同电机轴连接可绕轴转动，转子可通过弹簧盒张紧或放松弹簧。

5.如权利要求1所述一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，其特征在于所述用于平衡电机轴上阻力矩和永磁转子电磁驱动力矩的弹簧是一种扭簧，扭簧具有较小的直径，可用于直径小而长度长的转子，扭簧的一端通过轴套同电机轴固定连接，轴套同电机轴连接不能相对转动，扭簧的另一端同弹簧盒相连，弹簧盒又同转子轭固定相连，弹簧盒同电机轴连接可绕轴转动，转子可通过弹簧盒张紧或放松弹簧。

6.如权利要求1所述一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，其特征在于有一个盘形阻尼器；盘形阻尼器由阻尼齿盘、阻尼转子和端盖组成，共同构成若干个周向分布的封闭空间，并注满阻尼油，阻尼转子齿与阻尼齿盘间狭小缝隙构造起节流作用，阻尼齿盘的齿距限制转子相对位移的角度，盘形阻尼器的时间常数取决于阻尼油的粘度和节流缝隙，它能防止负载突然变化引起的冲击，提供柔和的变速特性。

7.如权利要求1所述一种直接转矩回馈双转子无极变速永磁无刷电机，其特征在于一种转子的轭部兼有权利要求6所述阻尼齿盘的特征，使用一组压簧作为测控弹簧周向分布于阻尼齿盘与阻尼转子封闭空间中，阻尼转子的齿为叶片形，并在叶片上设计节流通道。