CN104917315B - 一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机，包括定子及绕组、驱动转子和调速转子、调速器、电机轴、电机壳等，其中驱动转子占据定子气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与电机轴固定连接，通过电机轴输出机械力矩；其特征在于所述调速转子和调速器相连，而调速器包括壳体，壳体内有对称配置的两组特定组合的离心片组和凸轮轴套以及弹簧，从而构成转速感应调节机构、低速锁止机构以及力矩机构，这种调速器利用离心力和弱磁调速原理，自适应无极变速，使永磁无刷电机不仅低速时输出稳定的大扭矩，也能在中高速输出稳定高效的功率。

Description

一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机

技术领域

本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，电动车辆驱动技术迅速发展，驱动电机作为其心脏具有十分重要的作用。各种技术方案不断推出，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满足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，主要是由智能电子开关实现弱磁调速控制，另一类方案则是实时改变磁路结构来达到减小定子磁链实现弱磁调速。本人设计过的专利2012102840118《一种永磁无刷自适应变速驱动电机》已经提及过这类国内外专利实例。

在本人参与的上述专利的实施过程中由对原设计由做出了许多必要的改进设计和重要的创造。如原有设计的不足在于弹簧的线性特性和离心力的非线性特性的匹配只能产生两个交叉点，其余之处偏离较大。另外在重载起动时，变速转子会抖动，产生异常噪声。

发明内容

在为了克服原有设计的不足，1使离心力曲线线性化，能与弹簧更好匹配；2解决重载起动时离心甩块抖动问题；3便于装配；本发明提出了一种新的设计《一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机》：包括定子及绕组、驱动转子和调速转子、调速器、电机轴、机壳等，其中驱动转子占据定子气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与电机轴固定连接，通过电机轴输出机械力矩；其特征在于所述调速转子和调速器相连，而调速器包括壳体，壳体内有对称配置的两组离心片组和凸轮轴套，从而构成转速感应调节机构、低速锁止机构、以及由凸轮轴套和弹簧组成的力矩机构。所述调速器壳体10内有中间隔板14，将壳体分为调速片室12和弹簧室11，隔板中间有孔，凸轮轴套6齿端位于调速片室，与调速片组构成转速感应调节机构；其尾端构成弹簧轴，弹簧轴穿过中间孔进入弹簧室与涡旋弹簧13构成力矩机构。

所述感应调节机构包括一对销轴15，离心调速片9装在销轴15上，可绕其转动；离心调速片上有齿9-1，且与凸轮轴套的齿6-3相啮合，因此蹄块转动时将带动凸轮轴套6旋转，可在设定转速ne以上时改变调磁转子3的相位，参见图4，离心调速片组由至少两片以上离心调速片组成，离心调速片是不同形状、不同重量的单元片a、b、c、…，选择单元片的组合对离心力函数曲线T1进行分段补偿或校正，使与弹簧特性K最佳匹配地调节磁场相位，参见图4和图5。

所述力矩机构包括凸轮轴套6和涡旋弹簧13，涡旋弹簧置于弹簧室11内，涡旋弹簧最内圈固定在凸轮轴套尾端用作弹簧轴的槽口6-1中，涡旋弹簧最外圈与外壳10相连固定，其旋向使弹簧作用力方向与离心力作用的旋向相反，力图使离心调速片组和调磁转子3回到原位。

所述低速锁止机构，包括凸轮轴套上的棘轮盘6-2，和弹簧7、棘齿8，棘齿8在弹簧7的作用下卡在棘轮盘6-2的楔形槽中，棘齿上的离心力和弹簧7的反力平衡点在设定转速ne附近，在设定转速以下低速锁止机构锁止，防止起动阶段较大力矩作用于弹簧导致调速片组自行开闭，产生抖动。设定转速以下不产生弱磁变速，输出恒扭矩，参见图3。

所述调速器壳体的一端同调速转子的轭3.1固定相连，轭的外面是磁极3.2，其极性的分布和驱动转子2的极性相匹配。

本发明的优点在于：使用多个不同单元片组合成离心调速片组的方法实现了离心力特性的线性化，改善了调速效果，使整个调速区间均衡高效。第二，本发明增加了低速锁止机构，改进了起动性能和低速性能，第三，本发明工艺性好，适于大批量生产。

附图说明

图1是本专利应用于无刷电机的一个设计实例，图中编号1电机定子及绕组，2驱动转子，2-1磁铁，3调速转子，4调速器，5电机轴。

图2是调磁转子+调速器一体化设计的剖视图，图中编号3-1轭，3-2磁铁，6凸轮轴套，6-1尾端的槽，6-2凸轮轴套中段的棘轮盘，7是棘齿弹簧，8是棘轮齿，9是离心调速片组，10壳体，11弹簧室，12调速片室，13是涡旋弹簧，14中间隔板，15销轴

图3显示低速锁止机构和离心片组在设定转速以下时的锁止状态。

图4显示设定转速以上弱磁调速时磁极错位Φ角度的情形。

图5是离心力-转速曲线的线性化补偿效果，T1是离心片总质量为常数时的离心力——转速曲线，T2是不同调速片分段组合线性化补偿后离心曲线，K是弹簧特性曲线。

图6是不带调速转子的调速器设计，可由用户设计师灵活匹配更多规格的电机，但比较一体化结构，需要占用电机内部更多的空间。

优选实施方式

参见图1和图2，这是一个无极变速内转子永磁无刷电机：定子、机壳、端盖、同普通无刷电机一样，驱动转子2置于电机轴之输出端，调速转子2和调速器3置于驱动转子之后。驱动转子2周向设置永久磁铁2-1，使极性按N、S成周期性分布，驱动转子2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1固定连接，通过转子轴1输出机械力矩；调速转子3的轭上3-1上沿周向设置永久磁铁3-2，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。调速转子3与调速器4连接后成为一体化总成。

调速器壳体10内有中间隔板14，将壳体分为调速片室12和弹簧室11，隔板中间有孔。凸轮轴套分3段，齿端位于调速片室，与调速片组构成转速感应调节机构；中段有楔形槽盘，用于构成低速机构，其尾端用作弹簧的芯轴；尾端穿过中间孔进入弹簧室与涡旋弹簧13构成力矩机构。销轴15对称位于调速片室内边沿，离心调速片9装在销轴15上，可绕其转动；离心调速片上有齿9-1，且与凸轮轴套的齿6-3相啮合，因此蹄块转动时将带动凸轮轴套6旋转，可适时改变调磁转子3的相位，产生相位差φ，参见图4，离心调速片组由至少两片以上离心调速片组成，离心调速片是不同形状、不同重量的单元片a、b、c、…，选择单元片的组合对离心力函数曲线T1进行分段补偿或校正，使与弹簧特性K最佳匹配地调节磁场相位，参见图4和图5。涡旋弹簧13置于弹簧室11内，涡旋弹簧最内圈固定在凸轮轴套尾端的槽口6-1中，涡旋弹簧最外圈与外壳10相连固定，其旋向使弹簧作用力方向与离心力作用的旋向相反，力图使离心调速片组和调磁转子3回到原位。

稳态时调磁转子相对于驱动转子的磁相位差φ (图4)是由弹簧反力矩和离心调速片产生的转矩通过凸轮达成平衡来确定的)，驱动转子磁通和调速转子磁通的矢量之和等于总磁通，磁相位差φ越大，合成磁通越少，合成磁通的减少产生增速调速。

考虑到离心力同转速n的平方成正比，同有效单元片质量之和m成正比，同质心到回转中心的半径R成正比，因此离心力F是一个非线性的函数，而弹簧特性是线性的，难以达成多个稳定平衡点，为此，采用由多个单元片组合的方法来使离心力函数线性化。

下面就本专利离心调速片组构建线性离心力-转速函数和低速锁定机构之功能实现进行重点说明：

设离心力为F=0.105Rmn^2=0.105（Rmn）×n

只要使Rmn的积不变，则F随n线性变化，如果在变速过程中，在R和n增大的同时，相应减少有效作用单元片的数量，则相当于m减少，可使Rmn的乘积不变，使F随n线性变化。

本实施例的离心调速片组由a、b、c、d单元片组成，它们的区别是具有不同长短的限位凸9-2，单元片甩开时，长限位凸的单元片先到达离心室边沿被限位，其齿部9-1退出与凸轮齿6-1的啮合，不再贡献离心力，等于减少了离心调速片组9的总质量，其效果参见图5。其中T1是原非线性的离心力函数曲线，K是弹簧特性曲线，T2是线性化矫正后的曲线。

低速锁止机构的作用,一是依据汽车设计理论，车辆需要的动力特性是设定转速以下恒扭矩，设定转速以上恒功率的机械特性。永磁无刷直流电机扭矩分别与电流和磁通成正比，如上所诉在设定转速以上可通过弱磁提高转速减少扭矩实现恒功率变速，而在设定转速以下则希望锁定调速器从而锁定磁通，同时设定电流限值，则电机输出恒定扭矩。因此本专利设置了低速机构。包括本实例凸轮轴套中段的楔形槽6-2，和弹簧7、棘齿8，棘齿8在弹簧7的作用下卡在楔形槽中，棘齿上的离心力和弹簧7的反力平衡点在设定转速ne附近，在设定转速以下低速锁止机构锁止，防止起动阶段较大力矩作用于弹簧导致调速片组自行开闭，产生抖动；同时因调磁转子被锁定到零，相位差φ=0，保持最大磁通，输出最大恒定扭矩，参见图3。

上述优选实施例只是众多细化方案之一，业内技术人员受本专利启发，结合自身经验和知识不难设计出实用的具体产品或商品。

Claims (5)

1.在一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机，包括定子及绕组、驱动转子和调速转子、调速器、电机轴、机壳，其中驱动转子占据定子气隙的大部分面积，承担能量转换主要功能，与电机轴固定连接，通过电机轴输出机械力矩；其特征在于所述调速转子（3）和调速器（4）相连，而调速器包括壳体（10），壳体内有对称配置的两组离心调速片（9）和凸轮轴套（6）以及涡旋弹簧（13），从而构成转速感应调节机构、低速锁止机构以及力矩机构；所述壳体内有中间隔板（14），将壳体分为离心调速片室和弹簧室，中间隔板中间有孔，凸轮轴套一端位于离心调速片室，与离心调速片组构成转速感应调节机构；另一尾端构成弹簧轴，弹簧轴穿过中间隔板的孔进入弹簧室与涡旋弹簧构成力矩机构。

2.根据权利要求1所述一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机，其特征在于所述感应调节机构包括一对销轴（15），离心调速片装在销轴上，可绕销轴转动；离心调速片上有齿（9-1），且与凸轮轴套的齿（6-3）相啮合，因此蹄块转动时将带动凸轮轴套旋转，可在设定转速ne以上改变调速转子的相位φ，每个离心调速片组由至少两片以上离心调速片组成，离心调速片是不同形状、不同重量的单元片(a、b、c、d)，选择单元片的组合对离心力函数曲线T1进行分段补偿或校正，使与弹簧特性K最佳匹配地调节磁场相位。

3.根据权利要求1所述一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机，其特征在于所述力矩机构包括的凸轮轴套（6）和涡旋弹簧（13），涡旋弹簧置于弹簧室（11）内，涡旋弹簧最内圈固定在凸轮轴套尾端的槽口（6-1）中，涡旋弹簧最外圈与壳体（10）相连固定，其旋向使弹簧作用力方向与离心力作用的旋向相反，力图使离心调速片组和调速转子回到原位。

4.根据权利要求1所述一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机，其特征在于所述低速锁止机构；包括凸轮轴套上的楔形槽（6-2），和弹簧（7）、棘齿（8），棘齿在弹簧的作用下卡在楔形槽中，棘齿上的离心力和弹簧的反力平衡点在设定转速ne附近，在设定转速以下低速锁止机构锁止，防止起动阶段较大力矩作用于弹簧导致离心调速片组自行开闭抖动，设定转速以下不产生弱磁变速，输出恒扭矩。

5.根据权利要求1所述一种具有多离心片组合式调速器的永磁无刷电机，其特征在于所述调速转子（3）的轭（3.1）同调速器壳体（10）固定相连，轭的外面是磁极（3.2），其磁极性的分布和驱动转子（2）的磁极性相匹配。