CN106655689A - 一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机 - Google Patents
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Abstract
一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，包括定子、转子、外壳、端盖等基本构件，定子上有绕组，转子上有磁铁。其特征在于该电机的永磁转子同电机轴之间设置了一套双螺旋双向位移调节机构，包括中段制有外螺旋花键的电机轴，内外分别制有正反不同旋向的螺旋花键的花键环，内部制有螺旋花键的花键套，用于测定和调节扭矩的弹簧。这种电机无论正传或反转，这套位移调节机构都能自动检测电磁力矩，并依据所需负载力矩变化实时改变转子的位置，增加或减少气隙的磁通量，从而改变电磁参数，实现等功率调速。
Description
技术领域
在本发明属于电机技术，具体涉及一种能随转矩变化自适应变速的永磁无刷电机。
背景技术
近年来，与电子技术紧密结合的永磁无刷电机（EC电机）以其高效节能等突出优势得到广泛的应用，各种规格、各种用途、各种拓补结构的专利设计不断推出、电机技术迅速发展。特别是针对调节永磁电机气隙磁场以实现等功率变速的技术研发成为热点之一。其中从电控入手的有矢量变频和直接转矩控制，而从电机着手的有磁电混合励磁、双转子组合励磁、调节磁路和漏磁等方案。这些已知技术方案各有特点，电控方式可实现复杂的柔性的程序控制，但它只能从外部控制电机输入端的电参数如频率相位波形等，主要采用直轴电流分量Id弱磁，功率因素不高，需要功率容量大的控制器，用于永磁同步电机（PMSM）中，成本很高；电控方式也不适于直轴电感Ld较小的永磁无刷电机（BLDC）；磁电复合励磁结构复杂；双转子组合励磁以日立专利较为典型，但其早期的离心式弱磁的方案效率损失过多，后来公开的用弹簧螺杆机构弱磁方案需增加其它控制执行机构，也需要2个转子，而且电机只有一个旋向能调速。本人之前在CN104979991公开的扭矩自适应变速永磁无刷电机用螺旋花键副实现了转矩自适应增磁调速，只需使用一个转子，比日立方案省略了离心机构或附加电磁电控执行机构；但单螺旋机构限制了电机旋向，只有一个旋向具有调速功能，在两轮电动车、自动变速钻床等单向驱动应用中没有问题。但是有的应用需要电机既能正传又能反转，比如电动扳手，再比如需要随时倒车的车辆就就不便使用这种电机。为了发挥这种变速电机的其它优点，必须解决电机正反2象限变速运行的问题。经过反复设计终于得到本法明的技术方案。
发明内容
一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，参见附图1，包括定子、转子、外壳、端盖等基本构件，定子上有绕组，转子上有磁铁。其特征在于该电机的转子同电机轴之间设置了一套位移调节机构，这套位移调节机构是通过移动转子位置来改变气隙面积从而调节磁通量实现调速的，调节机构包括：中段制有外螺旋花键的电机轴、内外分别制有正反不同旋向的螺旋花键的花键环、内部制有螺旋花键的花键套、测定和调节扭矩的弹簧。
所述花键环之内花键参数与电机轴的外花键参数匹配，所述花键环之外花键参数与花键套的内花键参数匹配；所述花键环内、外花键旋向相反：比如内花键为右旋，则外花键左旋。花键螺旋角β及余角π/2-β充分大于材料的最大摩擦角。
所述花键套嵌于转子支架中，同永磁转子固连，花键套两端通过衬环与轴配合可以在轴上相对滑动。
所述弹簧为螺旋压缩弹簧及组合，其中一端作用力于转子支架，另一端作用力通过弹簧座b、平面推力轴承、作用于电机轴台阶上，弹簧使转子受到向左的力，具有向左移动离开定子的趋势，弹簧受力伸缩反应了负载力矩变化并确定转子在定子中的相对位置。
所述弹簧还可以为碟形弹簧组合，通过组合得到适合的非线性的特性，叠合后的弹簧一端作用于转子支架，另一端通过弹簧座b、平面推力轴承、作用于电机轴台阶上，弹簧使转子受到向左的力，具有向左移动离开定子的趋势，弹簧受力伸缩反应了负载力矩变化并确定转子在定子中的相对位置。
为了避免掉电及扭矩突变时转子过快移动所产生的冲击，方案设计配置了缓冲系统，缓冲系统包括缓冲缸和活塞，活塞通过螺钉与转子支架相连，随转子一起运动，利用空气的阻尼，活塞在缓冲缸中不能快速移动，从而实现缓冲作用。
缓冲缸材料具有导磁导电特性，它的磁阻同定子铁芯相当，这使得转子在定子和缓冲缸之间来回移动时阻力很小。电机稳定工作时缓冲缸与转子同步旋转，所以缓冲缸和其中转子构成的磁路中磁通不变化，不产生铁损；只有转子与缓冲缸相对有快速运动时会产生磁滞损耗和涡流损耗，而这样正好有利于耗减弹簧储能，从而缓冲弹簧弹射转子之力。
检测转子的转速和磁场相位的传感器包括霍尔电路板和磁环，磁环同转子磁相位相同，霍尔电路板固定于端盖上，霍尔IC感应磁环相位输出编码信号。磁环同弹簧座相连，止推轴承置于轴肩处并支撑弹簧座，止推轴承解耦弹簧座与轴肩的摩擦力，使磁环能够灵活的跟随转子同步旋转，产生准确的转子相位信号。
本发明克服了国外现有技术零部件多、可靠性差、控制复杂、成本高的缺点，也突破了自己之前单螺旋无刷电机专利的局限，针对永磁无刷电机设计了特定的双螺旋机构，使永磁无刷电机可以双向等功率调速运行；使用力矩自适应变速，效果等同于电机控制领域的直接转矩控制概念，极简的机构，制造容易，成本低廉，可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例基本构成，是加电前的初始静止状态，也是运行的高速弱磁状态。图中标号说明如下：1.电机壳，2.定子，2a.绕组，3.转子，3a.磁铁，4.花键套，5.花键环，6.转子支架，7.弹簧座a，8.前电机盖，9.前衬环，10.弹簧，11.弹簧座b，12.平面推力轴承，13.前轴承，14.磁环，15.霍尔电路板，16.挡圈，17.后衬环，18.缓冲缸，18a.活塞，19.后电机盖，20.后轴承，21.密封圈，22.电机轴，23挡圈，24.螺钉，25.电线束。
图2 双螺旋机构3D视图，外花键套剖开一部分以便展示内部结构。
图3 增磁状态3D图，电机正传，花键环位于左端，隐去次要零件。
图4 增磁状态3D图，电机反转，花键环位于右端，隐去次要零件。
图5 弱磁状态3D图，无论电机旋向，花键环位于左端，隐去次要零件。
实施案例
图1是本发明实施案例之一，用以说明变速的原理和过程机制，其它3D图是具体设计实例。业内技术人士依照本例结合已有基本专业知识不难理解，据此制作出优良的具有转矩自适应变速效果的永磁无刷电机。
以变速2倍为例说明弱磁变速。合理简化后，有关参数定义如下：
电机额定额定电压Ue，额定电流Ie，转子直径 D2, 转子长度=L, 平均磁密 Bδ, 定子绕组匝数N, 转子移动量z，本例调速比设计为2倍，依据电机理论可得
气隙总磁通 Φ=D2*L* Bδ,
最大磁链 λmax= N*Φ，
变动磁链 λz =N*Φ*（L-z）; 0≤z≤0.5L,
电磁扭矩 Te=λZ* Ie,
转速（忽略电感） ωe=Ue/λZ （rad）, n=9.55/ω（rpm）
电机的转速与磁链成反比，
当z=0时，磁链最大，λz=λmax，额定转速为ωe，扭矩=Te ；
以弱磁50%为例，当z=0.5L时，λz=0.5λmax，转速为2ωe，扭矩=0.5Te；
输出功率W=ωe*Te=2ωe*0.5Te，输出功率恒定不变。
设计花键参数。定义螺旋花键角为β，节圆半径为r，则转子轴向分力
Fz=Te/r*sinβ。
设计弹簧参数。
当z=0.5L时，弹簧位于工作点S1，压缩到该点时，应使弹簧反力F1=0.5Te/r*sinβ
当z=0时，弹簧位于工作点S2，压缩到该点时，应使弹簧反力F2=Te/r*sinβ，则弹簧刚度k=（F2-F1）/z。
这样，弹簧特性刚好能够测量扭矩变动范围，并改变自身长度。
下面具体说明转矩自适应变速过程。
电机通电前，转子处于弱磁位置，z=0.5L，此时给电机通电，即刻产生电磁转矩，该转矩为弱磁状态的堵转扭矩0.5Tmax，大于0.5Te额定转矩，由于螺旋花键的作用，转子自动地做螺旋运动，其轴向分力Tmax/r*sinβ＞F1，弹簧被压缩，转子向定子移动，z变小，λZ变大，电磁力矩Te变大，弹簧继续被压缩，电磁力矩Te继续变大，直到下列条件之一出现时完成起动过程。
第一，z=0，转子完全进入定子达到最大磁链λmax，电机工作于额定转速以下，这时电机特性等同于普通无刷电机；
第二，因载荷较轻，起步过程中，电磁力矩很快大过负载阻力矩，负载被加速旋转，很快达到额定转速，紧接着进入恒功率变速区间。
在恒功率变速区间。最高转速由给定电压控制，人为给定最大输入电压，则可能达到最高转速。而实际稳态转速受负载阻力矩限制。
运行中，负载阻力矩减小时，弹簧会伸长，产生弱磁，λZ减少，电磁转矩相应降低，电机转速增高，转速增高又伴随负载阻力矩相应增加，电磁转矩和阻力矩二者必趋于相等，使速度不再增加。
运行中，如果负载阻力矩增大，弹簧会缩短，z减少，λZ增加，电磁力矩相应增大，直到电磁力矩等于负载阻力矩，速度不再降低。如果给定电压等于额定电压，则恒功率范围为额定转速的2倍范围。
下面说明双螺旋传动副的作用机制。
对于附图1所示电机，参见附图2所示双螺旋结构，设定观察方向为从左端看，顺时针为右旋，逆时针为左旋，电机轴与花键环为右旋配合，花键套与花键环为左旋配合。
当电机左旋时，花键套左旋，花键环受到向左的轴向分力，但被挡圈16挡住不能左移，花键套及转子被迫右移并压缩弹簧，见图3。这时起作用的是与花键套相关的左螺旋副。
花键套及转子位于右端时，如果降低电压或车辆刹车断电，电磁力将减小或消失，弹簧反力大于电磁力，向左推动花键套，花键套沿花键环外花键右旋向左运动，花键环保持左端不动。
当需要电机右旋时，花键套右旋，花键环受到右向轴力及和右旋力矩向右顶着衬环（9）作螺旋运动，花键套及转子被迫右移并压缩弹簧，花键环最终移动到右端，见图4。这时起作用的是与轴相关的右螺旋副。
同样，如果这时降低电压或车辆刹车断电，电磁力将减小或消失，弹簧反力大于电磁力，向左推动花键套，花键套带着花键环沿花键轴左旋向左运动。
Claims (6)
1.一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，包括定子、转子、外壳、端盖等基本构件，定子上有绕组，转子上有磁铁；其特征在于该电机的永磁转子同电机轴之间设置了一套双螺旋双向位移调节机构，无论电机正传或反转，这套位移调节机构都能自动检测负载力矩，实时改变转子的位置，调节气隙的磁通量，从而改变电磁参数，实现等功率调速；所述机构包括：中段制有外螺旋花键的电机轴（22）、内外分别制有正反不同旋向的螺旋花键的花键环（5）、内部制有螺旋花键的花键套（4）、测定和调节扭矩的弹簧（10）；所述花键套嵌于转子支架中，同永磁转子固连，花键套两端通过衬环与轴配合可以在轴上相对滑动，所述花键环位于花键套和电机轴花键段之间，挡圈（16）限制花键环移动范围，只能在轴上花键段移动，花键套相对于电机轴既可以作左螺旋运动又可作右螺旋运动。
2.如权利要求1所述一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，其特征在于所述花键环之内花键参数与电机轴的外花键参数匹配，所述花键环之外花键参数与花键套的内花键参数匹配；所述花键环内、外花键旋向相反，花键螺旋角β及余角充分大于花键材料的最大摩擦角。
3.如权利要求1所述一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，其特征在于所述弹簧为螺旋压缩弹簧及组合，其中一端作用力于转子支架，另一端作用力通过弹簧座、平面推力轴承、作用于电机轴台阶上，弹簧反力使转子趋向于减少气隙面积，弹簧受力按规律伸缩变化直接确定了转子在定子中的相对位置。
4.如权利要求1所述一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，其特征在于还配置有缓冲系统，可避免断电及扭矩突变时转子过快移动所产生的冲击，缓冲系统包括缓冲缸（18）和活塞（18a），活塞通过螺钉（24）与转子支架相连，随转子一起运动，但由于空气的作用，活塞在气缸中不能快速移动，从而实现缓冲作用。
5.如权利要求4所述缓冲系统，其特征还在于所述缓冲缸使用导磁材料制作，它的磁阻与定子铁芯磁阻相当，从而转子在定子和缓冲缸之间来回移动时磁阻效应最小，电机工作时缓冲缸与转子同步旋转，磁通相对静止不变，不产生铁损；然而在转子与缓冲缸之间有相对快速运动时，又会因磁滞损耗和涡流损耗产生缓冲作用，使变速过程柔和。
6.如权利要求1所述一种转矩自适应变速的双向双螺旋永磁无刷电机，其特征在于检测转磁场相位传感器，包括霍尔电路板和磁环；磁环磁相位同转子磁相位相同，磁环同弹簧座相连，弹簧座与弹簧周向定位，弹簧座压在平面推力轴承上，平面推力轴承抵靠于轴肩处，磁环能够灵活的跟随转子同步旋转，产生准确的转子磁相位信号；霍尔电路板固定于端盖上靠近磁环，霍尔IC感应磁环相位输出编码电脉冲信号。
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