CN201153239Y - 磁电机式无级变速器总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种磁电机式无级变速器总成。广泛应用于各种交通工具和动力设备。其结构包括具有内外两个三相绕线式转子的电机，内、外转子分别与输入轴和设有转速传感器的输出轴相连结。和电机相连接的电机控制器里分别设有内转子正向旋转磁场电路控制装置、内转子反向旋转磁场电路控制装置、外转子绕组电路控制装置和输入轴抱闸装置，外罩内设有外转子抱闸装置。通过电机控制器，电池与内转子绕组相连接，电池经过逆变器与内转子绕组相连接，电池经过整流稳压器与外转子绕组相连接。从而实现交通工具的无级变速、倒车、制动、充电、电动等多种功能，与现有技术相比具有设计合理、制造工艺简单、生产成本低、功能多、运行可靠、机械效率高、环保、节能等优点。

Description

磁电机式无级变速器总成

技术领域

本实用新型涉及一种变速器装置，它广泛应用于各种交通工具和动力设备，特别适合于汽车。

背景技术

交通工具的内燃机都有一定的速度和功率范围，并在其中很小范围内达到最佳工作状态，变速器通过改变交通工具的速度和扭矩使内燃机以适应千变万化的路况对扭矩的要求。而传统的机械式变速器具有机械磨损大、噪音大、机械效率低，挂档易发冲，还容易滑档和串档，运行质量差，由于使用机油污染环境等缺点。

电机混合动力技术的诞生，为实现内燃机与动力轮之间完全匹配开拓了新的途径。在众多设计案中，最具代表性的有并联混合系统和串联混合系统两种；前者有两条并行的独立的动力链：一条由传统机械式变速器组成，另一条由电机——电池组成，但是，它的核心部分还是传统的机械式变速器，并且由于有两套子系统，造价高；后者由内燃机——发电机——电动机——轴系——驱动轮组成一条串联动力链，它是将内燃机机械能通过发电机转化为电能，又将电能通过电动机转化为机械能；能量转化过程复杂，具有机械效率低，结构复杂，造价高等缺点。

发明内容

本实用新型是针对现有的变速器以上的缺点而提出的一种技术方案。

本实用新型是根据电磁感应原理设计的，它的物理模型参看高三物理教科书中感应电动机一节，一个可以旋转的磁铁中间放一个可以旋转的铝框。如果转动磁铁，造成一个旋转磁场，铝框就随着转动。磁铁转动时，铝框切割磁感线，其中产生感生电流，从楞次定律知道，感生电流和磁铁场的相互作用，要阻碍磁铁和铝框的相对运动，现在磁铁是在外力作用下转动的。结果不是铝框阻止磁铁的转动，而是铝框被磁铁带着转动起来。

如果用三相绕线式的内转子代替磁铁，三相绕线式的外转子(结构跟普通的三相电动机定子相似，但可以绕轴转动)代替铝框。内转子绕组通以直流电时，在内燃机的带动下，在外转子内腔形成一个如附图2所示的同步正向旋转磁场，绕组闭合的外转子在旋转磁场作用下也转动起来。

切断内转子绕组电流，内转子不产生旋转磁场，外转子绕组中不产生感生电流，也不随内转子旋转。

根据电磁学相关理论知道，外转子绕组中的感生电流强度跟内转子绕组励磁电流强度和内、外转子的速度差成正比关系，外转子在内转子磁场中受到了安培力及其产生的磁力矩随励磁电流和内、外转子转速差增大而增大。在某一速度下，交通工具匀速行驶，根据运动力学定律得知，内转子的动力矩与阻力矩平衡，外转子的动力矩与由负载和机械摩擦产生的阻力矩相平衡，内、外转子的转速差为一恒量。增大内转子励磁电流强度，外转子绕组的感生电流及其产生的动力矩也相应增大，大于阻力矩，外转子转速加快。内转子由于受到阻力矩增大，也相应地降低转速，这样内外转子的转速差就减小了，外转子的感生电流及其产生的动力矩都相应地减小，随着外转子转速继续增大，内、外转子的转速差进一步缩小，而内、外转子的动力矩与阻力矩趋于平衡，这样，最终使内、外转子各自在另一个速度水平上匀速转动，两者的转速差为另一恒量。如果继续增大内转子励磁电流强度，内、外转子的转速差更一步减小，接近同步，反之，减小励磁电流强度，内、外转子的转速差将增大。匀速行驶的交通工具如果受到阻力增大，交通工具将降低速度，内、外转子的转速差也随之增大，外转子绕组中感生电流及其产生的动力矩也相应增大，随着外转子转速进一步降低，最终使内、外转子的动力矩与阻力矩平衡，内、外转子在转速差较大的水平上又重新匀速转动。反之，外转子的受到的阻力越小，转速越大，其转速差越小。总之，在内燃机功率不变的前提下，外转子的转速随内转子绕组励磁电流强度增大而增大，随阻力矩增大而减小。这就是电磁调速原理。实验表明，调速比达到10∶1。

当交通工具需要倒车时，通过电机控制器将励磁电流经过如图5所示的内转子反向旋转磁场电路控制装置接到内转子绕组电路中。虽然，此时的内转子还是随内燃机作正向旋转，但产生的却是如附图3所示的具有相同转速的反向旋转的磁场，外转子在反向旋转磁场的带动下，也做反向旋转，以实现倒车功能。

与外转子旋转方向相反的旋转磁场，还具有制动功能。实验表明，在同一速度下，外转子绕组在与其相反方向旋转磁场作用下感生电流比在同向旋转磁场中大得多，产生的磁力矩也大得多，它与由负载和机械摩擦产生的阻力矩共同作用下迫使由于惯性还在运动的交通工具，最终平稳地停下来，当外转子停止转动时，外转子抱闸装置在输出轴转速传感器的指令下将外转子卡住，以实现制动功能。它具有制动距离短、平稳、防抱死等优点，这就是电磁制动原理。

电池需要充电时，通过电机控制器，将整流稳压器接到外转子绕组电路中，将正常行驶和制动时，外转子绕组感生电流产生的电能，经过整流稳压器贮存到电池里，特别是制动时，将交通工具的机械能转化为电能贮存到电池里，不像传统的制动系统通过摩擦片将机械能转化为热能，白白地消耗掉，具有节能的优点。

用输入轴抱闸装置将内转子卡住，逆变器将电池的直流电转换成交流电，通过电机控制器接到内转子绕组中，此时的双转子电机就是普通的绕线式三相异步电动机，将电池的电能转化为交通工具的机械能，实现电动目的。

本实用新型的磁电机式无级变速器总成与现有技术相比具有以下优点：

1、可同时加大内燃机功率和增大内转子励磁电流强度来提速，具有提速快的优点。

2、功能多：(1)发电功能，省去了发电机；

(2)具有制动功能，且制动距离短、平稳、防抱死等优点；

(3)电动功能，实现了混合能源的目的。

3、机械效率高，达到85％以上。

4、具有结构合理，制造工艺简单，造价低，运行可靠，自动变速等优点。

5、与传统机械式变速器相比，省去离合器，由于不使用机油，还具有环保的优点。

附图说明

附图1为本实用新型整体结构示意图

附图2中十二个小图为本实用新型的内转子正向旋转磁场示意图

附图3中

十二个小图为本实用新型的内转子反向旋转磁场示意图

附图4为本实用新型的内转子正向旋转磁场电路控制原理示意图

附图5中①-⑥为本实用新型的内转子反向旋转磁场电路控制原理示意图

附图6为本实用新型的外转子绕组电路控制原理示意图

在附图1中，1-输入轴 2-电机控制器 3-双转子电机 4-输出轴 5-逆变器6-整流稳压器 7-电池 8-内转子反向旋转磁场电路控制装置 9-内转子正向旋转磁场电路控制装置 10-外转子绕组电路控制装置 11-外转子 12-内转子 13-输入轴抱闸装置 14-外转子抱闸装置 15-外罩 16-输出轴转速传感器 17-换向器 18、19-滑环20、21、22-电刷组在附图2、3中，①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

十二个小图中，角度制表示内转子旋转的角度，弧度制表示磁场旋转的角度。在附图5中，①②③④⑤⑥六个小图分别为换向器a、b、c、d、e、f原理图。在附图4中，外围的三个圆形电路与正极电刷相接触，内圆的三个圆形电路与负极电刷相接触。

具体实施方式

下面结合附图1至6，以汽车为例对本实用新型的磁电机式无级变速器总成作以下详细说明：

如附图1所示，本实用新型的磁电机式无级变速器总成包括装有抱闸装置13的输入轴1与内燃机连结；电机控制器2里面设有随内转子转动的反向旋转磁场电路控制装置8和内转子正向旋转磁场电路控制装置9，以及随外转子旋转的外转子绕组电路控制装置10；双转子电机2中设有外转子11，绕组为星形(Y)接线方式，内转子12，装有转速传感器16的输出轴4与驱动轮连结，外罩15内设有外转子抱闸装置14、逆变器5、整流稳压器6、电池7。

其中内转子反向旋转磁场电路控制装置8由六个套在输入轴1上的彼此绝缘的换向器17与电刷组20构成。每个换向器由四块铜片构成，如附图5所示，换向器a、d在0°，90°，180°，270°处断路。铜片1、3、14、16与内转子绕组X出线端连接，铜片2、4、13、15与内转子绕组A出线端相连接，换向器b、e在60°、150°、240°、330°处断路，铜片5、7、18、20与内转子绕组Y出线端相连接，铜片6、8、17、19与内转子绕组B出线端相连接。换向器c、f在30°、120°、210°、300°处断路，铜片9、11、22、24与内转子绕组C出线端相连接，铜片10、12、21、23与内转子绕组Z出线端相连接。换向器a、b、c与正极电刷相接触，换向器d、e、f与负极电刷相接触。

内转子正向旋转磁场电路控制装置9由六个套在输入轴1上的彼此绝缘铜滑环18与电刷组21构成，如附图4所示，滑环A、B、C、X、Y、Z分别与内转子绕组中相对应的出线端相连接，其中滑环A、B、Z与正极电刷相接触，滑环X、Y、C与负极电刷相接触。

外转子绕组电路控制装置10由三个套在外转子的彼此绝缘的铜滑环19与电刷组22构成，滑环A、B、C分别与外转子绕组A、B、C出线端连接，绕组X、Y、Z出线端连接一起。

在操作平台上设置有

按钮，调速装置。

按下按钮“电动”端，电动系统进入工作状态，通过手动或自动方式用抱闸装置13将输入轴1卡住，外转子抱闸装置14与外转子11脱离，通过整流稳压器6将外转子绕组直接短路，电池7的直流电经过逆变器5转换成交流电接到如附图4中的内转子正向旋转磁场电路控制装置9中标有A、B、C线路中，并将标有X、Y、Z线路进行短路。此时，双转子电机成为普通的三相绕线式异步电动机。将电池7的电能转化为汽车的机械能，成为电动汽车，用调速装置改变内转子绕组电流强度或外转子绕组的电阻进行变速。

按下

按钮的“倒车”端，改变内转子(定子)绕组接线方式，即A、B两个线路互换，使内转子(定子)形成一个反向旋转磁场，外转子在其反向旋转磁场作用下也反转，实现倒车功能。

用

按钮对内转子(定子)绕组接线进行切换，使内转子(定子)形成一个与原来相反的旋转磁场，它产生的磁力矩与由负载和机械摩擦产生的阻力矩共同作用下，阻碍外转子的转动，当外转子停止转动时，外转子抱闸装置14在输出轴转速传感器16的指令下，将外转子卡住，内转子(定子)绕组的电流自动断路。

按下

按钮“燃油”端，内燃机系统进入工作状态，输入轴抱闸装置13，外转子抱闸装置14分别与输入轴1和外转子11分离，逆变器5与内转子正向旋转磁场控制装置9分离。通过电机控制器2，整流稳压器6接到外转子绕组电路控制装置10上，电池7的直流电经过内转子正向旋转磁场电路控制装置9接到内转子绕组中。内转子12在内燃机的带动下，形成一个如附图2所示的同步正向旋转磁场，外转子11也随之做正向转动，用调速装置改变内转子励磁电流强度、外转子绕组电阻和内燃机功率来改变汽车速度。

按下

按钮“倒车”端，电池7的直流电通过内转子反向旋转磁场电路控制装置8接到内转子绕组中，内转子随内燃机正向旋转，却在外转子内腔形成了如附图3所示的具有相同转速的反向旋转磁场，外转子也随之反转。

用

按钮对内转子正向旋转磁场电路控制装置9和反向旋转磁场电路控制装置8进行切换，使内转子形成一个与原来相反方向的旋转磁场，外转子产生的磁力矩与由负载和机械摩擦产生的阻力矩共同作用下，阻碍外转子转动，当外转子停止转动时，外转子抱闸装置14在输出轴转速传感器16指令下将外转子11卡住，实现制动的目的。

Claims (10)

1、磁电机式无级变速器总成，包括动力输入轴(1)和输出轴(4)；其特征在于：双转子电机(3)通过电机控制器(2)与整流稳压器(6)、逆变器(5)和电池(7)相连接，外罩(15)内设有外转子抱闸装置(14)，输出轴(4)设有转速传感器(16)。

2、根据权利要求1所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：双转子电机(3)由内外两个三相绕线式转子构成，内转子(12)和普通的三相绕线式异步电动机转子相似，外转子(11)跟三相异步电动机定子相似，但可以绕轴转动，其绕组为星形(Y)连接方式。

3、根据权利要求1所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：电机控制器(2)内分别设有内转子正向旋转磁场电路控制装置(9)，内转子反向旋转磁场电路控制装置(8)，外转子绕组电路控制装置(10)和输入轴抱闸装置(13)。

4、根据权利要求1所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：电池(7)通过电机控制器(2)里面的内转子正向旋转磁场电路控制装置(9)与内转子(12)绕组连接，以及形成的和内转子具有相同转动速率的正向旋转的磁场(①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

)。

5、根据权利要求1或3所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：电池(7)通过电机控制器(2)里面的内转子反向旋转磁场电路控制装置(8)与内转子(12)绕组连接，以及形成的和内转子具有相同转动速率的反向旋转的磁场(①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩)。

6、根据权利要求1或3所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：电池(7)通过整流稳压器(6)和电机控制器(2)里面的套在外转子转轴上外转子绕组电路控制装置(10)与外转子(11)绕组相连接。

7、根据权利要求1或3所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：电池(7)通过逆变器(5)和电机控制器(2)里面的内转子正向旋转磁场电路控制装置(9)与内转子(12)绕组相连接。

8、根据权利要求1或3所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：内转子正向旋转磁场电路控制装置(9)是由套在输入轴(1)上的六个彼此绝缘的铜滑环(18)与电刷组(21)构成，滑环(A)、(B)、(C)、(X)、(Y)、(Z)分别与内转子绕组相对应的出线端连接，滑环(A)、(B)、(Z)与正极电刷相接触，滑环(C)、(X)、(Y)与负极电刷相接触。

9、根据权利要求1或3所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：内转子反向旋转磁场电路控制装置(8)是由套在输入轴(1)上六个彼此绝缘的换向器(17)与电刷组(20)构成，换向器(a)、(d)在0°、90°、180°、270°处断路，换向器(b)、(e)在60°、150°、240°、330°处断路，换向器(c)、(f)在30°、120°、210°、300°处断路；每个换向器由四个铜片构成，铜片(1)、(3)、(14)、(16)与内转子绕组X出线端连接，铜片(2)、(4)、(13)、(15)与内转子绕组A出线端连接，铜片(5)、(7)、(18)、(20)与内转子绕组Y出线端连接，铜片(6)、(8)、(17)、(19)与内转子绕组B出线端连接，铜片(9)、(11)、(22)、(24)与内转子绕组C出线端连接，铜片(10)、(12)、(21)、(23)与内转子绕组Z出线端连接，换向器(a)、(b)、(c)与正极电刷相接触，换向器(d)(e)、(f)与负极电刷相接触。

10、根据权利要求1或3所述的磁电机式无级变速器总成；其特征在于：外转子绕组电路控制装置(10)是由套在外转子上的三个彼此绝缘的铜滑环(19)与电刷组(22)构成，滑环(A)、(B)、(C)分别与外转子绕组中相对应的出线端连接。

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