CN104979991A - 一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机 - Google Patents

Abstract

一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，包括电机轴，转子，定子，机壳，端盖等。其特征在于转子内部设置一个自动适应转矩变化调节磁通量大小的机构，它主要由弹簧测控系统和一个螺旋传动副组成，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，把气隙磁通量由原来的常量变成为扭矩的函数，使转速随扭矩反比变化，而输出功率始终不变，使无刷电机具有数倍变速比的自适应等功率无极变速特性。本发明用简单可靠的方法实现了直接转矩控制效果。

Description

一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机

技术领域

本发明涉及永磁无刷电机，尤其是车辆用驱动电机。

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，采用强磁力永磁材料励磁的无刷电机被普遍使用。然而，常规永磁无刷电机由于其磁路结构固定不变，励磁强弱不能实时调节，因此不能获得电励磁电机的调速特性，特别是灯功率无极调速特性。而电动车辆驱动电机正好需要在一定的功率内具有数倍于额定转速的宽阔的调速特性，为了实现这种特性，或可采用同步或异步电机交流变频驱动，有的则为车辆增加机械变速系统，还有的采用电流和永磁复合励磁，还有双转子/双定子，另外还有电机绕组连接可变等，这方面的设计不计其数，都是为了实现等功率调速，迄今为止仍在努力。因为这些技术方案或者效果有限、或者过多的增加了整个动系统的复杂性和制造成本。从改变磁路作手的技术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。由于离心力的变化是非线性的，而弹簧通常是线性的，不易实现精确的匹配。在实践中发现，如果利用电机特性的另一参数——电磁力矩作为反馈，利用其反作用力调节电机的磁场磁场状态，能够更直接更稳定的得到等功率变速的机械特性。

发明内容

一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机包括：一个由定子铁心5和绕组4构成的电枢定子， 其功能是产生旋转磁场；一个由磁极7和磁轭8构成的永磁转子，功能是同电枢定子的旋转磁场相互作用而旋转并输出力矩，以及包括电机轴1和端盖机壳等基础部件。其特征在于该转子自身还包含一个由输出转矩反馈调节磁通量的机构，该机构由弹簧测力机构和螺旋传动副组成，螺旋传动副将电磁转矩转换到轴线方向并带动转子产生位移，弹簧则产生方向相反大小相应的回复力，使得转子的轴向位置实时发生变化，达到调节气隙磁通量进而调节扭矩系数和反电势系数，从而实现等功率自适应连续变速的目的。

螺旋传动副之一是螺旋花键副，包括螺旋花键轴1a和花键螺母1b，螺旋花键轴1a是在电机轴上加工得到的特征，花键螺母1b同转子端板相连接，当转子受到到转矩时，转子可在轴上移动，同时将动力从电机轴输出。

另一种螺旋传动副是螺旋凸轮副，包括电机轴表面的螺旋型线1a和对偶件上的销子1b，销子1b同转子端板相连接，当转子受到到转矩时，转子可在轴上移动，同事将动力从电机轴输出。

所述弹簧测力机构包括弹簧19，固定螺钉18，可调螺钉20，固定螺钉将弹簧的一端锁定在磁通分流器上10上，磁通分流器10同中心轴1配合只能相对转动不能轴向移动，弹簧19另一端通过可调螺钉20同转子端板6连接，随转子做螺旋运动，弹簧预先被给定初始力值，使得负载力矩小于设定值时，定子和转子保持在初始位置，初始值是定子与转子错开位置。

磁通分流器10位于定子一端圆周边沿，材料为高磁导率软磁材料，磁通分流器的主要作用是消减定子移动的磁阻力。

进一步，使端板2与磁通分流器10的间隙足够小和光滑，则构成空气阻尼器，具有滤除干扰力矩和避免超调的作用。

另一种设计是互补励磁，其永磁转子的长度比定子多出一小段长度，这一小段长度配置的磁铁同原长度数量相同但极性相反，起抵消作用，这种设计增强了弱磁效果，但要多用磁铁，适于总长度受限的电机。

由于采用上述技术措施，输出转速和扭矩随负载阻力自动变化，但在额定输入电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。并且高速时，由于铁心中磁通量少，铁损少，低速时虽然磁通量变大，但平率降低，在很宽的工况范围都能获得较少的铁损和较高的效率，本发明用简单可靠很低成本的实现了高端的直接转矩控制效果。使无刷电机具有数倍变比的无极变速特性。

附图说明

附图1本发明的一个具体设计例。

其中1电机轴，1a螺旋花键轴，1b花键螺母，2轴承，3接线柱，4电磁绕组，5定子铁心，6端板A，7磁铁，8磁轭，9端板B，10磁通分流器，11霍尔信号线，12插头，13尾盖，14电路板，15霍尔元件，16轴承，17磁环，18固定螺钉，19弹簧，20调节螺钉，21电机壳，22前盖

附图2是设计例的增磁状态。

附图3是采用互补励磁的设计例。其中1c是销子，1d是螺旋槽，7A磁铁，7B互补磁铁，14霍尔电路板。15霍尔元件，其余零件同附图1。

下面结合图1和图2说明调节原理及变速过程。

下面以车辆驱动为例说明本发明自适应连续变速的工作过程：通电前电机处于附图1所示状态，在弹簧的作用下，定子偏向左边，一部分转子永磁体的磁通进入磁通分流器形成回路而没穿过铁心线圈，如果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，定子绕组4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，这个力矩作用于转子磁铁7，又通过螺旋传动副1a和1b传递到轴1上，并受到轴1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。

Claims (7)

1.一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，包括：一个由定子铁心5和绕组4构成的电枢定子， 其功能是产生旋转磁场；一个由磁极7和磁轭8构成的永磁转子，功能是同电枢定子的旋转磁场相互作用而旋转并输出力矩，以及包括电机轴1和端盖机壳等基础部件；其特征在于该转子自身还包含一个由输出转矩反馈调节磁通量的机构，该机构由弹簧测力机构和螺旋传动副组成，螺旋传动副将电磁转矩转换到轴线方向并带动转子产生位移，弹簧则产生方向相反大小相应的回复力，使得转子的轴向位置实时发生变化，达到调节气隙磁通量进而调节扭矩系数和反电势系数，从而实现等功率自适应连续变速的目的。

2.如权利要求1所述的一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，其特征在于所述的螺旋传动副之一是螺旋花键副，包括螺旋花键轴1a和花键螺母1b，螺旋花键轴1a是在电机轴上加工得到的特征，花键螺母1b同转子端板相连接，当转子受到到转矩时，转子可在轴上移动，同时将动力从电机轴输出。

3.如权利要求1所述的一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，其特征在于所述的螺旋传动副之二是螺旋凸轮副，包括电机轴表面的螺旋槽1c和对偶件上的销子1b，销子1b同转子端6板相连接，当转子受到到转矩时，转子可在轴上作螺旋移动，同事将动力从电机轴输出。

4.如权利要求1所述的一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，其特征在于所述的弹簧测力机构包括弹簧19，固定螺钉18，可调螺钉20，固定螺钉将弹簧的一端锁定在磁通分流器上10上，磁通分流器10同中心轴1配合只能相对转动不能轴向移动，弹簧19另一端通过可调螺钉20同转子端板6连接，随转子做螺旋运动，弹簧预先被给定初始力值，使得负载力矩小于设定值时，定子和转子保持在初始位置，初始值是定子与转子错开位置。

5.如权利要求所述的一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，其特征在于所述的磁通分流器10位于定子一端圆周边沿，材料为高磁导率软磁材料，磁通分流器为移出定子的磁铁提供磁通路，可以消减定子移动的磁阻力。

6.如权利要求1所述的一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，其特征在于所述的磁通分流器10，端板2与磁通分流器10足够小和光滑的间隙，具有空气阻尼作用，具有滤除干扰力矩和避免超调的作用。

7.如权利要求1所述的一种扭矩自适应连续变速永磁内转子无刷电机，其特征在于所述永磁转子的长度可以比定子多出一小段长度，这一小段长度配置的磁铁同原长度数量相同但极性相反，起抵消作用，这种设计增强了弱磁效果，但要多用磁铁，适于总长度受限的电机。