CN2845305Y - 电磁耦合无级变速器 - Google Patents
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Abstract
一种电磁耦合无级变速器涉及车辆等的无级变速传动，该无级变速器的集流器和定子分别与功率电子控制器中的AC－DC变换器和DC－AC变频逆变器连接；输入轴或者输出轴通过集流器与转子连接，转子位于杯形转子内腔，与杯形转子配合，杯形转子一端与输出轴或者输入轴连接，定子固定在机座上，与杯形转子配合。该无级变速器把级联式电传动与电磁滑差耦合式机械传动柔为一体，并加上非接触旋转输电，形成功率分汇流，配以变频与调磁相结合的调速手段。在保持与常规电传动相当的宽广无级变速范围的同时，总体传动效率提高、调控性能优良、运转可靠，还可省去离合器及发动机启动器等部件，或可直接作为混合动力电动汽车的多能源动力总成。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无级变速器，具体是一种电磁耦合无级变速器。该系统应用于以热力发动机等为单一原动机的传统车辆、油-电混合动力电动汽车以及其他需要采用变速传动的机电一体化装备中。
背景技术
汽车等各种载运工具以及许多其他机电系统都需要配置可调节运转速度、匹配负载的动力传递装置——变速器。目前广泛采用的多为基于齿轮副的手动或自动有级式机械变速器，虽然其自身传动效率较高，但调速品质不够好，且只能在系统工作范围的若干点上保证原动机与负载的正确匹配，致使在多数工作点上系统总体效率有所下降。
现有无级变速器主要有各种基于机械摩擦传动、电传动、液压/液力传动等不同形式的无级变速器。现有无级变速电传动主要是级联式电传动无级变速器。该无级变速器见图1，包括输入轴1、功率电子控制器5、电机6、电机7、输出轴2，对于混合动力电动汽车，还包括电能缓存(电池组)子系统9。两个电机6、7可以是永磁同步电机，也可以是他类型的电机；功率电子控制器包括交流-直流转换器51和直流-交流变频逆变器52，前者与电机7的定子72、后者与电机6的定子62电气连接，两者相互配合来控制两个电机的转速-转矩工作点。对于级联式电传动无级变速器，原动机11输入的机械功率须全部先转换为电功率，然后再次转换为机械功率输出，整个功率流要经历电机7的机-电、电机6的电-机转换以及在功率电子控制器的交流-直流和直流-交流等多个转换环节，造成其效率偏低。事实上，现有各种无级变速器的传动效率普遍显著比有级式机械变速器的低。
油-电混合动力电动汽车具有显著的节能环保效果，是汽车技术的发展方向之一，但它需要比常规汽车增设电机(发电/电动)、电池组及功率汇流等子系统。现有技术还未能实现把发电、电动、发动机启动、离合、变速、功率汇流等多种功能集于一身，以致动力汇流与变速系统设备复杂、制造成本偏高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种在较大速比范围内高效地实现自动无级变速器、使发动机在变负载条件下保持在最佳工作区域内运转。本实用新型的另一目的在于取代传统汽车中的发动机启动器、离合器、齿轮变速器或混合动力电动汽车中的电机系统、功率汇流器等。由此提供一种适合在传统车辆、油-电混合动力电动汽车以及其他需要采用变速传动的机电一体化装备中应用的功率汇流与无级变速一体的系统，且该系统具备结构紧凑、效率高、输入/输出轴可独立调控的特性。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
在现有级联式无级电传动或混合动力电动汽车的串联式机电耦合方案的基础上、尤其是在其中采用永磁同步电机方案的基础上，实施结构改动，形成可直接传递机械能的电磁滑差耦合(离合)器与电机的某种组合体，并增设附加调磁线圈、非接触式互感集流器等装置，构成一种具备功率分汇流功能的电磁耦合无级变速器。
如图1所示的典型现有级联式无级变速电传动方案效率偏低，但如果将上述方案按图2所示进行改动，情况将会大为改观。这种改动主要包括：
第一，把电机7的电功率输出端从定子72上改到转子71上，并增设一个集流器8经导线引出。改动前后的电机7完全等效，这样做只是为了方便下述的后续改动。当然，对于永磁同步型电机还须使铁心绕组与永磁体对调，即72为永磁式、71为铁心绕组式；此外，为提高工作可靠性，集流器8最好为非接触式的，如后文描述的一种互感式非接触集流器等。
第二，解除对电机7的“定子”72绕其轴心线转动自由度的约束，并使之与电机6的转子61及轴2固接起来。
方案是电磁耦合无级变速器包括输入轴、输出轴、机座、功率电子控制器、集流器、转子、定子和永磁式或绕线式或鼠笼式杯形转子，输入轴与输出轴同轴线地支承于机座，集流器、转子、定子和永磁式或绕线式或鼠笼式杯形转子；所述集流器和定子分别与功率电子控制器中的AC-DC变换器和DC-AC变频逆变器连接；输入轴或者输出轴通过集流器与转子连接，转子位于杯形转子内腔，与杯形转子配合，杯形转子另一端与输出轴或者输入轴连接，定子固定在机座上，与杯形转子配合。所述集流器为由感应初级线圈与次级线圈配合构成的互感式非接触集流器或电刷滑环式集流器，所述非接互感式触集流器感应初级线圈设置在输入轴上，其线圈绕组为周向或轴向，并与共同设置在输入轴上的转子的线圈绕组导线连接，感应次级线圈绕组与感应初级线圈相同，并与感应初级线圈配合。所述功率电子控制器还可设置三个传感器，分别与输出轴、输入轴和原动机配合，并通过导线与功率电子控制器相连。
采用上述技术方案的原理如下：
如图4所示，当原动机11驱动电机7的转子71相对于“定子”72旋转而发电时，两者间相互作用的电磁力矩将拖动“定子”72及与之固接的转子61和输出轴2，随转子71做同向、但速度可以不等的旋转运动。参见图4的模型，这相当于把7变成了一个电机兼电磁滑差耦合(离合)器的组合体，把原动机11的部分机械功率直接经输出轴2传输到负载10，而电机7又以相对转速(转速差)Δω＝ω1-ω2作为其“同步发电转速”，把原动机功率的其余部分转换为电功率，经由电传动分路电机7--功率电子控制器5--电机6传递并再次转换成机械功率汇合到轴2，最终也传输到负载10。变成电机兼电磁滑差耦合器组合体的7，其传递功率的效率既高于单个电磁滑差耦合器，也高于单个电机。对于前者，是因为它把单个电磁滑差耦合器原来要作为电涡流发热损耗掉的功率变成了电传动分路的有用电功率，对于后者，是因为它只让总功率的一部分经由效率相对偏低的电传动分路传递，故总体效率得以提高。下述根据图4建立的基本公式及所做的简要理论分析对此提供了进一步的印证。
设ω表示角速度，T表示转矩，P表示功率(流)，符号的下标e表示电传动分路。来自原动机的功率为P1＝T1ω1；此时经电磁滑差耦合器18直接传递的那部分机械功率PH可认为效率约为1.0，即PH＝T1ω2；其余可供7转换成电能的功率为Pe＝T1Δω＝T1(ω1-ω2)，且有P1＝Pe+PH。电传动效率ηe＜1.0，Pe经电传动分路有所损耗，传递到负载上的为ηePe；驱动负载的有效功率为P2＝T2ω2；其中T2＝T1+Te2，而Te2＝ηePe/ω2。利用这些基本公式易推知：在ω2≤ω1的减速传动段，变速传动总效率η＝P2/P1＝ηe+(1-ηe)ω2/ω1，恒有η＞ηe，恒比图1常规级联式电传动的高，且随ω2增大呈进一步增高之势，当ω2→ω1时η→1.0。同理可知，在ω2≥ω1的超速传动段，η随ω2增大从1.0逐渐下降，但在实用范围内仍保持较高水平，且因原动机(发动机)此时工作在高速轻载的省油高效区，还对传动效率的下降提供了弥补。
采用上述改动技术方案后已产生的有益效果包括：
第一，在保持与常规电传动相当的较宽广无级变速范围的同时，总体效率得以提高，从而产生节能效果。
第二，可省去离合器及发动机启动器；对混合动力电动汽车而言，合并了变速器和电机两大分立系统并兼任功率汇流器，还自然提供了先进的串并联(混联)驱动功能及制动能量回收功能；对其他应用场合而言，电传动分路各元器件的额定功率容量可明显降低；这些均可带来简化系统、降低成本、提高性能的效果。
以上为方便阐述本实用新型的基本工作原理，采用了便于理解、仍保留有不便应用的明显级联式拓扑布局的图2、图3和图4。根据不同使用要求和特点，本实用新型的具体实施方案可繁可简，形成多种衍生方案。以下结合虑及紧凑性、调控特性等因素的一个基本型方案及若干衍生方案作为实施例，对本实用新型做进一步详细说明。
附图说明
图1为现有级联式无级变速电传动方案示意图，该方案用于串联式混合动力电动汽车时，图中用双点划线表示的电能缓存(电池组)子系统9为必备。图中其他部分分别是：输入轴1、输出轴2、电机7(包括其转子71和定子72，主要作为发电机使用)、电机6(包括其定子62和转子72，主要作为电动机使用)、功率电子控制器5，功率电子控制器5(包含AC-DC转换器51和DC-AC变频逆变器52等部分，用来控制上述两个电机的转速-转矩工作点)、原动机11(如内燃机等热机)、负载10(如汽车驱动桥)等；因后两者不属于所述变速传动系统，故用虚线表示。图中电机7、6可以是永磁同步电机或其他类型的电机。
图2为本实用新型实施方式2基本工作原理示意图，图中示出集流器8，其余零部件编号意义同图1。
图3和图4分别为现有级联式无级电传动和电磁耦合无级变速传动的简化模型，图中电磁滑差耦合(离合)器18，其余各零部件编号意义同图2。图中还有不为零部件编号的符号，其中ω及圆弧箭头表示角速度，T及圆弧箭头表示转矩，P及粗线箭头表示功率(流)，符号的下标e指电传动分路、其他下标指对应的零部件编号。
图5为本实用新型实施方式1的结构示意图。图中示出机座3，附加调磁线圈4，杯形转子67，感应初级线圈81，感应次级线圈82，转速传感器13、12，(发动机)油门传感14器，其余零部件编号意义同图2。
图6为本实用新型实施方式1杯形转子磁极结构表面展开示意图，图中示出：N-永磁体北极，S-永磁体南极，Fe-铁磁极。
图7为本实用新型实施方式7的方案示意图。图中示出：感应机转子73，其余零部件编号意义同图2。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
如图5所示，输入轴1、输出轴2及机座3之间通过轴承形成相互支承关系。转子71固定在输入轴1上，连同其轴向线圈绕组有气隙地置于杯形转子67的内腔，杯形转子67与输出轴2固接。定子62固定在机座3上，与杯形转子67外表面有气隙地配合。附加调磁线圈4为周向缠绕在定子62铁心环形槽内的直流线圈，通过导线与功率电子控制器5相连。附加调磁线圈4电流的方向决定对永磁的杯形转子67起增磁还是弱磁作用，电流的大小决定这种调磁作用的大小。感应初级线圈81与感应次级线圈82构成了互感式非接触的集流器8，其中感应初级线圈81与转子71上的绕组通过导线相连，感应次级线圈82固定在机座3上。感应初级线圈81与感应次级线圈82的线圈绕组均以输入轴1为铁心，沿周向绕制，其工作原理类似变压器，即使输入轴1旋转时两者之间也不产生类似导线切割磁力线的发电或电动作用。相应地，杯形转子67有类似于混合励磁无刷直流电机的磁极结构，其表面展开如图5所示，由永磁体磁极N、S及铁磁极Fe两部分组成，后者为励磁磁通提供低磁阻磁路。功率电子控制器5由AC-DC变换器51、DC-AC变频逆变器52及直流总线和控制计算机等组成，用来控制所述两个混合励磁电机的转速-转矩工作点；它与定子62自身的绕组、附加调磁线圈4及感应次级线圈82、传感器12、13、14等以导线相连，还设有储能电池+/-接口端子，以满足混合动力电动汽车等应用的需要。传感器12、13分别采集输出轴2、输入轴1的转速信号，传感器14采集原动机(发动机)的油门开度信号，这些信号均馈送给功率电子控制器5。
使用时，当从输入轴1输入原动机动力时，周向缠绕的感应初级线圈81和转子71都随输入轴1转动，可设转速为ω1。转子71上的轴向绕组以与永磁杯形转子67的相对转速Δω切割其周围的磁场产生交变电流，等效构成了一个同步电机，其电流经导线馈送到感应初级线圈81，并感应到感应次级线圈82上，再经导线送至功率电子控制器5。在发电的同时，转子71与永磁的杯形转子67间相互作用的电磁力矩将拖动杯形转子67及输出轴2以转速ω2＝ω1-Δω旋转，以相当于电磁滑差耦合器的方式将原动机11的部分机械功率直接传输给接在输出轴2下游的负载10上。与此同时，功率电子控制器5根据传感器12、13、14采集的信号所反映的原动机及负载运转状况(转速、转矩、油门开度等)，按已存储好的控制策略，把来自转子71的电流经调制后以不同大小和形式(给定频率的三相交流电、单相直流电)，分别馈送给轴向的定子62绕组和周向的附加励磁线圈4。其中三相交流电占功率电子控制器5输出电功率的绝大部分，经由定子62与杯形转子67等效构成的同步电机转化成作用在输出轴2上的另一部分机械功率，以转速ω2传输给负载，三相交流电的频率给定也因此要随ω2的变化实时调整。而施加于调磁线圈4的单相直流电相对只占功率电子控制器5输出电功率的很小部分，它所形成的可调磁通主要经由机座3、定子62的铁心、气隙和杯形转子67的铁磁极构成通路，并与杯形转子67上由永磁体磁极形成的相对稳定的磁通合成为总磁通。改变励磁电流的大小与极性，就可调节杯形转子67周围的磁场强度，从而调节输入轴1、输出轴2的转速ω1、ω2及转速差Δω。若没有调磁线圈4，虽然还可通过对功率电子控制器5输出的三相交流电调频来调速，但这时可直接控制的仅为负载转速ω2，而ω1及Δω随负载工况[T2，ω2]的变化将无法直接控制。车辆等装备出于节能与提高动力性等目的，要求可直接控制转速ω1，以便使发动机在给定油门下能稳定在要求的理想工作点[T1，ω1]，让转速ω2(及车速)适应负载工况而变化。增设调磁式调速并使控制器K配置适当的控制策略(软件)，就使这种控制特性得以实现，还能与调频调速协同来满足ω2及Δω随负载工况变化可以控制的要求。
对于车辆等传动系统的倒档设置，可通过功率电子控制器5改变输出三相交流电的相序，使等效同步电机反转来实现。另外一个方法是在原动机11至负载10之间增加一个简单的手动机械式换向器即可。这种方法传动效率更高，还可以做长时间的倒档运行。
与图2所示原理图和图4所示的原理结构图相比，作为本实用新型基本型的实施例1取得了如下的关键改进：第一，原来显见两大部分的级联式拓扑结构，改进成为单体的、类似一个双转子电机的紧凑结构，便于安装布置和减轻重量。第二，通过采用附加调磁线圈和杯形转子的特殊磁极结构，把原来的永磁电机全部变成了混合励磁电机，提供了同时调节原动机及负载转速或工作点的有效途径，改善了调控特性。第三，提供了一种基于感应变压器原理的非接触式集流器，在提高系统运行可靠性的同时，不产生作为原动机附加载荷的发电阻力，有利于提高效率。
实施例2
将实施例1中的原动机11与输出轴2相连接、负载10与输入轴1相连接，其它结构完全同实施例1。在本实施例中，只是实施例1中的输入轴转换成输出轴，输出轴转换成输入轴，这样取得的效果与实施例1相同。
实施例3
采用常规的接触式电刷滑环集流器替代实施例1中由感应初级线圈81与感应次级线圈82构成的非接触式集流器。这样可以降低造价、重量及系统复杂程度，但系统可靠性有所下降。
实施例4
将实施例1的感应初级线圈81与感应次级线圈82的周向缠绕方式改成轴向缠绕方式，即可按照交流感应电机原理工作，感应初级线圈81为电枢，感应次级线圈82为定子。其它部分结构同实施例1。这种结构在一定条件下更紧凑，但发电阻力会给原动机增加附加载荷。
实施例5
取消实施例1中的附加调磁线圈4，其它部分结构同实施例2。这样定子62的结构、杯形转子67的磁极结构及功率电子控制器5均可简化，从而降低成本，但调速特性会变差。
实施例6
采用类似于无刷励磁同步电机带旋转整流二极管和自励绕组的原理和技术，使杯形转子绕组自发电、自整流、自励磁，将实施例2中的杯形转子67变换成非永磁体转子，其它部分结构同实施例2。这样避免了永磁体可能失磁的故障，且免用价格较贵的永磁体，但系统的复杂程度增高、效率下降。
实施例7
如图7所示，在实施例2基础上将原动机11与负载10对换，输入轴1与杯形体转子67固接，原来的转子71和感应初级线圈81被一个具有鼠笼或绕组的感应机转子73所取代。原来的感应次级线圈82被改造成轴向缠绕的，成为铁心定子绕组。这样，永磁式的杯形体转子67、转子73和线圈82就等效地构成了一个双定子的双馈调速交流感应异步电机，其特殊之处在于主“定子”旋转磁场由杯形体转子67提供。此外杯形体转子67、定子62和附加调磁线圈4又等效地构成了一个混合励磁同步电机。本实施例中已不再有显见的“电磁滑差耦合器”效应，但因成为铁心定子绕组的线圈82的存在，不仅使输出轴2的双馈调速得以实现，还使转子73上的绕组感生电流可被馈送倒定子62上加以利用，从而提高效率。对输入轴1转速的调控，类似于实施例2，主要靠调磁来实现。
实施例8
如图4所示，主要由输入轴1、输出轴2、电机7、集流器8和功率电子控制器5组成。电机7由定子71与转子72配合构成，电机6由定子62与转子62配合构成。电机7的转子71固定在输入轴1上，其定子72与输出轴2连接，电机6的转子61固定在输出轴2上，其定子固定在机座3上。电机6和电机7构成具有显见两大部分的级联式拓扑结构。集流器8为电刷滑环式集流器。功率电子控制器5包括AC-DC变换器51和DC-AC变频逆变器52，AC-DC变换器51通过集流器8与电机7的转子71相接；DC-AC变频逆变器52与电机6的定子62相接。原动机11为内燃机，通过输入轴1为系统提供原动力。负载为汽车(驱动桥)连接输出轴。电能缓存(电池组)子系统通过导线与功率电子控制器5连接。该实施方式的缺点主要是结构不够紧凑，调速特性也略差。
实施例9
将实施例1-6及实施例8中的同步电机6、7的两者或之一改为三相交流、单相交流、直流或开关磁阻电机中的任一种，集流器8也可改为非接触式的。其它结构同实施例8。
本实用新型中，上述实施例方案中的一或两个等效同步电机变换成其他类型的电机，或上述各实施例方案的“倒用”及其组合，均可形成本实用新型的其它实施方案。
Claims (8)
1、电磁耦合无级变速器，包括输入轴(1)、输出轴(2)、机座(3)、功率电子控制器(5)，输入轴(1)与输出轴(2)同轴线地支承于机座(3)，其特征在于：所述系统还包括集流器(8)、转子(71)、定子(62)和永磁式或绕线式或鼠笼式或叠压片铁心式杯形转子(67)；所述集流器(8)和定子(62)分别与功率电子控制器(5)中的AC-DC变换器(51)和DC-AC变频逆变器(52)连接；输入轴(1)或者输出轴(2)通过集流器(8)与转子(71)连接，转子(71)位于杯形转子(67)内腔，与杯形转子(67)配合，杯形转子(67)一端与输出轴(2)或者输入轴(1)连接，定子(62)固定在机座(3)上，与杯形转子(67)配合。
2、根据权利要求1所述的电磁耦合无级变速器，其特征在于：所述电磁耦合系统还包括附加调磁线圈(4)，所述附加调磁线圈(4)为周向缠绕在定子(62)铁心上的环形槽内，通过导线与功率电子控制器(5)相连。
3、根据权利要求2所述的电磁耦合无级变速器，其特征在于：所述集流器(8)为由感应初级线圈(81)与感应次级线圈(82)配合构成的互感式非接触集流器或电刷滑环式集流器；所述非接互感式触集流器感应初级线圈(81)设置在输入轴(1)上，其线圈绕组为周向或轴向，并与共同设置在输入轴(1)上的转子(71)的线圈绕组导线连接，感应次级线圈(82)固定在机座(3)上，其绕组与感应初级线圈(81)相同。
4、根据权利要求3所述的电磁耦合无级变速器，其特征在于：所述杯形转子(67)为包括旋转整流管和自励绕组的自发电或自整流或自励磁的绕线式感应机转子。
5、根据权利要求1至4任意一项所述的电磁耦合无级变速器，其特征在于：所述功率电子控制器(5)还包括传感器(12、13、14)，所述传感器(12、13、14)分别与输出轴(2)、输入轴(1)和原动机(11)配合，并通过导线与功率电子控制器(5)相连。
6、根据权利要求1至4任意一项所述的电磁耦合无级变速器，其特征在于：所述功率电子控制器(5)上设置的电源接口(53、54)，分别与电池组子系统(9)的负极和正极相接。
7、电磁耦合无级变速器，包括输入轴(1)、输出轴(2)、机座(3)、功率电子控制器(5)、输入轴(1)与输出轴(2)同轴线地支承于机座(3)，其特征在于：所述系统还包括集流器(8)、电机(7)和电机(6)，所述电机(7)包括定子(71)和转子(72)，所述电机(6)包括定子(62)和转子(61)，所述转子(71)固定在输入轴(1)上，定子(72)与输出轴(2)连接，所述转子(61)固定在输出轴(2)上，定子(62)固定在机座上；所述集流器(8)和定子(62)分别与功率电子控制器(5)中的AC-DC变换器(51)和DC-AC变频逆变器(52)连接。
8、电磁耦合无级变速器，包括输入轴(1)、输出轴(2)、机座(3)、功率电子控制器(5)，输入轴(1)与输出轴(2)同轴线地支承于机座(3)，其特征在于：所述系统还包括杯形体转子(67)、转子(73)、感应次级线圈(82)；所述输入轴(1)与杯形体转子(67)固接，所述感应次级线圈(82)位于输出轴(2)端，固定在底座(3)上，所述转子(73)与输出轴(2)连接，有气隙地穿过感应次级线圈(82)，延伸到杯形转子(67)开口内，其线圈轴向缠绕，分别与感应次级线圈(82)与杯形转子(67)配合，定子(62)固定在机座上，与杯形转子(67)配合；附加调磁线圈(4)为周向缠绕在定子(62)铁心上的环形槽内，通过导线与功率电子控制器(5)相连。
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