一種永磁無刷自適應(yīng)變速驅(qū)動電的制造方法
【專利摘要】一種永磁無刷自適應(yīng)變速電機，包括定子、轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)子和離心調(diào)磁機構(gòu)，其特征在于電機的轉(zhuǎn)子分成兩個部分以上，一部分為主要轉(zhuǎn)子，占據(jù)定子氣隙的大部分面積，承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換主要功能，與轉(zhuǎn)子軸固定連接，通過轉(zhuǎn)軸輸出機械力矩；剩余部分為調(diào)磁轉(zhuǎn)子，置于軸上主要轉(zhuǎn)子端面一則，可以繞軸轉(zhuǎn)動一定角度；調(diào)磁轉(zhuǎn)子上設(shè)置蹄塊式離心調(diào)磁機構(gòu)、蹄塊與裝在轉(zhuǎn)子軸上的中心輪偶合，可繞中心輪作轉(zhuǎn)動；另有復(fù)位彈簧，固定于調(diào)磁轉(zhuǎn)子和主要轉(zhuǎn)子之間；在離心力和彈簧力的作用下，調(diào)磁轉(zhuǎn)子依據(jù)轉(zhuǎn)速變化發(fā)生相對角位移而改變磁鏈狀態(tài)，使電機自動適應(yīng)阻力矩大小變化，獲得在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩并且額定轉(zhuǎn)速以上恒功率變速的特性；這種特性特別適于驅(qū)動車輛。
【專利說明】一種永磁無刷自適應(yīng)變速驅(qū)動電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種永磁無刷電機，尤其涉及電動車輛驅(qū)動用的永磁無刷電機。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來由于電機及控制技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護的要求，電動車輛迅速發(fā)展，驅(qū)動電機作為其關(guān)鍵部分，具有十分重要的作用。其中永磁無刷電機由于結(jié)構(gòu)緊湊，比功率大，效率高，技術(shù)成熟，因此，在現(xiàn)有的電動車輛中獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003]但是，普通的永磁無刷電機難以調(diào)整電機磁通量，難以具備車輛驅(qū)動所需的等功率調(diào)速特性，其機械特性的高效區(qū)域不能覆蓋實際使用工況的變化范圍，這是很不經(jīng)濟的。上世紀(jì)80年代以來，先后提出了許多技術(shù)方案，主要是弱磁調(diào)速，其中一類方案是通過實時改變磁路結(jié)構(gòu)來達(dá)到減弱子磁鏈的目的。
[0004]其中類似本發(fā)明的有:由本人發(fā)明已獲授權(quán)的專利:CN101789735A —種永磁無刷電機的一體化自適應(yīng)磁通分流擴速方法，這種設(shè)計比較適用于長徑比較小的電機；CN102064656A 轉(zhuǎn)子滑移互補勵磁永磁無刷變速電機，可減少電機長度，但部分磁鐵未能充分得到利用。
[0005]另有雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子。最早見于美國1972年公開的雙轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機專利US3713715，該專利用電磁鐵驅(qū)動螺旋銷子機構(gòu)改變副轉(zhuǎn)子磁場相位；日立制作所專利ZL02102457.X運輸系統(tǒng)和電動發(fā)電機，同樣使用了電磁鐵和螺桿結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)或移動轉(zhuǎn)子；2008年5月公開的美國迪爾公司專利CNlOl 188374A雙轉(zhuǎn)子電磁機使用伺服電機和行星齒輪機構(gòu)來移動轉(zhuǎn)子；而最近見于2010年5月公開的專利US7642683B2自調(diào)永磁裝置，使用電磁螺線管作為移動轉(zhuǎn)子的動力。
[0006]這幾個國外專利都使用了 2個或兩個以上的永磁轉(zhuǎn)子，使用電磁鐵或電機改變其中某個轉(zhuǎn)子的位置來改變氣隙磁場，雖然能夠達(dá)到調(diào)節(jié)磁鏈的目的，但機構(gòu)相對復(fù)雜，零件數(shù)量較多，并且需額外消耗電能，制造和使用成本都相對較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提供一種新的設(shè)計，一套離心機構(gòu)自成系統(tǒng)，兼具檢測轉(zhuǎn)速和自動按設(shè)定函數(shù)實時調(diào)控磁場的功能，不需要額外消耗電能；不增加電機軸向長度，它具有相對簡單的結(jié)構(gòu)；能用于細(xì)而長的電機；磁鐵的利用率較高。
[0008]本發(fā)明是由如下構(gòu)造來實現(xiàn)的，一種永磁無刷自適應(yīng)變速驅(qū)動電機，包括外殼、定子及繞組、轉(zhuǎn)子軸、主要轉(zhuǎn)子、調(diào)磁轉(zhuǎn)子和離心調(diào)磁機構(gòu)。其特征在于電機的轉(zhuǎn)子分由兩部分構(gòu)成，一部分為主要轉(zhuǎn)子，占據(jù)定子氣隙的大部分面積，承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換主要功能，與轉(zhuǎn)軸固定連接，通過轉(zhuǎn)軸輸出機械力矩；另一部分為調(diào)磁轉(zhuǎn)子，置于軸上主要轉(zhuǎn)子一端，可以繞軸轉(zhuǎn)動一定角度；調(diào)磁轉(zhuǎn)子上還設(shè)置有銷軸，銷軸上有離心蹄塊、離心蹄塊與裝在轉(zhuǎn)子軸上的中心輪偶合，可繞中心輪作轉(zhuǎn)動；限位結(jié)構(gòu)限制離心蹄塊轉(zhuǎn)動的角度，它由離心蹄塊上的限位孔和調(diào)磁轉(zhuǎn)子上的銷釘組成；另有復(fù)位彈簧，一端固定于調(diào)磁轉(zhuǎn)子，一端固定于主要轉(zhuǎn)子，使得在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)保持初始狀態(tài)和在額定轉(zhuǎn)速外的某個速度與離心蹄塊9離心力平衡以控制轉(zhuǎn)子的角位移量。
[0009]本發(fā)明的工作原理如下:設(shè)主要轉(zhuǎn)子的磁通為A，為常相量，調(diào)磁轉(zhuǎn)子磁通為B(η), B的相位可以改變，變化規(guī)律被設(shè)計成轉(zhuǎn)速η的分段連續(xù)函數(shù)，B的最大值的絕對值小于Α，定子繞組所鉸鏈的磁通C=A+B，為A、B相量之和。電機起動后，轉(zhuǎn)速逐漸增加，離心蹄快隨之轉(zhuǎn)動,并產(chǎn)生離心力F=rmco，力值為轉(zhuǎn)速ω之平方乘以蹄快質(zhì)量m乘以質(zhì)心半徑r之積:；在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，主要轉(zhuǎn)子和調(diào)磁轉(zhuǎn)子在彈簧力K的用下保持相同相位，磁通C最大，電機輸出最大扭矩；但是轉(zhuǎn)速一旦達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并繼續(xù)增加，離心力F超過彈簧力K，離心蹄塊開始繞銷軸轉(zhuǎn)動，并帶動調(diào)磁轉(zhuǎn)子繞中心輪轉(zhuǎn)動，使調(diào)磁轉(zhuǎn)子相對于主要轉(zhuǎn)子移開一個角度△ Θ，使A和B之間出現(xiàn)相位差Λ φ，A+B疊加結(jié)果，磁通量C趨于減小，因扭矩同磁通成正比，所以扭矩減小，但轉(zhuǎn)速同磁通成反比，轉(zhuǎn)速增加……，這是個正反饋過程，直到電機扭矩與負(fù)載扭矩平衡為止轉(zhuǎn)速不再增加。否則離心蹄塊將移動到限位點；在限位點，A和B之間出現(xiàn)最大相位差Δ (Jmax, Δ (Jmax≤180°電角度，電機將終止于設(shè)計的極限轉(zhuǎn)速。由于C > O,不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失控。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:首先，本發(fā)明用巧妙的方法實現(xiàn)了低速大扭矩和等功率增速調(diào)節(jié)效果。因為功率等于轉(zhuǎn)速和扭矩的乘積，額定轉(zhuǎn)速以后，扭矩減小，轉(zhuǎn)速增加，輸出功率并不改變；由于這是以輸入功率不變?yōu)榍疤岬?，所以其比值即效率不變，在額定轉(zhuǎn)速以上很寬變速范圍都容易得到近似于額定點的最高效率。
[0011]第二，由于本發(fā)明自成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不增加額外電控系統(tǒng)開銷，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化按設(shè)定函數(shù)自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)定可靠。
[0012]第三，由于本發(fā)明新增零件很少，繞組端部空間即可容納變速機構(gòu)，基本不增加電機體積，又不額外消耗電能， 節(jié)約使用成本，特別適合于既需要等功率調(diào)速特性，又使用電池作為能源的車輛或電動工具等 。
[0013]第四，本發(fā)明新增的調(diào)速機構(gòu)零件，離心蹄快和中心轉(zhuǎn)盤及彈簧簡單易得，制成工藝簡單，適于批量生產(chǎn)，成本低廉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是實施例1的結(jié)構(gòu)剖視圖
圖2是調(diào)速轉(zhuǎn)子的端面視圖及額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)運轉(zhuǎn)時調(diào)速機構(gòu)無角位移的狀態(tài) 圖3是額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)運轉(zhuǎn)時主要轉(zhuǎn)子和調(diào)磁轉(zhuǎn)子磁極相位對齊的的狀態(tài) 圖4是額定轉(zhuǎn)速以后調(diào)磁轉(zhuǎn)子移動一個角度△ Θ的狀態(tài) 圖5是額定轉(zhuǎn)速以后主要轉(zhuǎn)子和調(diào)磁轉(zhuǎn)子磁極相位錯開的狀態(tài) 圖6是蹄快移動的極限位置，調(diào)磁轉(zhuǎn)子移動了一個極距τ，被限位銷釘限位的狀態(tài) 圖7是蹄快移動的極限位置后，磁極相位錯開180°相位的情形 圖8是實施例2的結(jié)構(gòu)剖視圖 圖9是實施例2調(diào)速轉(zhuǎn)子端面視圖及低速時的狀態(tài) 圖10是實施例2調(diào)速轉(zhuǎn)子高速時的狀態(tài) 圖11是對稱設(shè)置兩個調(diào)速轉(zhuǎn)子的設(shè)計。[0015]【具體實施方式】
實施例1參見圖1和圖2，本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)如下:鐵心I及繞組2組成同普通無刷電機一樣的定子部分、定子中心有轉(zhuǎn)子軸3，轉(zhuǎn)子軸3上連接有主要轉(zhuǎn)子4，其上周向設(shè)置永久磁鐵5，使極性按N、S成周期性分布，主要轉(zhuǎn)子4需占據(jù)定子氣隙的大部分面積，承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換主要功能，與轉(zhuǎn)子軸3固定連接，通過轉(zhuǎn)子軸3輸出機械力矩；在轉(zhuǎn)子軸3上、主要轉(zhuǎn)子的一端是調(diào)磁轉(zhuǎn)子7，調(diào)磁轉(zhuǎn)子7上周向設(shè)置永久磁鐵6，極性按N、S成周期性分布，它們的磁通對應(yīng)定子氣隙的剩余部分，調(diào)磁轉(zhuǎn)子7可以繞軸轉(zhuǎn)動一定角度，改變磁通相位，起磁通調(diào)節(jié)作用；調(diào)磁轉(zhuǎn)子7的端面連接離心調(diào)磁機構(gòu)，包括對稱設(shè)置的蹄塊軸8和離心蹄快9、離心蹄快9上有限位孔11和弧形分布的齒、這些齒同中心齒輪10相互嚙合，中心齒輪10固定在轉(zhuǎn)子軸上、限位銷釘12置于限位孔11中并且固定在調(diào)速轉(zhuǎn)子7的端面，因此調(diào)磁轉(zhuǎn)子7可以沿中心齒輪10在一定的范圍轉(zhuǎn)動，調(diào)速轉(zhuǎn)子7的另一面設(shè)置彈簧13，其彈力一端作用于調(diào)磁轉(zhuǎn)子7，一端作用于主要轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸，調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力值可以使轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)保持調(diào)磁轉(zhuǎn)子與主要轉(zhuǎn)子極性相位相同。
[0016]下面敘述其工作原理，其中相量的疊加遵循相量運算法則。
[0017]設(shè)主要轉(zhuǎn)子的磁通為A，為常相量；
調(diào)磁轉(zhuǎn)子磁通為B，B的相位Φ可以改變，變化量設(shè)為△ Φ，其變化規(guī)律被設(shè)計成轉(zhuǎn)速η的分段連續(xù)函數(shù):
η≤額定轉(zhuǎn)速，Δ φ=0 ；η≥額定轉(zhuǎn)速，Λ φ ?C η，λ φ≤180°。
[0018]用C代表定子繞組所鉸鏈的全部轉(zhuǎn)子磁通，按相量合成法則 C=A+B
并且，B的最大值的絕對值小于A，以使C不會為零。
[0019]磁通相位角位移同調(diào)磁轉(zhuǎn)子機械角位移Λ Θ的關(guān)系為 Δ φ =2ρ Δ θΔ θ < τ
2ρ是磁極對數(shù)，τ是極距,對應(yīng)相位180°。
[0020]調(diào)磁轉(zhuǎn)子位移是通過離心蹄快9的離心力F來實現(xiàn)的，
F=rm ω2
其中ω為角速，ω=η /30, m為蹄快質(zhì)量，r為質(zhì)心半徑；
另外，彈簧13的張力K為轉(zhuǎn)角Λ φ的函數(shù)，
K=k.Δ φ
恰當(dāng)選取參數(shù)r，m, k可同電機的額定轉(zhuǎn)速相匹配。
[0021]電機起動后，轉(zhuǎn)速逐漸增加，離心力隨之產(chǎn)生。但電機運轉(zhuǎn)在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，F(xiàn)S K，離心蹄快在彈簧力K的作用下向內(nèi)壓在限位銷釘上，保持不動，Λθ=0，Δ φ=0,ΒΡ調(diào)磁轉(zhuǎn)子7和主要轉(zhuǎn)子4相同相位,參見圖3,磁通C最大，電機輸出最大扭矩；電機加速運轉(zhuǎn)。
[0022]轉(zhuǎn)速一旦達(dá)到并超過額定轉(zhuǎn)速,離心力F ≥K,蹄塊開始繞支點軸轉(zhuǎn)動，并帶動調(diào)磁轉(zhuǎn)子繞中心齒盤轉(zhuǎn)動，使調(diào)磁轉(zhuǎn)子7相對于主要轉(zhuǎn)子4移開一個角度Λ Θ，參見圖4，Α和B之間出現(xiàn)相位差Λ φ，參見圖5，Α+Β疊加結(jié)果，磁通量C趨于減小，因轉(zhuǎn)速同磁通成反比，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加……，這是正反饋過程，直到電機扭矩與負(fù)載扭矩平衡為止，轉(zhuǎn)速不再增加，否則蹄塊將移動到限位點，Δθ = τ，Δ φ=180° ,調(diào)磁轉(zhuǎn)子磁場方位完全反向，C=A-B,參見圖6和圖7，電機終止于設(shè)計的極限轉(zhuǎn)速。
[0023]由于C > 0，不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失控。[0024]如果負(fù)載力矩增大，迫使轉(zhuǎn)速降低，離心力減小，離心蹄塊7在彈簧13的作用下向內(nèi)收攏，AB合成磁通C增加，電機扭矩增加，直到同阻力矩平衡，轉(zhuǎn)速不再下降；相反阻力力矩減小時，則轉(zhuǎn)速上升，輸出扭矩下降，直到同阻力力矩達(dá)成新的平衡，以上過程都是自動進(jìn)行的，稱為自適應(yīng)特性。
[0025]由于額定轉(zhuǎn)速以后，扭矩減小時轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)速降低時扭矩增加，磁通變化并不改變輸出功率，又以輸入功率不變?yōu)榍疤?，所以效率保持不變，即在額定轉(zhuǎn)速以上較寬范圍都容易得到近似于額定點的設(shè)計最高效率。
[0026]本發(fā)明用巧妙的方法實現(xiàn)了低速大扭矩和等功率增速調(diào)節(jié)效果。
[0027]實施例2結(jié)構(gòu)參見圖8，本例采用銷子滑槽機構(gòu)代替例I的齒輪機構(gòu)，運動規(guī)律等同于機械設(shè)計中的導(dǎo)桿機構(gòu)。下面對該機構(gòu)進(jìn)行說明，其余電機部分同實施例1。離心蹄塊9通過蹄塊軸8連接到調(diào)磁轉(zhuǎn)子7，離心蹄快9上有限位孔11和長形孔14、轉(zhuǎn)盤10上的銷子15嵌入長形孔中成為銷子滑槽機構(gòu)，轉(zhuǎn)盤10固定在轉(zhuǎn)子軸上，限位銷釘12置于限位孔11中并且固定在調(diào)速轉(zhuǎn)子7的端面，因此調(diào)磁轉(zhuǎn)子7可以沿轉(zhuǎn)盤10在一定的范圍轉(zhuǎn)動，調(diào)速轉(zhuǎn)子7的另一面設(shè)置彈簧13，其彈力一端作用于調(diào)磁轉(zhuǎn)子7，一端作用于主要轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸，調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力值可以使轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)保持調(diào)磁轉(zhuǎn)子與主要轉(zhuǎn)子極性相位相同。
[0028]工作原理同實施例1基本相同:電機起動后，轉(zhuǎn)速逐漸增加，離心力隨之產(chǎn)生。但電機運轉(zhuǎn)在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，F(xiàn) < K，離心蹄快在彈簧力K的作用下向內(nèi)壓在限位銷釘上，保持不動，Δ Θ =0，Δ φ=0,即調(diào)磁轉(zhuǎn)子7和主要轉(zhuǎn)子4相同相位,參見圖9,磁通C最大，電機輸出最大扭矩；電機加速運轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)速一旦達(dá)到并超過額定轉(zhuǎn)速，離心力FS K，蹄塊開始繞蹄塊軸8轉(zhuǎn)動，并帶動調(diào)磁轉(zhuǎn)子7繞轉(zhuǎn)盤10轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)盤上的銷子15在長形孔14中做滑移運動，使調(diào)磁轉(zhuǎn)子7相對于主要轉(zhuǎn)子4移開一個角度Λ Θ，A和B之間出現(xiàn)相位差Λ φ，磁通量C趨于減小，因轉(zhuǎn)速同磁通成反比，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加……，這是正反饋過程，直到電機扭矩與負(fù)載扭矩平衡為止，轉(zhuǎn)速不再增加，如果負(fù)載扭矩很小，蹄塊將移動到限位點，電機終止于設(shè)計的極限轉(zhuǎn)速。由于C >0，不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失控。
[0029]實施例3結(jié)構(gòu)參見圖11，其特征在于還可以用2個調(diào)磁轉(zhuǎn)子，對稱相向設(shè)置于主要轉(zhuǎn)子兩端，共同占據(jù)氣隙的剩余部分，它們構(gòu)造相同，但轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)方向?qū)ΨQ相反，這種對稱設(shè)計使成本有所增加，但調(diào)節(jié)過程只改變磁通大小，不改變磁通相位，磁通波形較好，控制
較簡單。
【權(quán)利要求】
1.一種永磁無刷自適應(yīng)變速驅(qū)動電機，包括外殼、定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸，其特征在于電機的轉(zhuǎn)子在軸向分成2個或3個部分，但組合后總長度同定子鐵心長度相當(dāng):其中一個為主要轉(zhuǎn)子4的磁通占據(jù)與定子間氣隙的大部分面積，承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換主要功能，與轉(zhuǎn)軸3固定連接，通過轉(zhuǎn)軸3輸出機械力矩；其余部分為調(diào)磁轉(zhuǎn)子7，調(diào)磁轉(zhuǎn)子7的磁通對應(yīng)與定子間氣隙的剩余部分，并且調(diào)磁轉(zhuǎn)子7可以繞軸轉(zhuǎn)動一定角度，從而改變磁通相位，起磁通調(diào)節(jié)作用；調(diào)磁轉(zhuǎn)子7的一個端面連接離心調(diào)磁機構(gòu)，包括關(guān)于軸對稱設(shè)置的蹄塊軸8和離心蹄快9 ；蹄塊9與中心輪10相偶合構(gòu)成運動副；調(diào)速轉(zhuǎn)子7的另一面設(shè)置彈簧13，其彈力一端作用于調(diào)磁轉(zhuǎn)子7，一端作用于主要轉(zhuǎn)子4，設(shè)計彈簧13的特性可以使調(diào)磁轉(zhuǎn)子7在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)保持初始位置和在額定轉(zhuǎn)速外的某個速度與離心蹄塊9離心力平衡以確定轉(zhuǎn)子的角位移量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有等功率變速特性的永磁無刷電機及轉(zhuǎn)子，其特征在于所訴的蹄塊9與中心輪10相偶合構(gòu)成運動副之一是齒輪傳動副，離心蹄塊9上的齒與中心輪10上的齒相互嚙合傳動。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有等功率變速特性的永磁無刷電機及轉(zhuǎn)子，其特征在于所訴的蹄塊9與中心輪10相偶合構(gòu)成運動副之二是銷子滑槽傳動副，離心蹄塊9和轉(zhuǎn)盤10上分別設(shè)置長形孔14和銷子15，兩者相嵌并可相互滑動。
4.如權(quán)利要求1所述的一種具有等功率變速特性的永磁無刷電機及轉(zhuǎn)子，其特征在于所訴的離心蹄塊9上有限位孔11，調(diào)速轉(zhuǎn)子7的端面有限位銷釘12，銷釘12置于限位孔11中，因此調(diào)磁轉(zhuǎn)子7只可以沿中心齒輪10在一定的范圍轉(zhuǎn)動。
5.如權(quán)利要求1所述的一種具有等功率變速特性的永磁無刷電機及轉(zhuǎn)子，其特征在于所訴的調(diào)磁轉(zhuǎn)子7還可以由2個構(gòu)成，對稱相向設(shè)置于主要轉(zhuǎn)子兩端，共同占據(jù)氣隙的剩余部分，其余構(gòu)造相同，這種對稱設(shè)計成本有所增加，但改變磁通大小時不改變磁通相位，波形較好。
【文檔編號】H02K1/27GK103580411SQ201210284011
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月10日
【發(fā)明者】楊荷 申請人:楊荷