在本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)，具體涉及一種能隨轉(zhuǎn)矩變化自適應(yīng)變速的永磁無刷電機(jī)。

背景技術(shù)：

近年來，與電子技術(shù)緊密結(jié)合的永磁無刷電機(jī)（EC電機(jī)）以其高效節(jié)能等突出優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用，各種規(guī)格、各種用途、各種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的專利設(shè)計(jì)不斷推出、電機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展。特別是針對調(diào)節(jié)永磁電機(jī)氣隙磁場以實(shí)現(xiàn)等功率變速的技術(shù)研發(fā)成為熱點(diǎn)之一。其中從電控入手的有矢量變頻和直接轉(zhuǎn)矩控制，而從電機(jī)著手的有磁電混合勵(lì)磁、雙轉(zhuǎn)子組合勵(lì)磁、調(diào)節(jié)磁路和漏磁等方案。這些已知技術(shù)方案各有特點(diǎn)，電控方式可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的柔性的程序控制，但它只能從外部控制電機(jī)輸入端的電參數(shù)如頻率相位波形等，主要采用直軸電流分量Id弱磁，功率因素不高，需要功率容量大的控制器，用于永磁同步電機(jī)（PMSM）中，成本很高；電控方式也不適于直軸電感Ld較小的永磁無刷電機(jī)（BLDC）；磁電復(fù)合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜；雙轉(zhuǎn)子組合勵(lì)磁以日立專利較為典型，但其早期的離心式弱磁的方案效率損失過多，后來公開的用彈簧螺桿機(jī)構(gòu)弱磁方案需增加其它控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也需要2個(gè)轉(zhuǎn)子，而且電機(jī)只有一個(gè)旋向能調(diào)速。本人之前在CN104979991公開的扭矩自適應(yīng)變速永磁無刷電機(jī)用螺旋花鍵副實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)增磁調(diào)速，只需使用一個(gè)轉(zhuǎn)子，比日立方案省略了離心機(jī)構(gòu)或附加電磁電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)；但單螺旋機(jī)構(gòu)限制了電機(jī)旋向，只有一個(gè)旋向具有調(diào)速功能，在兩輪電動(dòng)車、自動(dòng)變速鉆床等單向驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中沒有問題。但是有的應(yīng)用需要電機(jī)既能正傳又能反轉(zhuǎn)，比如電動(dòng)扳手，再比如需要隨時(shí)倒車的車輛就就不便使用這種電機(jī)。為了發(fā)揮這種變速電機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn)，必須解決電機(jī)正反2象限變速運(yùn)行的問題。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)終于得到本法明的技術(shù)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)變速的雙向雙螺旋永磁無刷電機(jī)，參見附圖1，包括定子、轉(zhuǎn)子、外殼、端蓋等基本構(gòu)件，定子上有繞組，轉(zhuǎn)子上有磁鐵。其特征在于該電機(jī)的轉(zhuǎn)子同電機(jī)軸之間設(shè)置了一套位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這套位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是通過移動(dòng)轉(zhuǎn)子位置來改變氣隙面積從而調(diào)節(jié)磁通量實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括：中段制有外螺旋花鍵的電機(jī)軸、內(nèi)外分別制有正反不同旋向的螺旋花鍵的花鍵環(huán)、內(nèi)部制有螺旋花鍵的花鍵套、測定和調(diào)節(jié)扭矩的彈簧。

所述花鍵環(huán)之內(nèi)花鍵參數(shù)與電機(jī)軸的外花鍵參數(shù)匹配，所述花鍵環(huán)之外花鍵參數(shù)與花鍵套的內(nèi)花鍵參數(shù)匹配；所述花鍵環(huán)內(nèi)、外花鍵旋向相反：比如內(nèi)花鍵為右旋，則外花鍵左旋?；ㄦI螺旋角β及余角π/2-β充分大于材料的最大摩擦角。

所述花鍵套嵌于轉(zhuǎn)子支架中，同永磁轉(zhuǎn)子固連，花鍵套兩端通過襯環(huán)與軸配合可以在軸上相對滑動(dòng)。

所述彈簧為螺旋壓縮彈簧及組合，其中一端作用力于轉(zhuǎn)子支架，另一端作用力通過彈簧座b、平面推力軸承、作用于電機(jī)軸臺階上，彈簧使轉(zhuǎn)子受到向左的力，具有向左移動(dòng)離開定子的趨勢，彈簧受力伸縮反應(yīng)了負(fù)載力矩變化并確定轉(zhuǎn)子在定子中的相對位置。

所述彈簧還可以為碟形彈簧組合，通過組合得到適合的非線性的特性，疊合后的彈簧一端作用于轉(zhuǎn)子支架，另一端通過彈簧座b、平面推力軸承、作用于電機(jī)軸臺階上，彈簧使轉(zhuǎn)子受到向左的力，具有向左移動(dòng)離開定子的趨勢，彈簧受力伸縮反應(yīng)了負(fù)載力矩變化并確定轉(zhuǎn)子在定子中的相對位置。

為了避免掉電及扭矩突變時(shí)轉(zhuǎn)子過快移動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊，方案設(shè)計(jì)配置了緩沖系統(tǒng)，緩沖系統(tǒng)包括緩沖缸和活塞，活塞通過螺釘與轉(zhuǎn)子支架相連，隨轉(zhuǎn)子一起運(yùn)動(dòng)，利用空氣的阻尼，活塞在緩沖缸中不能快速移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)緩沖作用。

緩沖缸材料具有導(dǎo)磁導(dǎo)電特性，它的磁阻同定子鐵芯相當(dāng)，這使得轉(zhuǎn)子在定子和緩沖缸之間來回移動(dòng)時(shí)阻力很小。電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)緩沖缸與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，所以緩沖缸和其中轉(zhuǎn)子構(gòu)成的磁路中磁通不變化，不產(chǎn)生鐵損；只有轉(zhuǎn)子與緩沖缸相對有快速運(yùn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，而這樣正好有利于耗減彈簧儲能，從而緩沖彈簧彈射轉(zhuǎn)子之力。

檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和磁場相位的傳感器包括霍爾電路板和磁環(huán)，磁環(huán)同轉(zhuǎn)子磁相位相同，霍爾電路板固定于端蓋上，霍爾IC感應(yīng)磁環(huán)相位輸出編碼信號。磁環(huán)同彈簧座相連，止推軸承置于軸肩處并支撐彈簧座，止推軸承解耦彈簧座與軸肩的摩擦力，使磁環(huán)能夠靈活的跟隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子相位信號。

本發(fā)明克服了國外現(xiàn)有技術(shù)零部件多、可靠性差、控制復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，也突破了自己之前單螺旋無刷電機(jī)專利的局限，針對永磁無刷電機(jī)設(shè)計(jì)了特定的雙螺旋機(jī)構(gòu)，使永磁無刷電機(jī)可以雙向等功率調(diào)速運(yùn)行；使用力矩自適應(yīng)變速，效果等同于電機(jī)控制領(lǐng)域的直接轉(zhuǎn)矩控制概念，極簡的機(jī)構(gòu)，制造容易，成本低廉，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例基本構(gòu)成，是加電前的初始靜止?fàn)顟B(tài)，也是運(yùn)行的高速弱磁狀態(tài)。圖中標(biāo)號說明如下：1.電機(jī)殼，2.定子，2a.繞組，3.轉(zhuǎn)子，3a.磁鐵，4.花鍵套，5.花鍵環(huán)，6.轉(zhuǎn)子支架，7.彈簧座a，8.前電機(jī)蓋，9.前襯環(huán)，10.彈簧，11.彈簧座b，12.平面推力軸承，13.前軸承，14.磁環(huán)，15.霍爾電路板，16.擋圈，17.后襯環(huán)，18.緩沖缸，18a.活塞，19.后電機(jī)蓋，20.后軸承，21.密封圈，22.電機(jī)軸，23擋圈，24.螺釘，25.電線束。

圖2 雙螺旋機(jī)構(gòu)3D視圖，外花鍵套剖開一部分以便展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 增磁狀態(tài)3D圖，電機(jī)正傳，花鍵環(huán)位于左端，隱去次要零件。

圖4 增磁狀態(tài)3D圖，電機(jī)反轉(zhuǎn)，花鍵環(huán)位于右端，隱去次要零件。

圖5 弱磁狀態(tài)3D圖，無論電機(jī)旋向，花鍵環(huán)位于左端，隱去次要零件。

實(shí)施案例

圖1是本發(fā)明實(shí)施案例之一，用以說明變速的原理和過程機(jī)制，其它3D圖是具體設(shè)計(jì)實(shí)例。業(yè)內(nèi)技術(shù)人士依照本例結(jié)合已有基本專業(yè)知識不難理解，據(jù)此制作出優(yōu)良的具有轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)變速效果的永磁無刷電機(jī)。

以變速2倍為例說明弱磁變速。合理簡化后，有關(guān)參數(shù)定義如下：

電機(jī)額定額定電壓Ue，額定電流Ie，轉(zhuǎn)子直徑 D₂, 轉(zhuǎn)子長度=L, 平均磁密 Bδ, 定子繞組匝數(shù)N, 轉(zhuǎn)子移動(dòng)量z，本例調(diào)速比設(shè)計(jì)為2倍，依據(jù)電機(jī)理論可得

氣隙總磁通 Φ=D₂*L* B_δ,

最大磁鏈 λmax= N*Φ，

變動(dòng)磁鏈 λz =N*Φ*（L-z）; 0≤z≤0.5L,

電磁扭矩 Te=λ_Z* Ie,

轉(zhuǎn)速（忽略電感） ωe=Ue/λ_Z （rad）, n=9.55/ω（rpm）

電機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁鏈成反比，

當(dāng)z=0時(shí)，磁鏈最大，λz=λmax，額定轉(zhuǎn)速為ωe，扭矩=Te ；

以弱磁50%為例，當(dāng)z=0.5L時(shí)，λz=0.5λmax，轉(zhuǎn)速為2ωe，扭矩=0.5Te；

輸出功率W=ωe*Te=2ωe*0.5Te，輸出功率恒定不變。

設(shè)計(jì)花鍵參數(shù)。定義螺旋花鍵角為β，節(jié)圓半徑為r，則轉(zhuǎn)子軸向分力

Fz=Te/r*sinβ。

設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)。

當(dāng)z=0.5L時(shí)，彈簧位于工作點(diǎn)S1，壓縮到該點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使彈簧反力F1=0.5Te/r*sinβ

當(dāng)z=0時(shí)，彈簧位于工作點(diǎn)S2，壓縮到該點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使彈簧反力F2=Te/r*sinβ，則彈簧剛度k=（F2-F1）/z。

這樣，彈簧特性剛好能夠測量扭矩變動(dòng)范圍，并改變自身長度。

下面具體說明轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)變速過程。

電機(jī)通電前，轉(zhuǎn)子處于弱磁位置，z=0.5L，此時(shí)給電機(jī)通電，即刻產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩為弱磁狀態(tài)的堵轉(zhuǎn)扭矩0.5Tmax，大于0.5Te額定轉(zhuǎn)矩，由于螺旋花鍵的作用，轉(zhuǎn)子自動(dòng)地做螺旋運(yùn)動(dòng)，其軸向分力Tmax/r*sinβ＞F1，彈簧被壓縮，轉(zhuǎn)子向定子移動(dòng)，z變小，λZ變大，電磁力矩Te變大，彈簧繼續(xù)被壓縮，電磁力矩Te繼續(xù)變大，直到下列條件之一出現(xiàn)時(shí)完成起動(dòng)過程。

第一，z=0，轉(zhuǎn)子完全進(jìn)入定子達(dá)到最大磁鏈λmax，電機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速以下，這時(shí)電機(jī)特性等同于普通無刷電機(jī)；

第二，因載荷較輕，起步過程中，電磁力矩很快大過負(fù)載阻力矩，負(fù)載被加速旋轉(zhuǎn)，很快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，緊接著進(jìn)入恒功率變速區(qū)間。

在恒功率變速區(qū)間。最高轉(zhuǎn)速由給定電壓控制，人為給定最大輸入電壓，則可能達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。而實(shí)際穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速受負(fù)載阻力矩限制。

運(yùn)行中，負(fù)載阻力矩減小時(shí)，彈簧會伸長，產(chǎn)生弱磁，λ_Z減少，電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)速增高又伴隨負(fù)載阻力矩相應(yīng)增加，電磁轉(zhuǎn)矩和阻力矩二者必趨于相等，使速度不再增加。

運(yùn)行中，如果負(fù)載阻力矩增大，彈簧會縮短，z減少，λ_Z增加，電磁力矩相應(yīng)增大，直到電磁力矩等于負(fù)載阻力矩，速度不再降低。如果給定電壓等于額定電壓，則恒功率范圍為額定轉(zhuǎn)速的2倍范圍。

下面說明雙螺旋傳動(dòng)副的作用機(jī)制。

對于附圖1所示電機(jī)，參見附圖2所示雙螺旋結(jié)構(gòu)，設(shè)定觀察方向?yàn)閺淖蠖丝?，順時(shí)針為右旋，逆時(shí)針為左旋，電機(jī)軸與花鍵環(huán)為右旋配合，花鍵套與花鍵環(huán)為左旋配合。

當(dāng)電機(jī)左旋時(shí)，花鍵套左旋，花鍵環(huán)受到向左的軸向分力，但被擋圈16擋住不能左移，花鍵套及轉(zhuǎn)子被迫右移并壓縮彈簧，見圖3。這時(shí)起作用的是與花鍵套相關(guān)的左螺旋副。

花鍵套及轉(zhuǎn)子位于右端時(shí)，如果降低電壓或車輛剎車斷電，電磁力將減小或消失，彈簧反力大于電磁力，向左推動(dòng)花鍵套，花鍵套沿花鍵環(huán)外花鍵右旋向左運(yùn)動(dòng)，花鍵環(huán)保持左端不動(dòng)。

當(dāng)需要電機(jī)右旋時(shí)，花鍵套右旋，花鍵環(huán)受到右向軸力及和右旋力矩向右頂著襯環(huán)（9）作螺旋運(yùn)動(dòng)，花鍵套及轉(zhuǎn)子被迫右移并壓縮彈簧，花鍵環(huán)最終移動(dòng)到右端，見圖4。這時(shí)起作用的是與軸相關(guān)的右螺旋副。

同樣，如果這時(shí)降低電壓或車輛剎車斷電，電磁力將減小或消失，彈簧反力大于電磁力，向左推動(dòng)花鍵套，花鍵套帶著花鍵環(huán)沿花鍵軸左旋向左運(yùn)動(dòng)。