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* Bδ,
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=λZ* Ie,
轉(zhuǎn)速(忽略電感) ωe=Ue/λZ (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,λZ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,λZ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)。