一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机制造技术

一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴9、转子2、定子3、端盖7、和轮毂8等。其特征在于定子与中心轴之间插入了一个变速机构，它包括一个螺旋传动副和弹簧测控系统，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，气隙有效磁通面积发生变化，把磁通量由原来的常量变成为扭矩的函数，转速随扭矩自动变化，在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。本发明专利技术用机/电/液结合的方法低成本的实现了高端的直接转矩控制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应无级变速永磁无刷轮毂电机
本专利技术涉及永磁无刷电机，尤其是车辆用的直接驱动式的低转速的轮毂电机。
技术介绍
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，特别是采用钕铁硼永磁材料的无刷电机被普遍使用。然而，实际上永磁无刷电机由于其磁通量不能调节，因此不具有车辆所需要的等功率变速驱动的机械特性。为了改善永磁无刷电机的驱动特性，有的技术方案是为车辆增加机械变速系统，这方面的专利不计其数。但它们必然会增加驱动系统的复杂性和制造成本。有的则通过对无刷电机的控制系统的程序方法来实现弱磁调速，但弱磁范围有限，牺牲电机的功率因数。另外还有实时改变电机参数或结构来调速的方案，比如改变绕组连接，改变磁路等技术方案。改变磁路的方案本人已设计过磁通分流、互补励磁、移相调磁等多个专利技术专利。例如CN103580411A，中国专利，一种永磁无刷自适应变速驱动电机，本人于2012年提出，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。由于这些专利都是通过离心机构依据转速变化来自动调节磁场状态的，对于高速电机容易实现，但对于转速较低的电机因不易获得足够的离心力，从而限制的该技术的使用。为弥补上述技术不足，继而设计了利用电机特性的另一参数电磁力矩作为反馈信号实现电机的闭环调磁，得到等功率变速的机械特性。
技术实现思路
本专利技术提出的技术方案如下：一种自适应无级变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴、转子、定子、端盖、和轮毂。其特征在于它的定子3与固定不动用作支撑的中心轴9之间是一个变速机构，它包括一个螺旋传动副1，阻尼缸4和一个弹簧测控系统。所述螺旋传动副包括连接在轴上的螺旋外花键1a和螺旋内花键1b，螺旋内花键同定子3固定连接,可以将定子电流在转子磁场中产生的电磁力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3同转子2的轴向位置发生变化，有效磁通面积发生变化，把磁通量由原来的常量变成为实时变量。所述弹簧测控系统包括弹簧5，弹簧座5.1，导向器5.2，弹簧座5.1同中心轴9固定连接，弹簧5一端在弹簧座上，另一端同定子3抵接，并给定初始压缩量，使得负载力矩小于设定值时，定子和转子保持初始位置，这时定子与转子错开位置最大。所述弹簧5由一个或一组构成，预先设计好弹簧的方向和特性，使得负载阻力越大时，弹簧压缩量越大，定子移动回到转子磁极下的长度愈多，从而增加输出扭矩；反之，负载阻力减小时，轴向分力同比减小，弹簧反力使定子向初始位置回位，由于定子的初始位置是磁通量较少的状态，根据电机原理，这时输出转速将增加。所述阻尼缸4由活塞4.1和缸体4.2组成，活塞在中心轴9上固定不动，将阻尼缸内腔分为左右2个部分，内部充满阻尼油脂。定子在轴上运动时会改变左右2部分容积比，其中阻尼油脂只能通过预先设计的通道在活塞两边转移，螺旋传动副和阻尼缸实际上构成一个比例积分控制系统，用来滤除干扰力矩和避免超调。所述预先设计的通道也可以在缸体两边外接液压阀门1.5获得更多的调节特性。进一步，将螺旋传动副和阻尼缸合为一体，在缸体内壁做内花键1b，中心轴9上做螺旋外花键1a，花键啮合将阻尼缸分为左右两个空间，左右端盖支撑与中心轴上，可转动和滑动，并加以密封，缸内充满阻尼油脂，花键配合间隙构成节流通道。所述导向器5.2包括数个带调节螺母的螺杆，具有稳定弹簧、调值、限位的多种作用；可限制弹簧的高度并给定弹簧的初始值，从而确定系统的边界条件；限位作用使定子和转子之间至少保有少量的磁通。磁平衡环的作用是削减定子移动时的磁阻力，在气隙下时作为分流弱磁的磁轭，磁平衡环位于位于定子一端圆周边沿，材料为高磁导率和高电阻率软磁材料。由于采用上述技术措施，转速随扭矩自动变化，在额定输入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级变速特性。并且，弱磁提速时，由于铁心中磁通减少所降低的铁损快于转速提高增加的铁损，在很宽的工况范围都能获得高的效率，这就用机/电/液结合的方法低成本的实现了高端的直接转矩控制效果。附图说明附图1是机构简图，包括本专利的主要结构要素，便于对结构原理进行阐述，依据这些要素进行具体设计是不难的，并且可以使设计有许多不同细节。图中：9是中心轴，是整个轮毂电机的支撑轴，固定不动，也不旋转；螺旋传动副1包括轴上的螺旋外花键1a和与之配合的螺旋内花键1b；2是转子，包括永磁体2.2和铁轭2.1，提供励磁磁场；3是定子，包括铁心线圈3.1和馈电电缆3.2，用以输入电能产生旋转磁场；4是阻尼缸，包括活塞4.1端盖4.2等；5是弹簧，包括弹簧座5.1和导杆5.2组成弹簧测控系统，6是磁平衡环，7是端盖，8是轮毂。附图2是一个具体设计案例，用于对本专利适用性进一步说明，图中阻尼缸4和螺旋传动副1合为一体，缸体内壁为螺旋内花键1b，与之匹配的螺旋外花键1a直接做在中心轴9上，螺钉4.4将两边端盖4.2紧固在缸体上，端盖支撑于中心轴9上，可转动和轴向滑动，并由密封件4.3密封，缸内充满阻尼油脂。图2电机处于初始状态或轻载状态，铁心线圈同磁极轴向错开，气隙面积最小，可获得高转速。附图3是上述案例电机处于满功率状态或重载状态，铁心线圈同磁极轴向对齐，气隙面积最大，电机转速低而扭矩大。附图2和附图3零部件标号相同。标号分别是:1螺旋传动副，1a螺旋外花键，1b螺旋内花键；2转子，2.1转子轭，2.2磁铁；3定子，3.1铁心线圈，3.2馈电电缆；4阻尼缸，4.1螺旋齿形活塞，4.2端盖，4.3密封件，4.4螺钉；5弹簧，5.1弹簧座，5.2导杆；6磁平衡环，7端盖，8轮毂，9电机轴。具体实施例下面结合图2、图3以车辆驱动为例说明本专利技术无级变速的工作过程：通电前电机处于附图2所示状态，在弹簧的作用下，定子偏向右边，将对准定子铁心线圈的磁铁部分的磁通量称为有效磁链，则这时有效磁链为最小值，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，电机由初始的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，则猛加转把，给电机施加较高电压，定子3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，这个力矩作用于定子3，又通过螺旋传动副1传递到轴9上，并受到轴9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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴9、转子2、定子3、端盖7、和轮毂8等；其特征在于它的定子3与固定不动用作支撑的中心轴9之间不是普通电机那样固定连接的，而是插入了一个变速机构，它包括一个螺旋传动副1和弹簧测控系统5。

【技术特征摘要】
1.一种自适应无级变速永磁无刷轮毂电机，包括中心轴(9)、转子(2)、定子(3)、端盖(7)、和轮毂(8)；其特征在于定子和中心轴之间插入了一个变速机构，包括一个螺旋传动副(1)和弹簧测控系统(5)；所述螺旋传动副(1)使用螺旋花键副，螺旋外花键(1a)同中心轴固定连接或直接做在中心轴上，中心轴是支撑轴，固定不动，也不旋转，螺旋内花键(1b)同定子固定连接，螺旋传动副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轴向运动，从而使定子对转子的轴向位置发生变化，引起气隙有效面积发生变化，把磁通量由原来的常量变成为实时变量；所述弹簧测控系统包括弹簧(5)，弹簧座(5.1)，导向器(5.2)，弹簧座同中心轴(9)固定连接，弹簧一端连接弹簧座，另一端连接定子(3)，给定弹簧初始变形量，使得负载力矩小于设定值时，定子和转子保持初始位置，这时定子和转子错开位置最大；弹簧力的方向和特性是：负载力矩越大时弹簧变形量越大，定子移动回到转子磁极下的长度越多，从而增加输出扭矩；反之，负载力矩减小时，轴向分力比例减小，弹簧反力使定子向初始位置回位，磁通减小导致转速增加；还设置有阻尼缸(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：杨世国，
类型：发明
国别省市：重庆;85