[发明专利]一种自适应无极变速永磁无刷轮毂电机

说明书

技术领域

本发明涉及永磁无刷电机，尤其是车辆用的低转速直接驱动的轮毂电机。

背景技术

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，这方面的设计不计其数。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、移相调磁等多个发明专利。例如本人于2012年申请的中国专利，CN103580411A，一种永磁无刷自适应变速驱动电机，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，继而设想利用电机特性的另一参数——力矩作为反馈信号调节电机的磁场，从而得到等功率变速的机械特性。

发明内容

本发明提出的技术方案如下：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。

所诉螺旋传动副包括连接在轴上的螺旋内花键1a和螺旋外花键1b，螺旋外花键同定子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3对转子2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，定子和转子处于初始位置，这时定子与转子错开位置最大。

所述弹簧5由一个同轴配置或多个分布配置构成，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，轴向分力比例减小，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，这时输出转速将增加。

进一步，为了改善调节特性，设置了阻尼缸4，包括活塞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定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。

所诉预定通道也可以在缸体两边外接液压阀门4.5获得更多的调节特性。

进一步，将螺旋传动副1和阻尼缸4合为一体，在缸体内壁做螺旋内花键1b ，而与之匹配的螺旋外花键1a直接做在中心轴9上，将缸分为左右两个空间，左右端盖支撑于中心轴9上，可转动和轴向滑动，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，选择粘度适当的油脂和截面合适的通道，便能得到需要的阻尼特性。

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6的作用是消减定子移动的磁阻力，在气隙下时作为磁通分流弱磁的磁轭，磁平衡环位于定子一端圆周边沿，材料为高磁导率高电阻率软磁材料。

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极变速特性。

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，本发明用机/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