一種轉矩自適應變速的雙向雙螺旋永磁無刷電機的製作方法

2023-11-10 20:01:47

在本發明屬於電機技術，具體涉及一種能隨轉矩變化自適應變速的永磁無刷電機。

背景技術：

近年來，與電子技術緊密結合的永磁無刷電機(EC電機)以其高效節能等突出優勢得到廣泛的應用，各種規格、各種用途、各種拓補結構的專利設計不斷推出、電機技術迅速發展。特別是針對調節永磁電機氣隙磁場以實現等功率變速的技術研發成為熱點之一。其中從電控入手的有矢量變頻和直接轉矩控制，而從電機著手的有磁電混合勵磁、雙轉子組合勵磁、調節磁路和漏磁等方案。這些已知技術方案各有特點，電控方式可實現複雜的柔性的程序控制，但它只能從外部控制電機輸入端的電參數如頻率相位波形等，主要採用直軸電流分量Id弱磁，功率因素不高，需要功率容量大的控制器，用於永磁同步電機(PMSM)中，成本很高；電控方式也不適於直軸電感Ld較小的永磁無刷電機(BLDC)；磁電複合勵磁結構複雜；雙轉子組合勵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，後來公開的用彈簧螺杆機構弱磁方案需增加其它控制執行機構，也需要2個轉子，而且電機只有一個旋向能調速。本人之前在CN104979991公開的扭矩自適應變速永磁無刷電機用螺旋花鍵副實現了轉矩自適應增磁調速，只需使用一個轉子，比日立方案省略了離心機構或附加電磁電控執行機構；但單螺旋機構限制了電機旋向，只有一個旋向具有調速功能，在兩輪電動車、自動變速鑽床等單向驅動應用中沒有問題。但是有的應用需要電機既能正傳又能反轉，比如電動扳手，再比如需要隨時倒車的車輛就就不便使用這種電機。為了發揮這種變速電機的其它優點，必須解決電機正反2象限變速運行的問題。經過反覆設計終於得到本發明的技術方案。

技術實現要素：

一種轉矩自適應變速的雙向雙螺旋永磁無刷電機，參見附圖1，包括定子、轉子、外殼、端蓋等基本構件，定子上有繞組，轉子上有磁鐵。其特徵在於該電機的轉子同電機軸之間設置了一套位移調節機構，這套位移調節機構是通過移動轉子位置來改變氣隙面積從而調節磁通量實現調速的，調節機構包括：中段制有外螺旋花鍵的電機軸、內外分別制有正反不同旋向的螺旋花鍵的花鍵環、內部制有螺旋花鍵的花鍵套、測定和調節扭矩的彈簧。

所述花鍵環之內花鍵參數與電機軸的外花鍵參數匹配，所述花鍵環之外花鍵參數與花鍵套的內花鍵參數匹配；所述花鍵環內、外花鍵旋向相反：比如內花鍵為右旋，則外花鍵左旋。花鍵螺旋角β及餘角π/2-β充分大於材料的最大摩擦角。

所述花鍵套嵌於轉子支架中，同永磁轉子固連，花鍵套兩端通過襯環與軸配合可以在軸上相對滑動。

所述彈簧為螺旋壓縮彈簧及組合，其中一端作用力於轉子支架，另一端作用力通過彈簧座b、平面推力軸承、作用於電機軸臺階上，彈簧使轉子受到向左的力，具有向左移動離開定子的趨勢，彈簧受力伸縮反應了負載力矩變化並確定轉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，疊合後的彈簧一端作用於轉子支架，另一端通過彈簧座b、平面推力軸承、作用於電機軸臺階上，彈簧使轉子受到向左的力，具有向左移動離開定子的趨勢，彈簧受力伸縮反應了負載力矩變化並確定轉子在定子中的相對位置。

為了避免掉電及扭矩突變時轉子過快移動所產生的衝擊，方案設計配置了緩衝系統，緩衝系統包括緩衝缸和活塞，活塞通過螺釘與轉子支架相連，隨轉子一起運動，利用空氣的阻尼，活塞在緩衝缸中不能快速移動，從而實現緩衝作用。

緩衝缸材料具有導磁導電特性，它的磁阻同定子鐵芯相當，這使得轉子在定子和緩衝缸之間來回移動時阻力很小。電機穩定工作時緩衝缸與轉子同步旋轉，所以緩衝缸和其中轉子構成的磁路中磁通不變化，不產生鐵損；只有轉子與緩衝缸相對有快速運動時會產生磁滯損耗和渦流損耗，而這樣正好有利於耗減彈簧儲能，從而緩衝彈簧彈射轉子之力。

檢測轉子的轉速和磁場相位的傳感器包括霍爾電路板和磁環，磁環同轉子磁相位相同，霍爾電路板固定於端蓋上，霍爾IC感應磁環相位輸出編碼信號。磁環同彈簧座相連，止推軸承置於軸肩處並支撐彈簧座，止推軸承解耦彈簧座與軸肩的摩擦力，使磁環能夠靈活的跟隨轉子同步旋轉，產生準確的轉子相位信號。

本發明克服了國外現有技術零部件多、可靠性差、控制複雜、成本高的缺點，也突破了自己之前單螺旋無刷電機專利的局限，針對永磁無刷電機設計了特定的雙螺旋機構，使永磁無刷電機可以雙向等功率調速運行；使用力矩自適應變速，效果等同於電機控制領域的直接轉矩控制概念，極簡的機構，製造容易，成本低廉，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發明實施例基本構成，是加電前的初始靜止狀態，也是運行的高速弱磁狀態。圖中標號說明如下：1.電機殼，2.定子，2a.繞組，3.轉子，3a.磁鐵，4.花鍵套，5.花鍵環，6.轉子支架，7.彈簧座a，8.前電機蓋，9.前襯環，10.彈簧，11.彈簧座b，12.平面推力軸承，13.前軸承，14.磁環，15.霍爾電路板，16.擋圈，17.後襯環，18.緩衝缸，18a.活塞，19.後電機蓋，20.後軸承，21.密封圈，22.電機軸，23擋圈，24.螺釘，25.電線束。

圖2雙螺旋機構3D視圖，外花鍵套剖開一部分以便展示內部結構。

圖3增磁狀態3D圖，電機正傳，花鍵環位於左端，隱去次要零件。

圖4增磁狀態3D圖，電機反轉，花鍵環位於右端，隱去次要零件。

圖5弱磁狀態3D圖，無論電機旋向，花鍵環位於左端，隱去次要零件。

具體實施方式

圖1是本發明實施案例之一，用以說明變速的原理和過程機制，其它3D圖是具體設計實例。業內技術人士依照本例結合已有基本專業知識不難理解，據此製作出優良的具有轉矩自適應變速效果的永磁無刷電機。

以變速2倍為例說明弱磁變速。合理簡化後，有關參數定義如下：

電機額定額定電壓Ue，額定電流Ie，轉子直徑D2,轉子長度＝L,平均磁密Bδ,定子繞組匝數N,轉子移動量z，本例調速比設計為2倍，依據電機理論可得

電機的轉速與磁鏈成反比，

當z＝0時，磁鏈最大，λz＝λmax，額定轉速為ωe，扭矩＝Te；

以弱磁50％為例，當z＝0.5L時，λz＝0.5λmax，轉速為2ωe，扭矩＝0.5Te；

輸出功率W＝ωe*Te＝2ωe*0.5Te，輸出功率恆定不變。

設計花鍵參數。定義螺旋花鍵角為β，節圓半徑為r，則轉子軸向分力

Fz＝Te/r*sinβ。

設計彈簧參數。

當z＝0.5L時，彈簧位於工作點S1，壓縮到該點時，應使彈簧反力F1＝0.5Te/r*sinβ當z＝0時，彈簧位於工作點S2，壓縮到該點時，應使彈簧反力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範圍，並改變自身長度。

下面具體說明轉矩自適應變速過程。

電機通電前，轉子處於弱磁位置，z＝0.5L，此時給電機通電，即刻產生電磁轉矩，該轉矩為弱磁狀態的堵轉扭矩0.5Tmax，大於0.5Te額定轉矩，由於螺旋花鍵的作用，轉子自動地做螺旋運動，其軸向分力Tmax/r*sinβ＞F1，彈簧被壓縮，轉子向定子移動，z變小，λZ變大，電磁力矩Te變大，彈簧繼續被壓縮，電磁力矩Te繼續變大，直到下列條件之一出現時完成起動過程。

第一，z＝0，轉子完全進入定子達到最大磁鏈λmax，電機工作於額定轉速以下，這時電機特性等同於普通無刷電機；

第二，因載荷較輕，起步過程中，電磁力矩很快大過負載阻力矩，負載被加速旋轉，很快達到額定轉速，緊接著進入恆功率變速區間。

在恆功率變速區間。最高轉速由給定電壓控制，人為給定最大輸入電壓，則可能達到最高轉速。而實際穩態轉速受負載阻力矩限制。

運行中，負載阻力矩減小時，彈簧會伸長，產生弱磁，λZ減少，電磁轉矩相應降低，電機轉速增高，轉速增高又伴隨負載阻力矩相應增加，電磁轉矩和阻力矩二者必趨於相等，使速度不再增加。

運行中，如果負載阻力矩增大，彈簧會縮短，z減少，λZ增加，電磁力矩相應增大，直到電磁力矩等於負載阻力矩，速度不再降低。如果給定電壓等於額定電壓，則恆功率範圍為額定轉速的2倍範圍。

下面說明雙螺旋傳動副的作用機制。

對於附圖1所示電機，參見附圖2所示雙螺旋結構，設定觀察方向為從左端看，順時針為右旋，逆時針為左旋，電機軸與花鍵環為右旋配合，花鍵套與花鍵環為左旋配合。

當電機左旋時，花鍵套左旋，花鍵環受到向左的軸向分力，但被擋圈16擋住不能左移，花鍵套及轉子被迫右移並壓縮彈簧，見圖3。這時起作用的是與花鍵套相關的左螺旋副。

花鍵套及轉子位於右端時，如果降低電壓或車輛剎車斷電，電磁力將減小或消失，彈簧反力大於電磁力，向左推動花鍵套，花鍵套沿花鍵環外花鍵右旋向左運動，花鍵環保持左端不動。

當需要電機右旋時，花鍵套右旋，花鍵環受到右向軸力及和右旋力矩向右頂著襯環 (9)作螺旋運動，花鍵套及轉子被迫右移並壓縮彈簧，花鍵環最終移動到右端，見圖4。這時起作用的是與軸相關的右螺旋副。

同樣，如果這時降低電壓或車輛剎車斷電，電磁力將減小或消失，彈簧反力大於電磁力，向左推動花鍵套，花鍵套帶著花鍵環沿花鍵軸左旋向左運動。