專利名稱：電磁耦合無(wú)級(jí)變速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無(wú)級(jí)變速器，具體是一種電磁耦合無(wú)級(jí)變速器。該系統(tǒng)應(yīng)用于以熱力發(fā)動(dòng)機(jī)等為單一原動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車輛、油-電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及其他需要采用變速傳動(dòng)的機(jī)電一體化裝備中。
背景技術(shù)：
汽車等各種載運(yùn)工具以及許多其他機(jī)電系統(tǒng)都需要配置可調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、匹配負(fù)載的動(dòng)力傳遞裝置——變速器。目前廣泛采用的多為基于齒輪副的手動(dòng)或自動(dòng)有級(jí)式機(jī)械變速器，雖然其自身傳動(dòng)效率較高，但調(diào)速品質(zhì)不夠好，且只能在系統(tǒng)工作范圍的若干點(diǎn)上保證原動(dòng)機(jī)與負(fù)載的正確匹配，致使在多數(shù)工作點(diǎn)上系統(tǒng)總體效率有所下降。
現(xiàn)有無(wú)級(jí)變速器主要有各種基于機(jī)械摩擦傳動(dòng)、電傳動(dòng)、液壓/液力傳動(dòng)等不同形式的無(wú)級(jí)變速器?，F(xiàn)有無(wú)級(jí)變速電傳動(dòng)主要是級(jí)聯(lián)式電傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器。該無(wú)級(jí)變速器見(jiàn)圖1，包括輸入軸1、功率電子控制器5、電機(jī)6、電機(jī)7、輸出軸2，對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，還包括電能緩存(電池組)子系統(tǒng)9。兩個(gè)電機(jī)6、7可以是永磁同步電機(jī)，也可以是他類型的電機(jī)；功率電子控制器包括交流-直流轉(zhuǎn)換器51和直流-交流變頻逆變器52，前者與電機(jī)7的定子72、后者與電機(jī)6的定子62電氣連接，兩者相互配合來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)。對(duì)于級(jí)聯(lián)式電傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器，原動(dòng)機(jī)11輸入的機(jī)械功率須全部先轉(zhuǎn)換為電功率，然后再次轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出，整個(gè)功率流要經(jīng)歷電機(jī)7的機(jī)-電、電機(jī)6的電-機(jī)轉(zhuǎn)換以及在功率電子控制器的交流-直流和直流-交流等多個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，造成其效率偏低。事實(shí)上，現(xiàn)有各種無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)效率普遍顯著比有級(jí)式機(jī)械變速器的低。
油-電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有顯著的節(jié)能環(huán)保效果，是汽車技術(shù)的發(fā)展方向之一，但它需要比常規(guī)汽車增設(shè)電機(jī)(發(fā)電/電動(dòng))、電池組及功率匯流等子系統(tǒng)。現(xiàn)有技術(shù)還未能實(shí)現(xiàn)把發(fā)電、電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、離合、變速、功率匯流等多種功能集于一身，以致動(dòng)力匯流與變速系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、制造成本偏高。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種在較大速比范圍內(nèi)高效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)級(jí)變速器、使發(fā)動(dòng)機(jī)在變負(fù)載條件下保持在最佳工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型的另一目的在于取代傳統(tǒng)汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器、離合器、齒輪變速器或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的電機(jī)系統(tǒng)、功率匯流器等。由此提供一種適合在傳統(tǒng)車輛、油-電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及其他需要采用變速傳動(dòng)的機(jī)電一體化裝備中應(yīng)用的功率匯流與無(wú)級(jí)變速一體的系統(tǒng)，且該系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、輸入/輸出軸可獨(dú)立調(diào)控的特性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案在現(xiàn)有級(jí)聯(lián)式無(wú)級(jí)電傳動(dòng)或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的串聯(lián)式機(jī)電耦合方案的基礎(chǔ)上、尤其是在其中采用永磁同步電機(jī)方案的基礎(chǔ)上，實(shí)施結(jié)構(gòu)改動(dòng)，形成可直接傳遞機(jī)械能的電磁滑差耦合(離合)器與電機(jī)的某種組合體，并增設(shè)附加調(diào)磁線圈、非接觸式互感集流器等裝置，構(gòu)成一種具備功率分匯流功能的電磁耦合無(wú)級(jí)變速器。
如圖1所示的典型現(xiàn)有級(jí)聯(lián)式無(wú)級(jí)變速電傳動(dòng)方案效率偏低，但如果將上述方案按圖2所示進(jìn)行改動(dòng)，情況將會(huì)大為改觀。這種改動(dòng)主要包括第一，把電機(jī)7的電功率輸出端從定子72上改到轉(zhuǎn)子71上，并增設(shè)一個(gè)集流器8經(jīng)導(dǎo)線引出。改動(dòng)前后的電機(jī)7完全等效，這樣做只是為了方便下述的后續(xù)改動(dòng)。當(dāng)然，對(duì)于永磁同步型電機(jī)還須使鐵心繞組與永磁體對(duì)調(diào)，即72為永磁式、71為鐵心繞組式；此外，為提高工作可靠性，集流器8最好為非接觸式的，如后文描述的一種互感式非接觸集流器等。
第二，解除對(duì)電機(jī)7的“定子”72繞其軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束，并使之與電機(jī)6的轉(zhuǎn)子61及軸2固接起來(lái)。
方案是電磁耦合無(wú)級(jí)變速器包括輸入軸、輸出軸、機(jī)座、功率電子控制器、集流器、轉(zhuǎn)子、定子和永磁式或繞線式或鼠籠式杯形轉(zhuǎn)子，輸入軸與輸出軸同軸線地支承于機(jī)座，集流器、轉(zhuǎn)子、定子和永磁式或繞線式或鼠籠式杯形轉(zhuǎn)子；所述集流器和定子分別與功率電子控制器中的AC-DC變換器和DC-AC變頻逆變器連接；輸入軸或者輸出軸通過(guò)集流器與轉(zhuǎn)子連接，轉(zhuǎn)子位于杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，與杯形轉(zhuǎn)子配合，杯形轉(zhuǎn)子另一端與輸出軸或者輸入軸連接，定子固定在機(jī)座上，與杯形轉(zhuǎn)子配合。所述集流器為由感應(yīng)初級(jí)線圈與次級(jí)線圈配合構(gòu)成的互感式非接觸集流器或電刷滑環(huán)式集流器，所述非接互感式觸集流器感應(yīng)初級(jí)線圈設(shè)置在輸入軸上，其線圈繞組為周向或軸向，并與共同設(shè)置在輸入軸上的轉(zhuǎn)子的線圈繞組導(dǎo)線連接，感應(yīng)次級(jí)線圈繞組與感應(yīng)初級(jí)線圈相同，并與感應(yīng)初級(jí)線圈配合。所述功率電子控制器還可設(shè)置三個(gè)傳感器，分別與輸出軸、輸入軸和原動(dòng)機(jī)配合，并通過(guò)導(dǎo)線與功率電子控制器相連。
采用上述技術(shù)方案的原理如下如圖4所示，當(dāng)原動(dòng)機(jī)11驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的轉(zhuǎn)子71相對(duì)于“定子”72旋轉(zhuǎn)而發(fā)電時(shí)，兩者間相互作用的電磁力矩將拖動(dòng)“定子”72及與之固接的轉(zhuǎn)子61和輸出軸2，隨轉(zhuǎn)子71做同向、但速度可以不等的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。參見(jiàn)圖4的模型，這相當(dāng)于把7變成了一個(gè)電機(jī)兼電磁滑差耦合(離合)器的組合體，把原動(dòng)機(jī)11的部分機(jī)械功率直接經(jīng)輸出軸2傳輸?shù)截?fù)載10，而電機(jī)7又以相對(duì)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速差)Δω＝ω1-ω2作為其“同步發(fā)電轉(zhuǎn)速”，把原動(dòng)機(jī)功率的其余部分轉(zhuǎn)換為電功率，經(jīng)由電傳動(dòng)分路電機(jī)7--功率電子控制器5--電機(jī)6傳遞并再次轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率匯合到軸2，最終也傳輸?shù)截?fù)載10。變成電機(jī)兼電磁滑差耦合器組合體的7，其傳遞功率的效率既高于單個(gè)電磁滑差耦合器，也高于單個(gè)電機(jī)。對(duì)于前者，是因?yàn)樗褑蝹€(gè)電磁滑差耦合器原來(lái)要作為電渦流發(fā)熱損耗掉的功率變成了電傳動(dòng)分路的有用電功率，對(duì)于后者，是因?yàn)樗蛔尶偣β实囊徊糠纸?jīng)由效率相對(duì)偏低的電傳動(dòng)分路傳遞，故總體效率得以提高。下述根據(jù)圖4建立的基本公式及所做的簡(jiǎn)要理論分析對(duì)此提供了進(jìn)一步的印證。
設(shè)ω表示角速度，T表示轉(zhuǎn)矩，P表示功率(流)，符號(hào)的下標(biāo)e表示電傳動(dòng)分路。來(lái)自原動(dòng)機(jī)的功率為P1＝T1ω1；此時(shí)經(jīng)電磁滑差耦合器18直接傳遞的那部分機(jī)械功率PH可認(rèn)為效率約為1.0，即PH＝T1ω2；其余可供7轉(zhuǎn)換成電能的功率為Pe＝T1Δω＝T1(ω1-ω2)，且有P1＝Pe+PH。電傳動(dòng)效率ηe＜1.0，Pe經(jīng)電傳動(dòng)分路有所損耗，傳遞到負(fù)載上的為ηePe；驅(qū)動(dòng)負(fù)載的有效功率為P2＝T2ω2；其中T2＝T1+Te2，而Te2＝ηePe/ω2。利用這些基本公式易推知在ω2≤ω1的減速傳動(dòng)段，變速傳動(dòng)總效率η＝P2/P1＝ηe+(1-ηe)ω2/ω1，恒有η＞ηe，恒比圖1常規(guī)級(jí)聯(lián)式電傳動(dòng)的高，且隨ω2增大呈進(jìn)一步增高之勢(shì)，當(dāng)ω2→ω1時(shí)η→1.0。同理可知，在ω2≥ω1的超速傳動(dòng)段，η隨ω2增大從1.0逐漸下降，但在實(shí)用范圍內(nèi)仍保持較高水平，且因原動(dòng)機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))此時(shí)工作在高速輕載的省油高效區(qū)，還對(duì)傳動(dòng)效率的下降提供了彌補(bǔ)。
采用上述改動(dòng)技術(shù)方案后已產(chǎn)生的有益效果包括第一，在保持與常規(guī)電傳動(dòng)相當(dāng)?shù)妮^寬廣無(wú)級(jí)變速范圍的同時(shí)，總體效率得以提高，從而產(chǎn)生節(jié)能效果。
第二，可省去離合器及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器；對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車而言，合并了變速器和電機(jī)兩大分立系統(tǒng)并兼任功率匯流器，還自然提供了先進(jìn)的串并聯(lián)(混聯(lián))驅(qū)動(dòng)功能及制動(dòng)能量回收功能；對(duì)其他應(yīng)用場(chǎng)合而言，電傳動(dòng)分路各元器件的額定功率容量可明顯降低；這些均可帶來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本、提高性能的效果。
以上為方便闡述本實(shí)用新型的基本工作原理，采用了便于理解、仍保留有不便應(yīng)用的明顯級(jí)聯(lián)式拓?fù)洳季值膱D2、圖3和圖4。根據(jù)不同使用要求和特點(diǎn)，本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案可繁可簡(jiǎn)，形成多種衍生方案。以下結(jié)合慮及緊湊性、調(diào)控特性等因素的一個(gè)基本型方案及若干衍生方案作為實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為現(xiàn)有級(jí)聯(lián)式無(wú)級(jí)變速電傳動(dòng)方案示意圖，該方案用于串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車時(shí)，圖中用雙點(diǎn)劃線表示的電能緩存(電池組)子系統(tǒng)9為必備。圖中其他部分分別是輸入軸1、輸出軸2、電機(jī)7(包括其轉(zhuǎn)子71和定子72，主要作為發(fā)電機(jī)使用)、電機(jī)6(包括其定子62和轉(zhuǎn)子72，主要作為電動(dòng)機(jī)使用)、功率電子控制器5，功率電子控制器5(包含AC-DC轉(zhuǎn)換器51和DC-AC變頻逆變器52等部分，用來(lái)控制上述兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn))、原動(dòng)機(jī)11(如內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī))、負(fù)載10(如汽車驅(qū)動(dòng)橋)等；因后兩者不屬于所述變速傳動(dòng)系統(tǒng)，故用虛線表示。圖中電機(jī)7、6可以是永磁同步電機(jī)或其他類型的電機(jī)。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施方式2基本工作原理示意圖，圖中示出集流器8，其余零部件編號(hào)意義同圖1。
圖3和圖4分別為現(xiàn)有級(jí)聯(lián)式無(wú)級(jí)電傳動(dòng)和電磁耦合無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)的簡(jiǎn)化模型，圖中電磁滑差耦合(離合)器18，其余各零部件編號(hào)意義同圖2。圖中還有不為零部件編號(hào)的符號(hào)，其中ω及圓弧箭頭表示角速度，T及圓弧箭頭表示轉(zhuǎn)矩，P及粗線箭頭表示功率(流)，符號(hào)的下標(biāo)e指電傳動(dòng)分路、其他下標(biāo)指對(duì)應(yīng)的零部件編號(hào)。
圖5為本實(shí)用新型實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中示出機(jī)座3，附加調(diào)磁線圈4，杯形轉(zhuǎn)子67，感應(yīng)初級(jí)線圈81，感應(yīng)次級(jí)線圈82，轉(zhuǎn)速傳感器13、12，(發(fā)動(dòng)機(jī))油門傳感14器，其余零部件編號(hào)意義同圖2。
圖6為本實(shí)用新型實(shí)施方式1杯形轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)表面展開(kāi)示意圖，圖中示出N-永磁體北極，S-永磁體南極，F(xiàn)e-鐵磁極。
圖7為本實(shí)用新型實(shí)施方式7的方案示意圖。圖中示出感應(yīng)機(jī)轉(zhuǎn)子73，其余零部件編號(hào)意義同圖2。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1如圖5所示，輸入軸1、輸出軸2及機(jī)座3之間通過(guò)軸承形成相互支承關(guān)系。轉(zhuǎn)子71固定在輸入軸1上，連同其軸向線圈繞組有氣隙地置于杯形轉(zhuǎn)子67的內(nèi)腔，杯形轉(zhuǎn)子67與輸出軸2固接。定子62固定在機(jī)座3上，與杯形轉(zhuǎn)子67外表面有氣隙地配合。附加調(diào)磁線圈4為周向纏繞在定子62鐵心環(huán)形槽內(nèi)的直流線圈，通過(guò)導(dǎo)線與功率電子控制器5相連。附加調(diào)磁線圈4電流的方向決定對(duì)永磁的杯形轉(zhuǎn)子67起增磁還是弱磁作用，電流的大小決定這種調(diào)磁作用的大小。感應(yīng)初級(jí)線圈81與感應(yīng)次級(jí)線圈82構(gòu)成了互感式非接觸的集流器8，其中感應(yīng)初級(jí)線圈81與轉(zhuǎn)子71上的繞組通過(guò)導(dǎo)線相連，感應(yīng)次級(jí)線圈82固定在機(jī)座3上。感應(yīng)初級(jí)線圈81與感應(yīng)次級(jí)線圈82的線圈繞組均以輸入軸1為鐵心，沿周向繞制，其工作原理類似變壓器，即使輸入軸1旋轉(zhuǎn)時(shí)兩者之間也不產(chǎn)生類似導(dǎo)線切割磁力線的發(fā)電或電動(dòng)作用。相應(yīng)地，杯形轉(zhuǎn)子67有類似于混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)，其表面展開(kāi)如圖5所示，由永磁體磁極N、S及鐵磁極Fe兩部分組成，后者為勵(lì)磁磁通提供低磁阻磁路。功率電子控制器5由AC-DC變換器51、DC-AC變頻逆變器52及直流總線和控制計(jì)算機(jī)等組成，用來(lái)控制所述兩個(gè)混合勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)；它與定子62自身的繞組、附加調(diào)磁線圈4及感應(yīng)次級(jí)線圈82、傳感器12、13、14等以導(dǎo)線相連，還設(shè)有儲(chǔ)能電池+/-接口端子，以滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車等應(yīng)用的需要。傳感器12、13分別采集輸出軸2、輸入軸1的轉(zhuǎn)速信號(hào)，傳感器14采集原動(dòng)機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))的油門開(kāi)度信號(hào)，這些信號(hào)均饋送給功率電子控制器5。
使用時(shí)，當(dāng)從輸入軸1輸入原動(dòng)機(jī)動(dòng)力時(shí)，周向纏繞的感應(yīng)初級(jí)線圈81和轉(zhuǎn)子71都隨輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，可設(shè)轉(zhuǎn)速為ω1。轉(zhuǎn)子71上的軸向繞組以與永磁杯形轉(zhuǎn)子67的相對(duì)轉(zhuǎn)速Δω切割其周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變電流，等效構(gòu)成了一個(gè)同步電機(jī)，其電流經(jīng)導(dǎo)線饋送到感應(yīng)初級(jí)線圈81，并感應(yīng)到感應(yīng)次級(jí)線圈82上，再經(jīng)導(dǎo)線送至功率電子控制器5。在發(fā)電的同時(shí)，轉(zhuǎn)子71與永磁的杯形轉(zhuǎn)子67間相互作用的電磁力矩將拖動(dòng)杯形轉(zhuǎn)子67及輸出軸2以轉(zhuǎn)速ω2＝ω1-Δω旋轉(zhuǎn)，以相當(dāng)于電磁滑差耦合器的方式將原動(dòng)機(jī)11的部分機(jī)械功率直接傳輸給接在輸出軸2下游的負(fù)載10上。與此同時(shí)，功率電子控制器5根據(jù)傳感器12、13、14采集的信號(hào)所反映的原動(dòng)機(jī)及負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)狀況(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門開(kāi)度等)，按已存儲(chǔ)好的控制策略，把來(lái)自轉(zhuǎn)子71的電流經(jīng)調(diào)制后以不同大小和形式(給定頻率的三相交流電、單相直流電)，分別饋送給軸向的定子62繞組和周向的附加勵(lì)磁線圈4。其中三相交流電占功率電子控制器5輸出電功率的絕大部分，經(jīng)由定子62與杯形轉(zhuǎn)子67等效構(gòu)成的同步電機(jī)轉(zhuǎn)化成作用在輸出軸2上的另一部分機(jī)械功率，以轉(zhuǎn)速ω2傳輸給負(fù)載，三相交流電的頻率給定也因此要隨ω2的變化實(shí)時(shí)調(diào)整。而施加于調(diào)磁線圈4的單相直流電相對(duì)只占功率電子控制器5輸出電功率的很小部分，它所形成的可調(diào)磁通主要經(jīng)由機(jī)座3、定子62的鐵心、氣隙和杯形轉(zhuǎn)子67的鐵磁極構(gòu)成通路，并與杯形轉(zhuǎn)子67上由永磁體磁極形成的相對(duì)穩(wěn)定的磁通合成為總磁通。改變勵(lì)磁電流的大小與極性，就可調(diào)節(jié)杯形轉(zhuǎn)子67周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)輸入軸1、輸出軸2的轉(zhuǎn)速ω1、ω2及轉(zhuǎn)速差Δω。若沒(méi)有調(diào)磁線圈4，雖然還可通過(guò)對(duì)功率電子控制器5輸出的三相交流電調(diào)頻來(lái)調(diào)速，但這時(shí)可直接控制的僅為負(fù)載轉(zhuǎn)速ω2，而ω1及Δω隨負(fù)載工況[T2，ω2]的變化將無(wú)法直接控制。車輛等裝備出于節(jié)能與提高動(dòng)力性等目的，要求可直接控制轉(zhuǎn)速ω1，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)在給定油門下能穩(wěn)定在要求的理想工作點(diǎn)[T1，ω1]，讓轉(zhuǎn)速ω2(及車速)適應(yīng)負(fù)載工況而變化。增設(shè)調(diào)磁式調(diào)速并使控制器K配置適當(dāng)?shù)目刂撇呗?軟件)，就使這種控制特性得以實(shí)現(xiàn)，還能與調(diào)頻調(diào)速協(xié)同來(lái)滿足ω2及Δω隨負(fù)載工況變化可以控制的要求。
對(duì)于車輛等傳動(dòng)系統(tǒng)的倒檔設(shè)置，可通過(guò)功率電子控制器5改變輸出三相交流電的相序，使等效同步電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)方法是在原動(dòng)機(jī)11至負(fù)載10之間增加一個(gè)簡(jiǎn)單的手動(dòng)機(jī)械式換向器即可。這種方法傳動(dòng)效率更高，還可以做長(zhǎng)時(shí)間的倒檔運(yùn)行。
與圖2所示原理圖和圖4所示的原理結(jié)構(gòu)圖相比，作為本實(shí)用新型基本型的實(shí)施例1取得了如下的關(guān)鍵改進(jìn)第一，原來(lái)顯見(jiàn)兩大部分的級(jí)聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改進(jìn)成為單體的、類似一個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的緊湊結(jié)構(gòu)，便于安裝布置和減輕重量。第二，通過(guò)采用附加調(diào)磁線圈和杯形轉(zhuǎn)子的特殊磁極結(jié)構(gòu)，把原來(lái)的永磁電機(jī)全部變成了混合勵(lì)磁電機(jī)，提供了同時(shí)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)速或工作點(diǎn)的有效途徑，改善了調(diào)控特性。第三，提供了一種基于感應(yīng)變壓器原理的非接觸式集流器，在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的同時(shí)，不產(chǎn)生作為原動(dòng)機(jī)附加載荷的發(fā)電阻力，有利于提高效率。
實(shí)施例2將實(shí)施例1中的原動(dòng)機(jī)11與輸出軸2相連接、負(fù)載10與輸入軸1相連接，其它結(jié)構(gòu)完全同實(shí)施例1。在本實(shí)施例中，只是實(shí)施例1中的輸入軸轉(zhuǎn)換成輸出軸，輸出軸轉(zhuǎn)換成輸入軸，這樣取得的效果與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3采用常規(guī)的接觸式電刷滑環(huán)集流器替代實(shí)施例1中由感應(yīng)初級(jí)線圈81與感應(yīng)次級(jí)線圈82構(gòu)成的非接觸式集流器。這樣可以降低造價(jià)、重量及系統(tǒng)復(fù)雜程度，但系統(tǒng)可靠性有所下降。
實(shí)施例4將實(shí)施例1的感應(yīng)初級(jí)線圈81與感應(yīng)次級(jí)線圈82的周向纏繞方式改成軸向纏繞方式，即可按照交流感應(yīng)電機(jī)原理工作，感應(yīng)初級(jí)線圈81為電樞，感應(yīng)次級(jí)線圈82為定子。其它部分結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。這種結(jié)構(gòu)在一定條件下更緊湊，但發(fā)電阻力會(huì)給原動(dòng)機(jī)增加附加載荷。
實(shí)施例5取消實(shí)施例1中的附加調(diào)磁線圈4，其它部分結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2。這樣定子62的結(jié)構(gòu)、杯形轉(zhuǎn)子67的磁極結(jié)構(gòu)及功率電子控制器5均可簡(jiǎn)化，從而降低成本，但調(diào)速特性會(huì)變差。
實(shí)施例6采用類似于無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)帶旋轉(zhuǎn)整流二極管和自勵(lì)繞組的原理和技術(shù)，使杯形轉(zhuǎn)子繞組自發(fā)電、自整流、自勵(lì)磁，將實(shí)施例2中的杯形轉(zhuǎn)子67變換成非永磁體轉(zhuǎn)子，其它部分結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2。這樣避免了永磁體可能失磁的故障，且免用價(jià)格較貴的永磁體，但系統(tǒng)的復(fù)雜程度增高、效率下降。
實(shí)施例7如圖7所示，在實(shí)施例2基礎(chǔ)上將原動(dòng)機(jī)11與負(fù)載10對(duì)換，輸入軸1與杯形體轉(zhuǎn)子67固接，原來(lái)的轉(zhuǎn)子71和感應(yīng)初級(jí)線圈81被一個(gè)具有鼠籠或繞組的感應(yīng)機(jī)轉(zhuǎn)子73所取代。原來(lái)的感應(yīng)次級(jí)線圈82被改造成軸向纏繞的，成為鐵心定子繞組。這樣，永磁式的杯形體轉(zhuǎn)子67、轉(zhuǎn)子73和線圈82就等效地構(gòu)成了一個(gè)雙定子的雙饋調(diào)速交流感應(yīng)異步電機(jī)，其特殊之處在于主“定子”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由杯形體轉(zhuǎn)子67提供。此外杯形體轉(zhuǎn)子67、定子62和附加調(diào)磁線圈4又等效地構(gòu)成了一個(gè)混合勵(lì)磁同步電機(jī)。本實(shí)施例中已不再有顯見(jiàn)的“電磁滑差耦合器”效應(yīng)，但因成為鐵心定子繞組的線圈82的存在，不僅使輸出軸2的雙饋調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，還使轉(zhuǎn)子73上的繞組感生電流可被饋送倒定子62上加以利用，從而提高效率。對(duì)輸入軸1轉(zhuǎn)速的調(diào)控，類似于實(shí)施例2，主要靠調(diào)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例8
如圖4所示，主要由輸入軸1、輸出軸2、電機(jī)7、集流器8和功率電子控制器5組成。電機(jī)7由定子71與轉(zhuǎn)子72配合構(gòu)成，電機(jī)6由定子62與轉(zhuǎn)子62配合構(gòu)成。電機(jī)7的轉(zhuǎn)子71固定在輸入軸1上，其定子72與輸出軸2連接，電機(jī)6的轉(zhuǎn)子61固定在輸出軸2上，其定子固定在機(jī)座3上。電機(jī)6和電機(jī)7構(gòu)成具有顯見(jiàn)兩大部分的級(jí)聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。集流器8為電刷滑環(huán)式集流器。功率電子控制器5包括AC-DC變換器51和DC-AC變頻逆變器52，AC-DC變換器51通過(guò)集流器8與電機(jī)7的轉(zhuǎn)子71相接；DC-AC變頻逆變器52與電機(jī)6的定子62相接。原動(dòng)機(jī)11為內(nèi)燃機(jī)，通過(guò)輸入軸1為系統(tǒng)提供原動(dòng)力。負(fù)載為汽車(驅(qū)動(dòng)橋)連接輸出軸。電能緩存(電池組)子系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)線與功率電子控制器5連接。該實(shí)施方式的缺點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)不夠緊湊，調(diào)速特性也略差。
實(shí)施例9將實(shí)施例1-6及實(shí)施例8中的同步電機(jī)6、7的兩者或之一改為三相交流、單相交流、直流或開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中的任一種，集流器8也可改為非接觸式的。其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例8。
本實(shí)用新型中，上述實(shí)施例方案中的一或兩個(gè)等效同步電機(jī)變換成其他類型的電機(jī)，或上述各實(shí)施例方案的“倒用”及其組合，均可形成本實(shí)用新型的其它實(shí)施方案。
權(quán)利要求1.電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，包括輸入軸(1)、輸出軸(2)、機(jī)座(3)、功率電子控制器(5)，輸入軸(1)與輸出軸(2)同軸線地支承于機(jī)座(3)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括集流器(8)、轉(zhuǎn)子(71)、定子(62)和永磁式或繞線式或鼠籠式或疊壓片鐵心式杯形轉(zhuǎn)子(67)；所述集流器(8)和定子(62)分別與功率電子控制器(5)中的AC-DC變換器(51)和DC-AC變頻逆變器(52)連接；輸入軸(1)或者輸出軸(2)通過(guò)集流器(8)與轉(zhuǎn)子(71)連接，轉(zhuǎn)子(71)位于杯形轉(zhuǎn)子(67)內(nèi)腔，與杯形轉(zhuǎn)子(67)配合，杯形轉(zhuǎn)子(67)一端與輸出軸(2)或者輸入軸(1)連接，定子(62)固定在機(jī)座(3)上，與杯形轉(zhuǎn)子(67)配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，其特征在于所述電磁耦合系統(tǒng)還包括附加調(diào)磁線圈(4)，所述附加調(diào)磁線圈(4)為周向纏繞在定子(62)鐵心上的環(huán)形槽內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)線與功率電子控制器(5)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，其特征在于所述集流器(8)為由感應(yīng)初級(jí)線圈(81)與感應(yīng)次級(jí)線圈(82)配合構(gòu)成的互感式非接觸集流器或電刷滑環(huán)式集流器；所述非接互感式觸集流器感應(yīng)初級(jí)線圈(81)設(shè)置在輸入軸(1)上，其線圈繞組為周向或軸向，并與共同設(shè)置在輸入軸(1)上的轉(zhuǎn)子(71)的線圈繞組導(dǎo)線連接，感應(yīng)次級(jí)線圈(82)固定在機(jī)座(3)上，其繞組與感應(yīng)初級(jí)線圈(81)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，其特征在于所述杯形轉(zhuǎn)子(67)為包括旋轉(zhuǎn)整流管和自勵(lì)繞組的自發(fā)電或自整流或自勵(lì)磁的繞線式感應(yīng)機(jī)轉(zhuǎn)子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，其特征在于所述功率電子控制器(5)還包括傳感器(12、13、14)，所述傳感器(12、13、14)分別與輸出軸(2)、輸入軸(1)和原動(dòng)機(jī)(11)配合，并通過(guò)導(dǎo)線與功率電子控制器(5)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，其特征在于所述功率電子控制器(5)上設(shè)置的電源接口(53、54)，分別與電池組子系統(tǒng)(9)的負(fù)極和正極相接。
7.電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，包括輸入軸(1)、輸出軸(2)、機(jī)座(3)、功率電子控制器(5)、輸入軸(1)與輸出軸(2)同軸線地支承于機(jī)座(3)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括集流器(8)、電機(jī)(7)和電機(jī)(6)，所述電機(jī)(7)包括定子(71)和轉(zhuǎn)子(72)，所述電機(jī)(6)包括定子(62)和轉(zhuǎn)子(61)，所述轉(zhuǎn)子(71)固定在輸入軸(1)上，定子(72)與輸出軸(2)連接，所述轉(zhuǎn)子(61)固定在輸出軸(2)上，定子(62)固定在機(jī)座上；所述集流器(8)和定子(62)分別與功率電子控制器(5)中的AC-DC變換器(51)和DC-AC變頻逆變器(52)連接。
8.電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，包括輸入軸(1)、輸出軸(2)、機(jī)座(3)、功率電子控制器(5)，輸入軸(1)與輸出軸(2)同軸線地支承于機(jī)座(3)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括杯形體轉(zhuǎn)子(67)、轉(zhuǎn)子(73)、感應(yīng)次級(jí)線圈(82)；所述輸入軸(1)與杯形體轉(zhuǎn)子(67)固接，所述感應(yīng)次級(jí)線圈(82)位于輸出軸(2)端，固定在底座(3)上，所述轉(zhuǎn)子(73)與輸出軸(2)連接，有氣隙地穿過(guò)感應(yīng)次級(jí)線圈(82)，延伸到杯形轉(zhuǎn)子(67)開(kāi)口內(nèi)，其線圈軸向纏繞，分別與感應(yīng)次級(jí)線圈(82)與杯形轉(zhuǎn)子(67)配合，定子(62)固定在機(jī)座上，與杯形轉(zhuǎn)子(67)配合；附加調(diào)磁線圈(4)為周向纏繞在定子(62)鐵心上的環(huán)形槽內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)線與功率電子控制器(5)相連。
專利摘要一種電磁耦合無(wú)級(jí)變速器涉及車輛等的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，該無(wú)級(jí)變速器的集流器和定子分別與功率電子控制器中的AC－DC變換器和DC－AC變頻逆變器連接；輸入軸或者輸出軸通過(guò)集流器與轉(zhuǎn)子連接，轉(zhuǎn)子位于杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，與杯形轉(zhuǎn)子配合，杯形轉(zhuǎn)子一端與輸出軸或者輸入軸連接，定子固定在機(jī)座上，與杯形轉(zhuǎn)子配合。該無(wú)級(jí)變速器把級(jí)聯(lián)式電傳動(dòng)與電磁滑差耦合式機(jī)械傳動(dòng)柔為一體，并加上非接觸旋轉(zhuǎn)輸電，形成功率分匯流，配以變頻與調(diào)磁相結(jié)合的調(diào)速手段。在保持與常規(guī)電傳動(dòng)相當(dāng)?shù)膶拸V無(wú)級(jí)變速范圍的同時(shí)，總體傳動(dòng)效率提高、調(diào)控性能優(yōu)良、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，還可省去離合器及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等部件，或可直接作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的多能源動(dòng)力總成。
文檔編號(hào)H02K49/00GK2845305SQ200520055188
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2005年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月3日
發(fā)明者黃向東, 羅玉濤, 趙克剛, 周斯加, 楊榮山, 胡紅斐 申請(qǐng)人:廣州汽車工業(yè)集團(tuán)有限公司, 華南理工大學(xué), 廣州汽車技術(shù)中心