一种电—磁—机一体化的无级调速器的研究,中国减变速机协会

[align=center] [size=4] 一种电—磁—机一体化的无级调速器的研究[/size] [/align] 1 问题的提出如何实现无级变速传动的关键问题之一是怎样综合利用机电控制技术，达到其传动系统小型化、轻型化、多功能的目的。根据笔者对现有机械调速产品的调研分析认为，机械传动系统装置存在着匹配不合理的结构设计。例如，电动车的传动调速系统能耗大、爬坡能力小的原因主要是由于电动机和调速系统的匹配不协调所致。为了克服上述缺陷，需要一种新的电、磁、机一体化无级调速传动装置，使传动总效率得到提高，并能实现恒功率传动。 2 结构组成电、磁、机一体化无级调速传动装置由电磁感应传动、机械传动和磁极位置传感器、电子换向开关控制电路等三个基本部分组成，如图1所示。本装置的核心部分采用了结构完全一样的一对用永磁钢材料制成的磁性转动轮6和一对用高导磁率材料制成的固定电磁感应轮5。磁性转动轮6的表面上嵌有两个形如半圆环状的磁钢，组成两极结构。固定电磁感应轮5的电枢铁芯由硅钢征呈三相对称分布，电枢绕组位于每相的槽中。磁性转动轮6与固定电磁感应办5间保持均匀圆环状气隙空间，在气隙中磁通密度呈梯形分布。中心齿轮7、行星齿轮8、固定齿圈9、行星架10、输出筒11组成了行星齿轮传动机构。当给固定电磁感应轮5通入电流时，其产生的磁场与永磁钢磁场相互作用，形成旋转磁场，使与基相固定连接的磁性转动轮6转动，并通过与其相固定连接的中心齿轮7，将转动传给行星架10，而后又传给输出筒11，完成运动传递。 [img]http://www.jiansuji001.com/Upload/whict2006112416571773.jpg[/img] 3 工作原理电、磁、机一体化无级调速传动装置，是利用电磁感应原理，将磁力传动装置和行星齿轮相成的机械传动结合在一起，如图2所示。位置传感器用来检测磁性转动轮6的磁极位置，它由光电变换元件组成，是一种无机械接触的装置。图2中虚线表示它的检测位置。在电子换向开关电路A、B、C中，各功率开关元件分别与相应的转子绕组关联。各切率元件的导通与闭合，依据磁性转动轮6位置，由传感器给出的信号决定。 [img]http://www.jiansuji001.com/Upload/whict2006112417340415.jpg[/img] 由于三相绕组接线的电路是对称布置的，为说明固定电磁感应轮5的电枢绕组电流和电压变化情况，仅分析图2中控制C相绕组的电子换向开关电路的4桥臂，它由两个三极管和两个反并联的二级管组成。三极管导通与截止，由位置传感器的信号控制。信号传输必须保证上、下位置两个三极管不能同时导通，当正值三极管导通时，另一个三极管必须截止。这样，可保证输出电流Ic连续。因此，可由三位管开关状态，确定输出电压Vco。设c绕组到地的电压为Vco，此时，A的上位三极管导通时，若Ic为正，则Ic通过线圈；若Ic是正或负，c点电压都与V相同；若上位三极管导通，下位三极管截止，此时Vco=V；若上位三极管截止，下位三极管导通，则Vco=V在B、C的桥臂上也可得出与上述相同的结果。各电枢绕组产生的磁场方向与电流的极性主向相一致，磁场强度则与电流的大小成比例，当线圈绕组b开始励磁，则磁性转动轮6的稳定位置就会变化，顺着旋转磁场方向转动。其次，如果绕组线圈c开始励磁，转子磁性转动轮6会进一步旋转。如果固定电磁感应轮5的电枢绕组通电相序为a→b→c→a,此时，绕组线圈接边不断地进行励磁，磁性转动轮6就会连续地进行转动。从根本上讲，磁性转动轮6的磁链与梯形分布的气隙磁场相互作用，形成了旋转磁场，旋转磁场迫使磁性转动轮6按其旋转方向转动。若对输入电流进行控制，就能改变磁性转动轮6速度的大小，因此，可进行无级调速控制。行星齿轮组成的机械传动机构是一、种自由度为1的减速机构，通过连续调节电流大小，就可以连续改变叫心齿轮7的转速n7,s可使输出筒11的速度连续改变，从而实现无级调速。 4无级调整器的数学模型由图1所示的结构和工作原理知，电、磁、机一体化的无级调速器结构中的永磁钢4、固定电磁感应轮5、磁性转动轮 [img]http://www.jiansuji001.com/Upload/whict20061124165839686.jpg[/img] 6组成了两个完全相同的Ic电磁相互转换装置，其可用两个线圈La与内组R串联后又并联在一起的电路模型等效。行星齿轮8、固定齿圈9、行星架10、输出筒11组成机械结构，可采用质量-阻尼系统等颜色。二者通过中心齿轮7相联系，见图3。图中，La为电枢绕组的电感；La(t)为流过电枢绕的电流；u(t)为输入电压;em(t)为感应电势；T(t)为转矩；J为机械部分折合到叫心齿轮的转动惯量；θ(t)为中心齿轮7转角；由基尔霍夫定律,求得u(t)=La ………（1）考虑到一般情况下，R 和La都很小可以略去其对电压影响，式（1）变为：u(t)=em(t)…………（2）根据电磁感应定律，有： …………（3）式中：km为反电势常数，所以： …………（4）根据牛顿第二定律，有：J 将上述关系代入得： ……（5）若能保持输入电压u(t)为常数，则式（5）变为： …………（6）根据磁场对载流线圈的作用定律，有T(t)=kt×Ia(t)，其中kt，为力矩常数，代入式（1）经过整理，可得：式（6）表明，输出转矩T（t）与输入电压u(t)呈正比关系。式（8）表明，输出角速度w与输入电流Ia(t)呈正比关系。若能实现u(t)、Ia(t)基本保持某一定值，则T（t）和输出角速度dθ/d(t)=w基本保持在某一定值不变。若u(t)和Ia(t)在一定范围内连续变化，则可实现输出转矩和输出角速度的平稳变化。 5 输出转速和输出转矩的简化公式 5.1输出转速的计算公式由电动机同步转速计算公式求得中心齿轮7的转速为：式中：地f为频率，HZ；P为极对数。由件7、8、9、10组成的行星减速器（见图），其传动速比的计算如下：设中心齿轮7的转速为n7(与磁性转动轮6的转速相同)；行星架10的转速为n11（与输出筒11的转速相同）；各齿轮齿数分别为：Z7、Z8、Z9。根据行星齿轮减速器传动速比计算方法行：因，代入式（10），整理后得输出转速：连续调节频率地f的大小，可使输出转速连续改变，从而实现无级调整。 5.2输出转矩的简化公式 [img]http://www.jiansuji001.com/Upload/whict20061124165932957.jpg[/img] 输出转矩主工由两组相同结构的电磁相互转换装置产生，如图4所示，在固定电磁感应轮5和磁性转动轮6之间，由于磁的相互作用，产生推力F和磁转矩T（t）。由图2知，两固定电磁感应轮5（见图1）的线圈绕组，其匝数N、导线材料、规格、尺寸、安置方式，励磁方式完全一样，固定电磁感应轮因此，它们产生的旋转磁场也一样，根据文献[3]可得到圆周力F的计算公式：式中：为空气导磁率，；F为推力；IN为安匝数；D为径向间隙；DO为磁性转动轮外径；X为磁性转动轮表面相对于某相固定绕组的位移, 。经过整理得： …………（12）则输出转矩T为： 6 试验及其结果 6.1试验样机参数根据图1结构设计的电、磁、机一体化无级调速器其数据如下：中心齿轮Z7=24，行星齿轮Z8=12，固定齿圈Z9=48，其变速比为3。固定电磁感应轮形成一对极的旋转磁场（p=1）电流频率f=50Hz，可计算出该装置的输出最高转速为1000r/min。通过调节频率的变化，可实现输出转速由100~1000r/min的无级调节。将式（11）中的有关数据取为常数K（对于一个特定的结构），可将式（13）改写为： ……（14） 6.2试验装置简介图5所示为电、磁、机一体化的无级调速器的试验装置，基加载是靠砝码W逐块加入。根据力的平衡关系，可计算出输出筒上的阻力矩Tb为： [img]http://www.jiansuji001.com/Upload/whict2006112417056934.jpg[/img] 6.3试验方法、项目及数据分析在额定电压下空载运行数分钟，行查看产品的外形及表面质量，对紧固件作检查，然后进行反复多次启动、运转、停止试验；监听齿轮箱和工作机构的噪声；分析判断总装配后的质量是否符合技术条件要求。试验项目包括电气参数、工作特性的试验和机械性能、技术参数的试验两大部分。电气参数、工作持性的试验内容：1）空载电流的测量；2）空载功率的测量；3）空载转速的测量；4）短路电流和损耗的测量；5）绕组匝间绝缘试验；6）冷态下绕组电阻的测量；7）绕组对机壳的绝缘电阻的测量。机械性能分析、技术参数研究的试验内容：在新产品设计试制中，为了查明产品的技术特性和参数，并与设计目标相比较，以获得进一步改善结构性能的途径，试验内容如下： 1）发试验 2）超速试验； 3）减速器的空载损耗测量及其效率； 4）减速器输出转速、输出扭矩、工作效率及最大工作效率的测量。由于试验项目多，现仅对传动扭矩测量数据进行分析，见表1。 [align=center] 表1 传动扭矩测量数据及分析[/align] [img]http://www.jiansuji001.com/Upload/whict2006112582520570.jpg[/img] 对表1数据分析如下 1）输入转矩T是根据试验装置的电流传感器检测信号，通过计算而得；输出转速n11由速度传感器测得；利用加重块W产生制动力矩，可测出其输出转矩Tb。数据显示与用所推导公式计算，误差在5%左右。当低速时误差超过10%。 2）随着输入电流I的增加，扭矩也在增加。扭矩数值与实测误差加大，主要是由于功率消耗在变速器各部分的摩擦上。当转速在200r/min以上时，功率损失较小。 7结论 1）电、磁、机一体化的无级调整器的研究，主要是针对那些需要体积小、防尘、密封要求高、传递扭矩不大的机械。 2）本结构采用特殊的并联固定电磁感应办和磁性转动轮的组合设计，使在通入电流时，封闭磁路中产生更强的磁通，导致在空气隙中，产生更大的旋转磁场，使磁转矩增大。 3）电、磁、机一体化无级调速器，可使得传动变得更为可靠。实测表明，传动总效率较以往的机电分离设计有一定的提高。 4）可替代现有电动机的传动，其优点是本调速器可实现恒功率传动（关于此结论，将在后续文章中说明），因此，当电动车在有坡度的路面行驶时，其输出功率保持不变、传扭矩随行驶速度自动改变。


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