一種電—磁—機(jī)一體化的無(wú)級(jí)調(diào)速器的研究,中國(guó)減變速機(jī)協(xié)會(huì)

[align=center] [size=4] 一種電—磁—機(jī)一體化的無(wú)級(jí)調(diào)速器的研究[/size] [/align] 1 問(wèn)題的提出如何實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是怎樣綜合利用機(jī)電控制技術(shù)，達(dá)到其傳動(dòng)系統(tǒng)小型化、輕型化、多功能的目的。根據(jù)筆者對(duì)現(xiàn)有機(jī)械調(diào)速產(chǎn)品的調(diào)研分析認(rèn)為，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)裝置存在著匹配不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，電動(dòng)車的傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)能耗大、爬坡能力小的原因主要是由于電動(dòng)機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)的匹配不協(xié)調(diào)所致。為了克服上述缺陷，需要一種新的電、磁、機(jī)一體化無(wú)級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置，使傳動(dòng)總效率得到提高，并能實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)。 2 結(jié)構(gòu)組成電、磁、機(jī)一體化無(wú)級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置由電磁感應(yīng)傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和磁極位置傳感器、電子換向開關(guān)控制電路等三個(gè)基本部分組成，如圖1所示。本裝置的核心部分采用了結(jié)構(gòu)完全一樣的一對(duì)用永磁鋼材料制成的磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6和一對(duì)用高導(dǎo)磁率材料制成的固定電磁感應(yīng)輪5。磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的表面上嵌有兩個(gè)形如半圓環(huán)狀的磁鋼，組成兩極結(jié)構(gòu)。固定電磁感應(yīng)輪5的電樞鐵芯由硅鋼征呈三相對(duì)稱分布，電樞繞組位于每相的槽中。磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6與固定電磁感應(yīng)辦5間保持均勻圓環(huán)狀氣隙空間，在氣隙中磁通密度呈梯形分布。中心齒輪7、行星齒輪8、固定齒圈9、行星架10、輸出筒11組成了行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)給固定電磁感應(yīng)輪5通入電流時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁鋼磁場(chǎng)相互作用，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使與基相固定連接的磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)與其相固定連接的中心齒輪7，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳給行星架10，而后又傳給輸出筒11，完成運(yùn)動(dòng)傳遞。 [img]http://www.lvjiacn.com/Upload/whict2006112416571773.jpg[/img] 3 工作原理電、磁、機(jī)一體化無(wú)級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置，是利用電磁感應(yīng)原理，將磁力傳動(dòng)裝置和行星齒輪相成的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)合在一起，如圖2所示。位置傳感器用來(lái)檢測(cè)磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的磁極位置，它由光電變換元件組成，是一種無(wú)機(jī)械接觸的裝置。圖2中虛線表示它的檢測(cè)位置。在電子換向開關(guān)電路A、B、C中，各功率開關(guān)元件分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)子繞組關(guān)聯(lián)。各切率元件的導(dǎo)通與閉合，依據(jù)磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6位置，由傳感器給出的信號(hào)決定。 [img]http://www.lvjiacn.com/Upload/whict2006112417340415.jpg[/img] 由于三相繞組接線的電路是對(duì)稱布置的，為說(shuō)明固定電磁感應(yīng)輪5的電樞繞組電流和電壓變化情況，僅分析圖2中控制C相繞組的電子換向開關(guān)電路的4橋臂，它由兩個(gè)三極管和兩個(gè)反并聯(lián)的二級(jí)管組成。三極管導(dǎo)通與截止，由位置傳感器的信號(hào)控制。信號(hào)傳輸必須保證上、下位置兩個(gè)三極管不能同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)正值三極管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)三極管必須截止。這樣，可保證輸出電流Ic連續(xù)。因此，可由三位管開關(guān)狀態(tài)，確定輸出電壓Vco。設(shè)c繞組到地的電壓為Vco，此時(shí)，A的上位三極管導(dǎo)通時(shí)，若Ic為正，則Ic通過(guò)線圈；若Ic是正或負(fù)，c點(diǎn)電壓都與V相同；若上位三極管導(dǎo)通，下位三極管截止，此時(shí)Vco=V；若上位三極管截止，下位三極管導(dǎo)通，則Vco=V在B、C的橋臂上也可得出與上述相同的結(jié)果。各電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與電流的極性主向相一致，磁場(chǎng)強(qiáng)度則與電流的大小成比例，當(dāng)線圈繞組b開始勵(lì)磁，則磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的穩(wěn)定位置就會(huì)變化，順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，如果繞組線圈c開始勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6會(huì)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。如果固定電磁感應(yīng)輪5的電樞繞組通電相序?yàn)閍→b→c→a,此時(shí)，繞組線圈接邊不斷地進(jìn)行勵(lì)磁，磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6就會(huì)連續(xù)地進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。從根本上講，磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的磁鏈與梯形分布的氣隙磁場(chǎng)相互作用，形成了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)迫使磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6按其旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。若對(duì)輸入電流進(jìn)行控制，就能改變磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6速度的大小，因此，可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速控制。行星齒輪組成的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一、種自由度為1的減速機(jī)構(gòu)，通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)電流大小，就可以連續(xù)改變叫心齒輪7的轉(zhuǎn)速n7,s可使輸出筒11的速度連續(xù)改變，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 4無(wú)級(jí)調(diào)整器的數(shù)學(xué)模型由圖1所示的結(jié)構(gòu)和工作原理知，電、磁、機(jī)一體化的無(wú)級(jí)調(diào)速器結(jié)構(gòu)中的永磁鋼4、固定電磁感應(yīng)輪5、磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪 [img]http://www.lvjiacn.com/Upload/whict20061124165839686.jpg[/img] 6組成了兩個(gè)完全相同的Ic電磁相互轉(zhuǎn)換裝置，其可用兩個(gè)線圈La與內(nèi)組R串聯(lián)后又并聯(lián)在一起的電路模型等效。行星齒輪8、固定齒圈9、行星架10、輸出筒11組成機(jī)械結(jié)構(gòu)，可采用質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)等顏色。二者通過(guò)中心齒輪7相聯(lián)系，見(jiàn)圖3。圖中，La為電樞繞組的電感；La(t)為流過(guò)電樞繞的電流；u(t)為輸入電壓;em(t)為感應(yīng)電勢(shì)；T(t)為轉(zhuǎn)矩；J為機(jī)械部分折合到叫心齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ(t)為中心齒輪7轉(zhuǎn)角；由基爾霍夫定律,求得u(t)=La ………（1）考慮到一般情況下，R 和La都很小可以略去其對(duì)電壓影響，式（1）變?yōu)椋簎(t)=em(t)…………（2）根據(jù)電磁感應(yīng)定律，有： …………（3）式中：km為反電勢(shì)常數(shù)，所以： …………（4）根據(jù)牛頓第二定律，有：J 將上述關(guān)系代入得： ……（5）若能保持輸入電壓u(t)為常數(shù)，則式（5）變?yōu)椋? …………（6）根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用定律，有T(t)=kt×Ia(t)，其中kt，為力矩常數(shù)，代入式（1）經(jīng)過(guò)整理，可得：式（6）表明，輸出轉(zhuǎn)矩T（t）與輸入電壓u(t)呈正比關(guān)系。式（8）表明，輸出角速度w與輸入電流Ia(t)呈正比關(guān)系。若能實(shí)現(xiàn)u(t)、Ia(t)基本保持某一定值，則T（t）和輸出角速度dθ/d(t)=w基本保持在某一定值不變。若u(t)和Ia(t)在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，則可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出角速度的平穩(wěn)變化。 5 輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的簡(jiǎn)化公式 5.1輸出轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式由電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速計(jì)算公式求得中心齒輪7的轉(zhuǎn)速為：式中：地f為頻率，HZ；P為極對(duì)數(shù)。由件7、8、9、10組成的行星減速器（見(jiàn)圖），其傳動(dòng)速比的計(jì)算如下：設(shè)中心齒輪7的轉(zhuǎn)速為n7(與磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的轉(zhuǎn)速相同)；行星架10的轉(zhuǎn)速為n11（與輸出筒11的轉(zhuǎn)速相同）；各齒輪齒數(shù)分別為：Z7、Z8、Z9。根據(jù)行星齒輪減速器傳動(dòng)速比計(jì)算方法行：因，代入式（10），整理后得輸出轉(zhuǎn)速：連續(xù)調(diào)節(jié)頻率地f的大小，可使輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)改變，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整。 5.2輸出轉(zhuǎn)矩的簡(jiǎn)化公式 [img]http://www.lvjiacn.com/Upload/whict20061124165932957.jpg[/img] 輸出轉(zhuǎn)矩主工由兩組相同結(jié)構(gòu)的電磁相互轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生，如圖4所示，在固定電磁感應(yīng)輪5和磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6之間，由于磁的相互作用，產(chǎn)生推力F和磁轉(zhuǎn)矩T（t）。由圖2知，兩固定電磁感應(yīng)輪5（見(jiàn)圖1）的線圈繞組，其匝數(shù)N、導(dǎo)線材料、規(guī)格、尺寸、安置方式，勵(lì)磁方式完全一樣，固定電磁感應(yīng)輪因此，它們產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也一樣，根據(jù)文獻(xiàn)[3]可得到圓周力F的計(jì)算公式：式中：為空氣導(dǎo)磁率，；F為推力；IN為安匝數(shù)；D為徑向間隙；DO為磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪外徑；X為磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪表面相對(duì)于某相固定繞組的位移, 。經(jīng)過(guò)整理得： …………（12）則輸出轉(zhuǎn)矩T為： 6 試驗(yàn)及其結(jié)果 6.1試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù) 根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電、磁、機(jī)一體化無(wú)級(jí)調(diào)速器其數(shù)據(jù)如下：中心齒輪Z7=24，行星齒輪Z8=12，固定齒圈Z9=48，其變速比為3。固定電磁感應(yīng)輪形成一對(duì)極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（p=1）電流頻率f=50Hz，可計(jì)算出該裝置的輸出最高轉(zhuǎn)速為1000r/min。通過(guò)調(diào)節(jié)頻率的變化，可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速由100~1000r/min的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。將式（11）中的有關(guān)數(shù)據(jù)取為常數(shù)K（對(duì)于一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)），可將式（13）改寫為： ……（14） 6.2試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介圖5所示為電、磁、機(jī)一體化的無(wú)級(jí)調(diào)速器的試驗(yàn)裝置，基加載是靠砝碼W逐塊加入。根據(jù)力的平衡關(guān)系，可計(jì)算出輸出筒上的阻力矩Tb為： [img]http://www.lvjiacn.com/Upload/whict2006112417056934.jpg[/img] 6.3試驗(yàn)方法、項(xiàng)目及數(shù)據(jù)分析在額定電壓下空載運(yùn)行數(shù)分鐘，行查看產(chǎn)品的外形及表面質(zhì)量，對(duì)緊固件作檢查，然后進(jìn)行反復(fù)多次啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、停止試驗(yàn)；監(jiān)聽齒輪箱和工作機(jī)構(gòu)的噪聲；分析判斷總裝配后的質(zhì)量是否符合技術(shù)條件要求。試驗(yàn)項(xiàng)目包括電氣參數(shù)、工作特性的試驗(yàn)和機(jī)械性能、技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)兩大部分。電氣參數(shù)、工作持性的試驗(yàn)內(nèi)容：1）空載電流的測(cè)量；2）空載功率的測(cè)量；3）空載轉(zhuǎn)速的測(cè)量；4）短路電流和損耗的測(cè)量；5）繞組匝間絕緣試驗(yàn)；6）冷態(tài)下繞組電阻的測(cè)量；7）繞組對(duì)機(jī)殼的絕緣電阻的測(cè)量。機(jī)械性能分析、技術(shù)參數(shù)研究的試驗(yàn)內(nèi)容：在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)試制中，為了查明產(chǎn)品的技術(shù)特性和參數(shù)，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)相比較，以獲得進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)性能的途徑，試驗(yàn)內(nèi)容如下： 1）發(fā)試驗(yàn) 2）超速試驗(yàn)； 3）減速器的空載損耗測(cè)量及其效率； 4）減速器輸出轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、工作效率及最大工作效率的測(cè)量。由于試驗(yàn)項(xiàng)目多，現(xiàn)僅對(duì)傳動(dòng)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。 [align=center] 表1 傳動(dòng)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù)及分析[/align] [img]http://www.lvjiacn.com/Upload/whict2006112582520570.jpg[/img] 對(duì)表1數(shù)據(jù)分析如下 1）輸入轉(zhuǎn)矩T是根據(jù)試驗(yàn)裝置的電流傳感器檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算而得；輸出轉(zhuǎn)速n11由速度傳感器測(cè)得；利用加重塊W產(chǎn)生制動(dòng)力矩，可測(cè)出其輸出轉(zhuǎn)矩Tb。數(shù)據(jù)顯示與用所推導(dǎo)公式計(jì)算，誤差在5%左右。當(dāng)?shù)退贂r(shí)誤差超過(guò)10%。 2）隨著輸入電流I的增加，扭矩也在增加。扭矩?cái)?shù)值與實(shí)測(cè)誤差加大，主要是由于功率消耗在變速器各部分的摩擦上。當(dāng)轉(zhuǎn)速在200r/min以上時(shí)，功率損失較小。 7結(jié)論 1）電、磁、機(jī)一體化的無(wú)級(jí)調(diào)整器的研究，主要是針對(duì)那些需要體積小、防塵、密封要求高、傳遞扭矩不大的機(jī)械。 2）本結(jié)構(gòu)采用特殊的并聯(lián)固定電磁感應(yīng)辦和磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪的組合設(shè)計(jì)，使在通入電流時(shí)，封閉磁路中產(chǎn)生更強(qiáng)的磁通，導(dǎo)致在空氣隙中，產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使磁轉(zhuǎn)矩增大。 3）電、磁、機(jī)一體化無(wú)級(jí)調(diào)速器，可使得傳動(dòng)變得更為可靠。實(shí)測(cè)表明，傳動(dòng)總效率較以往的機(jī)電分離設(shè)計(jì)有一定的提高。 4）可替代現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是本調(diào)速器可實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)（關(guān)于此結(jié)論，將在后續(xù)文章中說(shuō)明），因此，當(dāng)電動(dòng)車在有坡度的路面行駛時(shí)，其輸出功率保持不變、傳扭矩隨行駛速度自動(dòng)改變。


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