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[align=center] [size=4] 一種電—磁—機(jī)一體化的無級(jí)調(diào)速器的研究[/size] [/align] 1 問題的提出如何實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速傳動(dòng)的關(guān)鍵問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)小型化卢历、輕型化、多功能的目的丸爵。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)為蜒秤，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)。例如亚斋，電動(dòng)車的傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)能耗大作媚、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。為了克服上述缺陷帅刊，需要一種新的電纸泡、磁、機(jī)一體化無級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置赖瞒，使傳動(dòng)總效率得到提高女揭，并能實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)。 2 結(jié)構(gòu)組成電栏饮、磁吧兔、機(jī)一體化無級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置由電磁感應(yīng)傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和磁極位置傳感器袍嬉、電子換向開關(guān)控制電路等三個(gè)基本部分組成境蔼，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伺通。磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的表面上嵌有兩個(gè)形如半圓環(huán)狀的磁鋼箍土，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)稱分布嫌隆，電樞繞組位于每相的槽中逸讹。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宗瓢。中心齒輪7徒妒、行星齒輪8痢抹、固定齒圈9旷厨、行星架10、輸出筒11組成了行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)院籍。當(dāng)給固定電磁感應(yīng)輪5通入電流時(shí)腋意，其產(chǎn)生的磁場與永磁鋼磁場相互作用，形成旋轉(zhuǎn)磁場衡达，使與基相固定連接的磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6轉(zhuǎn)動(dòng)往软，并通過與其相固定連接的中心齒輪7，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳給行星架10郎抖，而后又傳給輸出筒11哟蝉，完成運(yùn)動(dòng)傳遞蜓耻。 [img]http://www.lymhtxw.com/Upload/whict2006112416571773.jpg[/img] 3 工作原理電、磁械巡、機(jī)一體化無級(jí)調(diào)速傳動(dòng)裝置刹淌，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)合在一起讥耗，如圖2所示有勾。位置傳感器用來檢測磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的磁極位置，它由光電變換元件組成古程，是一種無機(jī)械接觸的裝置蔼卡。圖2中虛線表示它的檢測位置。在電子換向開關(guān)電路A挣磨、B雇逞、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)茁裙。各切率元件的導(dǎo)通與閉合喝峦，依據(jù)磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6位置，由傳感器給出的信號(hào)決定呜达。 [img]http://www.lymhtxw.com/Upload/whict2006112417340415.jpg[/img] 由于三相繞組接線的電路是對(duì)稱布置的姚垂，為說明固定電磁感應(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橋臂槽脑，它由兩個(gè)三極管和兩個(gè)反并聯(lián)的二級(jí)管組成障氛。三極管導(dǎo)通與截止，由位置傳感器的信號(hào)控制煌摊。信號(hào)傳輸必須保證上衫沽、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)资杆，另一個(gè)三極管必須截止酒吠。這樣，可保證輸出電流Ic連續(xù)课陪。因此唇佳，可由三位管開關(guān)狀態(tài)，確定輸出電壓Vco贱钩。設(shè)c繞組到地的電壓為Vco杆叛，此時(shí)，A的上位三極管導(dǎo)通時(shí)唉堪，若Ic為正模聋，則Ic通過線圈；若Ic是正或負(fù)唠亚，c點(diǎn)電壓都與V相同链方；若上位三極管導(dǎo)通持痰，下位三極管截止，此時(shí)Vco=V祟蚀；若上位三極管截止共啃，下位三極管導(dǎo)通，則Vco=V在B暂题、C的橋臂上也可得出與上述相同的結(jié)果移剪。各電樞繞組產(chǎn)生的磁場方向與電流的極性主向相一致，磁場強(qiáng)度則與電流的大小成比例薪者，當(dāng)線圈繞組b開始勵(lì)磁纵苛，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)磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)言津。其次攻人，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)署氏。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)腋殃，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)晓够。從根本上講燕党，磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6的磁鏈與梯形分布的氣隙磁場相互作用，形成了旋轉(zhuǎn)磁場擅锚，旋轉(zhuǎn)磁場迫使磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6按其旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)悉宿。若對(duì)輸入電流進(jìn)行控制，就能改變磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6速度的大小赊真，因此涝睁，可進(jìn)行無級(jí)調(diào)速控制。行星齒輪組成的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一盒蚁、種自由度為1的減速機(jī)構(gòu)示祭，通過連續(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)改變陋晒，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速咽蚣。 4無級(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，電精置、磁计寇、機(jī)一體化的無級(jí)調(diào)速器結(jié)構(gòu)中的永磁鋼4锣杂、固定電磁感應(yīng)輪5脂倦、磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪 [img]http://www.lymhtxw.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元莫。行星齒輪8赖阻、固定齒圈9蝶押、行星架10、輸出筒11組成機(jī)械結(jié)構(gòu)火欧，可采用質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)等顏色棋电。二者通過中心齒輪7相聯(lián)系，見圖3苇侵。圖中赶盔，La為電樞繞組的電感；La(t)為流過電樞繞的電流榆浓；u(t)為輸入電壓;em(t)為感應(yīng)電勢于未；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)慣量殴衡；θ(t)為中心齒輪7轉(zhuǎn)角币沫；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)電壓影響蟀腌，式（1）變?yōu)椋簎(t)=em(t)…………（2）根據(jù)電磁感應(yīng)定律番雀，有： …………（3）式中：km為反電勢常數(shù)，所以： …………（4）根據(jù)牛頓第二定律抠偏，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)阶押，則式（5）變?yōu)椋? …………（6）根據(jù)磁場對(duì)載流線圈的作用定律，有T(t)=kt×Ia(t)鞋剔，其中kt讶里，為力矩常數(shù)，代入式（1）經(jīng)過整理剑督，可得：式（6）表明谆精，輸出轉(zhuǎn)矩T（t）與輸入電壓u(t)呈正比關(guān)系。式（8）表明菠食，輸出角速度w與輸入電流Ia(t)呈正比關(guān)系浮笔。若能實(shí)現(xiàn)u(t)、Ia(t)基本保持某一定值瓣铣，則T（t）和輸出角速度dθ/d(t)=w基本保持在某一定值不變答朋。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)變化棠笑。 5 輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的簡化公式 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為頻率梦碗，HZ；P為極對(duì)數(shù)蓖救。由件7洪规、8、9、10組成的行星減速器（見圖）斩例，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)雄人；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念赶、Z8础钠、Z9。根據(jù)行星齒輪減速器傳動(dòng)速比計(jì)算方法行：因叉谜，代入式（10）拓酵，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)改變缆乐，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)整仑连。 5.2輸出轉(zhuǎn)矩的簡化公式 [img]http://www.lymhtxw.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所示遣拔，在固定電磁感應(yīng)輪5和磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪6之間瀑尔，由于磁的相互作用，產(chǎn)生推力F和磁轉(zhuǎn)矩T（t）嘶刚。由圖2知元糯，兩固定電磁感應(yīng)輪5（見圖1）的線圈繞組，其匝數(shù)N紧碴、導(dǎo)線材料旷程、規(guī)格、尺寸拔较、安置方式起衫，勵(lì)磁方式完全一樣，固定電磁感應(yīng)輪因此槽畔，它們產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場也一樣栈妆，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，厢钧；F為推力鳞尔；IN為安匝數(shù)；D為徑向間隙早直；DO為磁性轉(zhuǎn)動(dòng)輪外徑寥假；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)的電霞扬、磁糕韧、機(jī)一體化無級(jí)調(diào)速器其數(shù)據(jù)如下：中心齒輪Z7=24，行星齒輪Z8=12喻圃，固定齒圈Z9=48萤彩，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（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乒疏。通過調(diào)節(jié)頻率的變化额衙，可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速由100~1000r/min的無級(jí)調(diào)節(jié)饮焦。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)）善薪，可將式（13）改寫為： ……（14） 6.2試驗(yàn)裝置簡介圖5所示為電、磁甫蚊、機(jī)一體化的無級(jí)調(diào)速器的試驗(yàn)裝置由瞒，基加載是靠砝碼W逐塊加入。根據(jù)力的平衡關(guān)系即贰，可計(jì)算出輸出筒上的阻力矩Tb為： [img]http://www.lymhtxw.com/Upload/whict2006112417056934.jpg[/img] 6.3試驗(yàn)方法个懒、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)量疲籍，對(duì)緊固件作檢查乌爪，然后進(jìn)行反復(fù)多次啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)谐浆、停止試驗(yàn)经褒；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)條件要求姿记。試驗(yàn)項(xiàng)目包括電氣參數(shù)哈讯、工作特性的試驗(yàn)和機(jī)械性能、技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)兩大部分梧却。電氣參數(shù)奇颠、工作持性的試驗(yàn)內(nèi)容：1）空載電流的測量；2）空載功率的測量放航；3）空載轉(zhuǎn)速的測量烈拒；4）短路電流和損耗的測量；5）繞組匝間絕緣試驗(yàn)广鳍；6）冷態(tài)下繞組電阻的測量缺菌；7）繞組對(duì)機(jī)殼的絕緣電阻的測量。機(jī)械性能分析搜锰、技術(shù)參數(shù)研究的試驗(yàn)內(nèi)容：在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)試制中伴郁，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)相比較蛋叼，以獲得進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)性能的途徑焊傅，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量及其效率狈涮； 4）減速器輸出轉(zhuǎn)速狐胎、輸出扭矩、工作效率及最大工作效率的測量。由于試驗(yàn)項(xiàng)目多粮按，現(xiàn)僅對(duì)傳動(dòng)扭矩測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析忽浓，見表1。 [align=center] 表1 傳動(dòng)扭矩測量數(shù)據(jù)及分析[/align] [img]http://www.lymhtxw.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信號(hào)已转，通過計(jì)算而得矮憔；輸出轉(zhuǎn)速n11由速度傳感器測得；利用加重塊W產(chǎn)生制動(dòng)力矩渗送，可測出其輸出轉(zhuǎn)矩Tb遭绝。數(shù)據(jù)顯示與用所推導(dǎo)公式計(jì)算，誤差在5%左右泰四。當(dāng)?shù)退贂r(shí)誤差超過10%零硫。 2）隨著輸入電流I的增加，扭矩也在增加兔页。扭矩?cái)?shù)值與實(shí)測誤差加大萄蕾，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)俄洞，功率損失較小以躯。 7結(jié)論 1）電、磁儒拂、機(jī)一體化的無級(jí)調(diào)整器的研究寸潦，主要是針對(duì)那些需要體積小、防塵社痛、密封要求高见转、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)蒜哀，使在通入電流時(shí)斩箫，封閉磁路中產(chǎn)生更強(qiáng)的磁通，導(dǎo)致在空氣隙中撵儿，產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)磁場乘客，使磁轉(zhuǎn)矩增大。 3）電淀歇、磁易核、機(jī)一體化無級(jí)調(diào)速器，可使得傳動(dòng)變得更為可靠浪默。實(shí)測表明牡直，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)薛淆，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)論甜芭，將在后續(xù)文章中說明）匿贴，因此，當(dāng)電動(dòng)車在有坡度的路面行駛時(shí)霸臂，其輸出功率保持不變耗述、傳扭矩隨行駛速度自動(dòng)改變。


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