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[align=center] [size=4] 一種電—磁—機一體化的無級調速器的研究[/size] [/align] 1 問題的提出如何實現無級變速傳動的關鍵問題之一是怎樣綜合利用機電控制技術，達到其傳動系統小型化、輕型化、多功能的目的。根據筆者對現有機械調速產品的調研分析認為，機械傳動系統裝置存在著匹配不合理的結構設計。例如，電動車的傳動調速系統能耗大、爬坡能力小的原因主要是由于電動機和調速系統的匹配不協調所致。為了克服上述缺陷，需要一種新的電、磁、機一體化無級調速傳動裝置，使傳動總效率得到提高，并能實現恒功率傳動。 2 結構組成電、磁、機一體化無級調速傳動裝置由電磁感應傳動、機械傳動和磁極位置傳感器、電子換向開關控制電路等三個基本部分組成，如圖1所示。本裝置的核心部分采用了結構完全一樣的一對用永磁鋼材料制成的磁性轉動輪6和一對用高導磁率材料制成的固定電磁感應輪5。磁性轉動輪6的表面上嵌有兩個形如半圓環狀的磁鋼，組成兩極結構。固定電磁感應輪5的電樞鐵芯由硅鋼征呈三相對稱分布，電樞繞組位于每相的槽中。磁性轉動輪6與固定電磁感應辦5間保持均勻圓環狀氣隙空間，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機構。當給固定電磁感應輪5通入電流時，其產生的磁場與永磁鋼磁場相互作用，形成旋轉磁場，使與基相固定連接的磁性轉動輪6轉動，并通過與其相固定連接的中心齒輪7，將轉動傳給行星架10，而后又傳給輸出筒11，完成運動傳遞。 [img]http://m.yashegy.com/Upload/whict2006112416571773.jpg[/img] 3 工作原理電、磁、機一體化無級調速傳動裝置，是利用電磁感應原理，將磁力傳動裝置和行星齒輪相成的機械傳動結合在一起，如圖2所示。位置傳感器用來檢測磁性轉動輪6的磁極位置，它由光電變換元件組成，是一種無機械接觸的裝置。圖2中虛線表示它的檢測位置。在電子換向開關電路A、B、C中，各功率開關元件分別與相應的轉子繞組關聯。各切率元件的導通與閉合，依據磁性轉動輪6位置，由傳感器給出的信號決定。 [img]http://m.yashegy.com/Upload/whict2006112417340415.jpg[/img] 由于三相繞組接線的電路是對稱布置的，為說明固定電磁感應輪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電路的4橋臂，它由兩個三極管和兩個反并聯的二級管組成。三極管導通與截止，由位置傳感器的信號控制。信號傳輸必須保證上、下位置兩個三極管不能同時導通，當正值三極管導通時，另一個三極管必須截止。這樣，可保證輸出電流Ic連續。因此，可由三位管開關狀態，確定輸出電壓Vco。設c繞組到地的電壓為Vco，此時，A的上位三極管導通時，若Ic為正，則Ic通過線圈；若Ic是正或負，c點電壓都與V相同；若上位三極管導通，下位三極管截止，此時Vco=V；若上位三極管截止，下位三極管導通，則Vco=V在B、C的橋臂上也可得出與上述相同的結果。各電樞繞組產生的磁場方向與電流的極性主向相一致，磁場強度則與電流的大小成比例，當線圈繞組b開始勵磁，則磁性轉動輪6的穩定位置就會變化，順著旋轉磁場方向轉動。其次，如果繞組線圈c開始勵磁，轉子磁性轉動輪6會進一步旋轉。如果固定電磁感應輪5的電樞繞組通電相序為a→b→c→a,此時，繞組線圈接邊不斷地進行勵磁，磁性轉動輪6就會連續地進行轉動。從根本上講，磁性轉動輪6的磁鏈與梯形分布的氣隙磁場相互作用，形成了旋轉磁場，旋轉磁場迫使磁性轉動輪6按其旋轉方向轉動。若對輸入電流進行控制，就能改變磁性轉動輪6速度的大小，因此，可進行無級調速控制。行星齒輪組成的機械傳動機構是一、種自由度為1的減速機構，通過連續調節電流大小，就可以連續改變叫心齒輪7的轉速n7,s可使輸出筒11的速度連續改變，從而實現無級調速。 4無級調整器的數學模型由圖1所示的結構和工作原理知，電、磁、機一體化的無級調速器結構中的永磁鋼4、固定電磁感應輪5、磁性轉動輪 [img]http://m.yashegy.com/Upload/whict20061124165839686.jpg[/img] 6組成了兩個完全相同的Ic電磁相互轉換裝置，其可用兩個線圈La與內組R串聯后又并聯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組成機械結構，可采用質量-阻尼系統等顏色。二者通過中心齒輪7相聯系，見圖3。圖中，La為電樞繞組的電感；La(t)為流過電樞繞的電流；u(t)為輸入電壓;em(t)為感應電勢；T(t)為轉矩；J為機械部分折合到叫心齒輪的轉動慣量；θ(t)為中心齒輪7轉角；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電壓影響，式（1）變為：u(t)=em(t)…………（2）根據電磁感應定律，有： …………（3）式中：km為反電勢常數，所以： …………（4）根據牛頓第二定律，有：J 將上述關系代入得： ……（5）若能保持輸入電壓u(t)為常數，則式（5）變為： …………（6）根據磁場對載流線圈的作用定律，有T(t)=kt×Ia(t)，其中kt，為力矩常數，代入式（1）經過整理，可得：式（6）表明，輸出轉矩T（t）與輸入電壓u(t)呈正比關系。式（8）表明，輸出角速度w與輸入電流Ia(t)呈正比關系。若能實現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)在一定范圍內連續變化，則可實現輸出轉矩和輸出角速度的平穩變化。 5 輸出轉速和輸出轉矩的簡化公式 5.1輸出轉速的計算公式由電動機同步轉速計算公式求得中心齒輪7的轉速為：式中：地f為頻率，HZ；P為極對數。由件7、8、9、10組成的行星減速器（見圖），其傳動速比的計算如下：設中心齒輪7的轉速為n7(與磁性轉動輪6的轉速相同)；行星架10的轉速為n11（與輸出筒11的轉速相同）；各齒輪齒數分別為：Z7、Z8、Z9。根據行星齒輪減速器傳動速比計算方法行：因，代入式（10），整理后得輸出轉速：連續調節頻率地f的大小，可使輸出轉速連續改變，從而實現無級調整。 5.2輸出轉矩的簡化公式 [img]http://m.yashegy.com/Upload/whict20061124165932957.jpg[/img] 輸出轉矩主工由兩組相同結構的電磁相互轉換裝置產生，如圖4所示，在固定電磁感應輪5和磁性轉動輪6之間，由于磁的相互作用，產生推力F和磁轉矩T（t）。由圖2知，兩固定電磁感應輪5（見圖1）的線圈繞組，其匝數N、導線材料、規格、尺寸、安置方式，勵磁方式完全一樣，固定電磁感應輪因此，它們產生的旋轉磁場也一樣，根據文獻[3]可得到圓周力F的計算公式：式中：為空氣導磁率，；F為推力；IN為安匝數；D為徑向間隙；DO為磁性轉動輪外徑；X為磁性轉動輪表面相對于某相固定繞組的位移, 。經過整理得： …………（12）則輸出轉矩T為： 6 試驗及其結果 6.1試驗樣機參數根據圖1結構設計的電、磁、機一體化無級調速器其數據如下：中心齒輪Z7=24，行星齒輪Z8=12，固定齒圈Z9=48，其變速比為3。固定電磁感應輪形成一對極的旋轉磁場（p=1）電流頻率f=50Hz，可計算出該裝置的輸出最高轉速為1000r/min。通過調節頻率的變化，可實現輸出轉速由100~1000r/min的無級調節。將式（11）中的有關數據取為常數K（對于一個特定的結構），可將式（13）改寫為： ……（14） 6.2試驗裝置簡介圖5所示為電、磁、機一體化的無級調速器的試驗裝置，基加載是靠砝碼W逐塊加入。根據力的平衡關系，可計算出輸出筒上的阻力矩Tb為： [img]http://m.yashegy.com/Upload/whict2006112417056934.jpg[/img] 6.3試驗方法、項目及數據分析在額定電壓下空載運行數分鐘，行查看產品的外形及表面質量，對緊固件作檢查，然后進行反復多次啟動、運轉、停止試驗；監聽齒輪箱和工作機構的噪聲；分析判斷總裝配后的質量是否符合技術條件要求。試驗項目包括電氣參數、工作特性的試驗和機械性能、技術參數的試驗兩大部分。電氣參數、工作持性的試驗內容：1）空載電流的測量；2）空載功率的測量；3）空載轉速的測量；4）短路電流和損耗的測量；5）繞組匝間絕緣試驗；6）冷態下繞組電阻的測量；7）繞組對機殼的絕緣電阻的測量。機械性能分析、技術參數研究的試驗內容：在新產品設計試制中，為了查明產品的技術特性和參數，并與設計目標相比較，以獲得進一步改善結構性能的途徑，試驗內容如下： 1）發試驗 2）超速試驗； 3）減速器的空載損耗測量及其效率； 4）減速器輸出轉速、輸出扭矩、工作效率及最大工作效率的測量。由于試驗項目多，現僅對傳動扭矩測量數據進行分析，見表1。 [align=center] 表1 傳動扭矩測量數據及分析[/align] [img]http://m.yashegy.com/Upload/whict2006112582520570.jpg[/img] 對表1數據分析如下 1）輸入轉矩T是根據試驗裝置的電流傳感器檢測信號，通過計算而得；輸出轉速n11由速度傳感器測得；利用加重塊W產生制動力矩，可測出其輸出轉矩Tb。數據顯示與用所推導公式計算，誤差在5%左右。當低速時誤差超過10%。 2）隨著輸入電流I的增加，扭矩也在增加。扭矩數值與實測誤差加大，主要是由于功率消耗在變速器各部分的摩擦上。當轉速在200r/min以上時，功率損失較小。 7結論 1）電、磁、機一體化的無級調整器的研究，主要是針對那些需要體積小、防塵、密封要求高、傳遞扭矩不大的機械。 2）本結構采用特殊的并聯固定電磁感應辦和磁性轉動輪的組合設計，使在通入電流時，封閉磁路中產生更強的磁通，導致在空氣隙中，產生更大的旋轉磁場，使磁轉矩增大。 3）電、磁、機一體化無級調速器，可使得傳動變得更為可靠。實測表明，傳動總效率較以往的機電分離設計有一定的提高。 4）可替代現有電動機的傳動，其優點是本調速器可實現恒功率傳動（關于此結論，將在后續文章中說明），因此，當電動車在有坡度的路面行駛時，其輸出功率保持不變、傳扭矩隨行駛速度自動改變。


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