CN102468727A - 3体电动(发电)机及电调制式磁齿轮无级变速器 - Google Patents
3体电动(发电)机及电调制式磁齿轮无级变速器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了3体电动(发电)机及电调制式磁齿轮无级变速器，属机械电子技术领域，在电动机的定子与转子中间***第3体(中间体)；中间体负责传输转子与定子之间的能量转移；这样中间体也可以接受外部直接动力驱动；易于汽车的混合动力***接入；由于中间体可以在高速及冲击下运行，有利于电磁传动结构的小型化设计；当中间体选择永磁时本构造即是电动机(兼发电机)，又是一个相对于直接动力输入来说是一个完善的无级变速器；可以广泛应用于汽车及其它动力传动领域。
Description
本发明属机械电子技术领域，确切的讲是一种3体冲击式(积分)电机技术及有源调制磁齿轮无级变速器.
现有的电机技术都是基于2体的构造方式；即转子与定子，就速度的适应宽度而言：一直存在下述兼顾的矛盾因素；高速段下的体积重量的冗余及低速段下的欠缺；就输出力矩而言，低速下的扭矩严重不足，超力矩输出下的过热及低效率将导致严重后果！
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，在电动机的定子与转子中间***第3体(中间体)；中间体负责传输转子与定子之间的能量转移；这样中间体也可以接受外部直接动力驱动；易于汽车的混合动力***接入；由于中间体可以在高速及冲击下运行，有利于电磁传动结构的小型化设计；当中间体选择永磁时本构造即是电动机(兼发电机)，利用电磁调制盘，***2个永磁盘之间，实现永磁变速传动，此时相对于直接动力输入来说是一个完善的无级变速器；也可以制成转毂电机；可以广泛应用于汽车及其它动力传动领域。
本发明的特点是：3体冲击式的电机体积小(约为同功率下2体永磁电机的2/3)；低速下扭矩强大(约为同功率下2体永磁电机的4-6倍)；如将3体电机与(利用电磁调制盘)永磁驱动器结合，将制成极其紧凑的混合动力总承构件(包含电动/发电机，外动力输入的无级调速器)。
本发明的技术关键：
对于3体电动(发电)机而言；基本组成为：转子(14)、冲击转子(2)及定子(5)组成；共3核心部件组成；称之为3体电动机(发电机)；基本工作原理：当定子线圈(44)有电流通过时，将对转子(14)生成驱动力矩(转子可以是永磁的或感应的或磁滞方式的)；当转子(14)被加速到一定速度时，将与冲击转子(2)发生碰撞，该碰撞是通过转子撞击柱(41)、(42)之间的直接碰撞来实现的；该碰撞可以使非接触的软碰撞；如图1的剖面线AA的剖面图1A所示。在2个转子的转子撞击柱(41)、(42)可以安装有永磁体；当转子撞击柱(41)与(42)之间相互靠近时，磁场的斥力将急剧的增加，缓解碰撞，并使无接触碰撞成立。图3中的B及C分别是，转子永磁体(动力接收盘)(51)的轴向视图；及(52)电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)的轴向视图。
对电调制式磁齿轮无级变速器而言：基本组成为；电磁铁线圈(57)安装在电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)上；在数量上往往大大的超过(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)各自的永磁体总数；对于降速传递转动时，(动力接收盘)(51)的永磁体总数要少于(动力放送盘)(52)的永磁体数量；此种情形类似于磁齿轮的传递行为；工作原理：当各电磁铁可被独立控制，(58)为电磁铁线圈引出导线，它们之间的并串联关系可被任意组合；统一被一个类是于伺服电机的控制器控制，可以根据需要在(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)的不同的转动相对位置状态时，处于不同的并串联组合及电流分布状态；使得就(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)传输而言处于不同的力矩传输状态(变矩)，以满足不同的传输需要；(59)为动力输出轴(60)为动力输出轴，(54)/(55)为动力输入轴转盘((动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)正是各自安装在这2个转盘上)。
超级电容及必要容量的电池往往是必要的，在在电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)上的电磁铁线圈(57)调制时，是要伴随着电磁能的不断存储释放及消耗，超级电容适用于瞬间的大电流的吸收及放出，电池往往是处理相对较慢的电流存放情形，最终的积累结果通过电池的存储是最为恰当的。
众多电磁铁线圈(57)调制模式：
#多组相邻到向磁极群模式：即将(57)分为多组，同组的各磁极的磁化方向相同，相邻组之间的磁化方向相反。
#改变组数模式：改变同组磁极的数量使组数发生变化，当同组磁极数量减少则组数增加，当同组磁极数量增加则组数减少。
#等效旋转磁场模式：此方式是通过各组之间交换边界磁极来实现，即将各组相邻的磁极进行转移，将本组的边界磁极划分给相邻的组，同时吸收另一个相邻的磁极组的磁极，使每组磁极的数量保持不变，顺时针转移交换旋转磁场顺时针旋转；逆时针转移交换旋转磁场则逆时针旋转(相当于(56)沿其转轴旋转)。
#复合模式：上述各模式的组合(改变组数/等效旋转/到向)。
总之：
3体电机的根本特征就在于：在3体电(发电)机中使用了冲击转子(2)来吸收来自转子(14)的冲击力矩，并对外输出力矩；定子线圈(44)的工作模式既可以是电机通用的旋转磁场的同步/异步驱动模式，也可以是驱动转子(14)冲击(2)的半程工作在电动驱动模式，当转子(14)被回弹时转换为发电模式；模式转换：3冲击模式及2体电机模式之间转换；尤其适用于中低速，超大力矩输出；及2体电机/发电模式；冲击碰撞过程中止，2个转子之间锁死(无相对转动)，此时回归常规2体电机模式。
电调永磁变矩其特征就在于：在(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)之间***了电磁铁调制盘(56)；电磁铁调制盘(56)的磁极的排布既可以是轴向、径向的也可以使其它取向；众多电磁铁线圈(57)调制模式：多组相邻到向磁极群模式、改变组数模式及等效旋转磁场模式和复合模式。
以下结合附图就本发明的较佳实施例对本发明作进一步说明：
[图1]3体电动/发电机结构原理示意图。
[图2]1种带有外动力混合输入轴的3体复合电机示结构意图。
[图3]带有有源电磁调制盘的永磁变速/变矩器结构示意图。
[图4]另1种带有外动力混合输入轴的(独立电磁调速的)3体复合电机示结构意图。
图中标号说明：
1 转子轴
2 冲击转子
3 动力输出轴
5 定子
12 动力输入盘永磁体
13 机壳
14 转子
40 动力输入轴
41/42 转子撞击柱
44 定子线圈
45 线圈电流输入滑环
51 转子(动力接收盘)永磁体
52 电磁铁磁极
54/55 动力输入轴转盘
56 电磁铁调制盘承载体
57 电磁铁线圈
58 电磁铁线圈引出导线
59 动力输出轴
60 动力输出轴
如图1所示：
3体电动(发电)机的基本组成为：转子(14)、冲击转子(2)及定子(5)组成；共3核心部件组成；称之为3体电动机(发电机)。
基本工作原理：当定子线圈(44)有电流通过时，将对转子(14)生成驱动力矩(转子可以是永磁的或感应的或磁滞方式的)；当转子(14)被加速到一定速度时，将与冲击转子(2)发生碰撞，该碰撞是通过转子撞击柱(41)、(42)之间的直接碰撞来实现的。
该碰撞可以使非接触的软碰撞；如图1的剖面线AA的剖面图1A所示。在2个转子的转子撞击柱(41)、(42)可以安装有永磁体；当转子撞击柱(41)与(42)之间相互靠近时，磁场的斥力将急剧的增加，缓解碰撞，并使无接触碰撞成立。
在2转子碰撞发生的过程中，转子(14)的能量及动量将部分的传输给冲击转子(2)；每一次的碰撞结束时转子(14)都被冲击转子(2)反弹回来。
在整个碰撞过程中，定子(5)的电磁力可以始终施加于转子(14)，以增加能量的传输效率。
当转子(14)被反弹回来时，定子线圈(44)使其继续加速，转子撞击柱(41)与(42)在未产生反弹相对位移碰撞时，使转子(14)又被加速到超过冲击转子(2)的速度；进而完成下一次碰撞；周而复始，循环往复。
(13)为机壳、(3)为动力输出轴；(40)为动力输入轴。
传输功率估算：设转子的质量为M、转动惯量I；碰撞相对转角为160度(转子(14)与冲击转子(2)的可自由转动角度)；转子(14)的碰撞前的角速度为W1、冲击转子(2)的角速度近似匀速为W2；转子(14)与冲击转子(2)之间的碰撞近似为弹性碰撞；转子(14)在被加速时的平均角加速度为A。
因而可近似估算：
单位时间内的动量矩及动能交换：
交换动量矩＝[单位时间的碰撞次数]x[一次碰撞的动量矩交换值]
因而：[单位时间的碰撞次数]＝(W1-W2)加权平均/2∏
[一次碰撞的动量矩的交换值]＝1(2W1-W2)
式中：∏＝圆周率
动能交换＝[单位时间的碰撞次数]x[一次碰撞的动能交换值]
[一次碰撞的动能交换值]＝1/2I[W1W1-(2W2-W1)2]
传输功率估算：取转子的质量M＝2KG
转动惯量(半径为10厘米)I＝2/102KGM2
转子(14)的碰撞前的角速度为W1＝180∏
冲击转子(2)的角速度近似匀速为W2＝60∏
近似得出：动量矩交换＝360(KGM/S)
动能交换＝17000(W)
在一般情况下：车用3体电机是2个一起并联使用，以获得良好的动平衡；在此情况下，车的牵引力为100KG；输出功率为34KW；时速为110KM/S。
在车辆起步的情况下：3体电机能提供比常规2体电机有着大得多驱动力矩；此种情况下，W2＝0；取W为中间值(120∏)；牵引力约为220KG；对于质量为1200KG的车的加速度为0.18G；获得0-110KM/H的加速时间仅为6秒！
即使在完全停车的情况下，也能长时间获得较大的力矩，这与2体电机有着本质的区别，在较大电流下任何2体电机也无法在获得较大力矩的前提下长时间工作；因为仅仅卡死情况下的热效应就足以导致灾难结果。
3体电机的定子线圈在此种情况下，在碰撞的过程中不断吸收及放出能量；也就是不断重复充电放电过程，满足能量的平衡；而转子与定子之间又处于较高的相对速度的工作条件下；可谓低速下状态极好。
模式转换：
#冲击模式；尤其适用于中低速，超大力矩输出。
#2体电机/发电模式；冲击碰撞过程中止，2个转子之间锁死(无相对转动)，此时回归常规2体电机模式。
如图2所示：
其工作过程与图1基本一样(含相同标号的图标意义)，(40)动力输入轴，可直接驳接各种机械动力源，在油电混合动力汽车中所驳接的是内燃机动力。
图2中的B是剖面线AA处沿垂直于转轴方向的平面所剖的剖面图，与图1的完全一样。
(45)为线圈电流输入滑环，为转动的“定子”线圈提供电流；此时定子线圈(44)除了在固定不动时提供转子(可以是永磁转子)的磁场外，当该定子被内燃机带动旋转时，依然提供转子所需的磁力，及回收转子的动能。
如图3所示：
图3中的B及C分别是，转子永磁体(动力接收盘)(51)的轴向视图；及(52)电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)的轴向视图。
电磁铁线圈(57)安装在电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)上；在数量上往往大大的超过(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)各自的永磁体总数；对于降速传递转动时，(动力接收盘)(51)的永磁体总数要少于(动力放送盘)(52)的永磁体数量；此种情形类似于磁齿轮的传递行为。
(58)为电磁铁线圈引出导线，各电磁铁可被独立控制，它们之间的并串联关系可被任意组合；统一被一个类是于伺服电机的控制器控制，可以根据需要在(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)的不同的转动相对位置状态时，处于不同的并串联组合及电流分布状态；使得就(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)传输而言处于不同的力矩传输状态(变矩)，以满足不同的传输需要。
(59)为动力输出轴，(60)为动力输出轴，(54)/(55)为动力输入轴转盘((动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)正是各自安装在这2个转盘上)。
超级电容及必要容量的电池往往是必要的，在在电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)上的电磁铁线圈(57)调制时，是要伴随着电磁能的不断存储释放及消耗，超级电容适用于瞬间的大电流的吸收及放出，电池往往是处理相对较慢的电流存放情形，最终的积累结果通过电池的存储是最为恰当的。
众多电磁铁线圈(57)调制模式：
#多组相邻到向磁极群模式：即将(57)分为多组，同组的各磁极的磁化方向相同，相邻组之间的磁化方向相反。
#改变组数模式：改变同组磁极的数量使组数发生变化，当同组磁极数量减少则组数增加，当同组磁极数量增加则组数减少。
#等效旋转磁场模式：此方式是通过各组之间交换边界磁极来实现，即将各组相邻的磁极进行转移，将本组的边界磁极划分给相邻的组，同时吸收另一个相邻的磁极组的磁极，使每组磁极的数量保持不变，顺时针转移交换旋转磁场顺时针旋转；逆时针转移交换旋转磁场则逆时针旋转(相当于(56)沿其转轴旋转)。
#复合模式：上述各模式的组合(改变组数/等效旋转/到向)。
如图4所示：
其工作过程与图1及图3的综合基本一致(相同标号的图标意义是完全相同的)，(40)仍为动力输入轴，可直接驳接各种机械动力源，在油电混合动力汽车中所驳接的是内燃机动力。
图4的3体电机相当于在图1的单纯的3体电机的基础上增加了图3的有源电磁调制盘调制下的的永磁变速/变矩器。
独立控制的定子线圈(44)及电磁铁调制盘(56)上的电磁铁线圈(57)将会带来极大的调整范围及相应速度。
Claims (2)
1.3体电动(发电)机；其基本组成为：转子(14)、冲击转子(2)及定子(5)组成；共3核心部件组成称之为3体电动机(发电机)；再有(13)为机壳、(3)为动力输出轴；(40)为动力输入轴；基本工作原理：当定子线圈(44)有电流通过时，将对转子(14)生成驱动力矩(转子可以是永磁的或感应的或磁滞方式的)；当转子(14)被加速到一定速度时，将与冲击转子(2)发生碰撞，该碰撞是通过转子撞击柱(41)、(42)之间的直接碰撞来实现的；该碰撞可以使非接触的软碰撞；在2个转子的转子撞击柱(41)、(42)可以安装有永磁体；当转子撞击柱(41)与(42)之间相互靠近时，磁场的斥力将急剧的增加，缓解碰撞，并使无接触碰撞成立；在2转子碰撞发生的过程中，转子(14)的能量及动量将部分的传输给冲击转子(2)；每一次的碰撞结束时转子(14)都被冲击转子(2)反弹回来；在整个碰撞过程中，定子(5)的电磁力可以始终施加于转子(14)，以增加能量的传输效率；当转子(14)被反弹回来时，定子线圈(44)使其继续加速，转子撞击柱(41)与(42)在未产生反弹相对位移碰撞时，使转子(14)又被加速到超过冲击转子(2)的速度；进而完成下一次碰撞；周而复始，循环往复；模式转换：冲击模式；尤其适用于中低速，超大力矩输出；及2体电机/发电模式；冲击碰撞过程中止，2个转子之间锁死(无相对转动)，此时回归常规2体电机模式；其特征就在于：在3体电(发电)机中使用了冲击转子(2)来吸收来自转子(14)的冲击力矩，并对外输出力矩；定子线圈(44)的工作模式既可以是电机通用的旋转磁场的同步/异步驱动模式，也可以是驱动转子(14)冲击(2)的半程工作在电动驱动模式，当转子(14)被回弹时转换为发电模式；模式转换：3冲击模式及2体电机模式之间转换；尤其适用于中低速，超大力矩输出；及2体电机/发电模式；冲击碰撞过程中止，2个转子之间锁死(无相对转动)，此时回归常规2体电机模式。
2.电调制式磁齿轮无级变速器；基本构成是由：图3中的B及C分别是，转子永磁体(动力接收盘)(51)的轴向视图；及(52)电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)的轴向视图；电磁铁线圈(57)安装在电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)上；在数量上往往大大的超过(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)各自的永磁体总数；对于降速传递转动时，(动力接收盘)(51)的永磁体总数要少于(动力放送盘)(52)的永磁体数量；此种情形类似于磁齿轮的传递行为；(58)为电磁铁线圈引出导线；基本工作过程为：各电磁铁可被独立控制，它们之间的并串联关系可被任意组合；统一被一个类是于伺服电机的控制器控制，可以根据需要在(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)的不同的转动相对位置状态时，处于不同的并串联组合及电流分布状态；使得就(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)传输而言处于不同的力矩传输状态(变矩)，以满足不同的传输需要；(59)为动力输出轴，(60)为动力输出轴，(54)/(55)为动力输入轴转盘((动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)正是各自安装在这2个转盘上)；超级电容及必要容量的电池往往是必要的，在在电磁铁磁极电磁铁调制盘(56)上的电磁铁线圈(57)调制时，是要伴随着电磁能的不断存储释放及消耗，超级电容适用于瞬间的大电流的吸收及放出，电池往往是处理相对较慢的电流存放情形，最终的积累结果通过电池的存储是最为恰当的；众多电磁铁线圈(57)调制模式：多组相邻到向磁极群模式、改变组数模式及等效旋转磁场模式和复合模式：上述各模式的组合(改变组数/等效旋转/到向)；其特征就在于：在(动力接收盘)(51)及(动力放送盘)(52)之间***了电磁铁调制盘(56)；电磁铁调制盘(56)的磁极的排布既可以是轴向、径向的也可以使其它取向；众多电磁铁线圈(57)调制模式：多组相邻到向磁极群模式、改变组数模式及等效旋转磁场模式和复合模式。
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