CN114337080B - 一种电动拖拉机驱动结构及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及农用机械领域，尤其涉及一种电动拖拉机驱动结构及其驱动方法，包括安装在电动拖拉机尾部的动力输出轴，电动拖拉机尾部安装有发电机，动力输出轴与发电机之间传动连接，发电机电性连接有总控制模块，总控制模块电性连接有能量转换器，能量转换器电性连接有磁悬浮储能飞轮，总控制模块、能量转换器电性连接有电动拖拉机电机，电动拖拉机电机输出轴与动力输出轴传动连接。本发明针对现有电动拖拉机的电化学电池比功率不够高，且没有能吸收电动拖拉机在田间工作时因频繁制动而浪费的能量装置，提供一种电动拖拉机用磁悬浮转子储能装置。

Description

一种电动拖拉机驱动结构及其驱动方法
技术领域
本发明涉及农用机械领域，尤其涉及一种电动拖拉机驱动结构及其驱动方法。
背景技术
磁悬浮储能飞轮是利用磁悬浮轴承，这种转子与定子之间没有机械接触的高性能轴承，支撑飞轮转子与飞轮圆盘高速运行。磁悬浮储能飞轮的工作原理：充电时，通过能量转换器从外部输入电能驱动电机运动，带动飞轮高速旋转，飞轮圆盘将能量以动能的形式储存。放电时，飞轮圆盘旋转速度降低，动能减少，机械能通过发电机和能量转换器转换成负载所需要的电能。磁悬浮储能飞轮是环境友好型的机械储能设备，无污染；具有很高的比功率和较高的比能量，充放电时间以分钟计。
现有的电动拖拉机的动力电池主要是锂电池和铅酸蓄电池，这两类电池均属于电化学储能，这种储能方式充放电时间较长，寿命较短，功率成本高，并且对环境有污染。同时，电动拖拉机需要牵引、悬挂并驱动农机具，作业负载多变，一般地，电动拖拉机在田间工作时，会将动力输出轴调为跟随模式，即转速跟随模式下动力输出轴转速以定比例跟随车速。此时电动拖拉机在田间工作需频繁制动，会造成电化学电池不能瞬间输出足够的能量满足电动拖拉机的动力需求。
即现有电化学电池比功率不够高，且电动拖拉机田间工作时制动频繁，这类电化学电池不能吸收其制动时浪费的能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动拖拉机驱动结构及其驱动方法，以解决上述问题，针对现有电动拖拉机的电化学电池比功率不够高，且没有能吸收电动拖拉机在田间工作时因频繁制动而浪费的能量装置，提供一种电动拖拉机用磁悬浮转子储能装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电动拖拉机驱动结构，包括安装在电动拖拉机尾部的动力输出轴，所述电动拖拉机尾部安装有发电机，所述动力输出轴与所述发电机之间传动连接，所述发电机电性连接有总控制模块，所述总控制模块电性连接有能量转换器，所述能量转换器电性连接有磁悬浮储能飞轮，所述总控制模块、能量转换器电性连接有电动拖拉机电机，所述电动拖拉机电机输出轴与所述动力输出轴传动连接。
优选的，所述磁悬浮储能飞轮包括壳体总成，所述壳体总成为密闭结构，所述壳体总成内转动连接有主轴，所述主轴竖直设置，所述主轴从上至下依次设有深沟球轴承、上径向磁悬浮组件、电机部件、飞轮、下径向磁悬浮组件、轴向磁悬浮组件、角接触球轴承，所述深沟球轴承内壁与所述主轴外壁间隙配合，所述角接触球轴承顶面与所述主轴的轴肩间隙配合。
优选的，所述上径向磁悬浮组件包括固定连接在所述主轴外侧的上径向磁悬浮轴承转子，所述上径向磁悬浮轴承转子外侧设有上径向磁悬浮轴承定子，所述上径向磁悬浮轴承定子与所述壳体总成内壁固定连接，所述上径向磁悬浮轴承转子外侧壁与所述上径向磁悬浮轴承定子内侧壁间隙配合。
优选的，所述下径向磁悬浮组件包括固定连接在所述主轴外侧的下径向磁悬浮轴承转子，所述下径向磁悬浮轴承转子外侧设有下径向磁悬浮轴承定子，所述下径向磁悬浮轴承定子与所述壳体总成内壁固定连接，所述下径向磁悬浮轴承转子外侧壁与所述下径向磁悬浮轴承定子内侧壁间隙配合。
优选的，所述轴向磁悬浮组件包括固定连接在所述主轴外侧的轴向磁悬浮轴承转子，所述轴向磁悬浮轴承转子上方和下方分别设有轴向磁悬浮轴承定子，两个所述轴向磁悬浮轴承定子与所述壳体总成内壁固定连接，所述两个所述轴向磁悬浮轴承定子之间接触设置有轴向轴承定位套筒，所述轴向轴承定位套筒与所述壳体总成内侧壁固定连接，所述轴向磁悬浮轴承转子与两个所述轴向磁悬浮轴承定子之间间隙配合。
优选的，所述电机部件的转子固定连接在所述主轴外侧，所述电机部件的定子与所述壳体总成内壁固定连接。
优选的，所述电机部件与所述能量转换器电性连接。
一种电动拖拉机驱动方法，所述方法基于上述技术方案所述电动拖拉机驱动结构，具体包括如下步骤：
所述电动拖拉机电机通过电源驱动，所述电动拖拉机电机将动力传递至动力输出轴，所述动力输出轴带动所述发电机发电，所述发电机产生的电能通过总控制模块、能量转换器传递至磁悬浮储能飞轮进行储能，所述磁悬浮储能飞轮通过所述总控制模块、能量转换器进行能量释放。
优选的，所述动力输出轴运行时，所述总控制模块控制所述发电机通过所述能量转换器传递至磁悬浮储能飞轮进行储能。
优选的，所述动力输出轴动力不足时，所述总控制模块控制所述磁悬浮储能飞轮通过所述能量转换器将电能传递至所述电动拖拉机电机。
本发明具有如下技术效果：
本发明在电动拖拉机上安装磁悬浮储能飞轮，磁悬浮储能飞轮是环境友好型的机械储能设备，在拖拉机制动停车时，通过磁悬浮储能飞轮吸收能量；在拖拉机重载启动、加速和遇到突变负载或阻力时，磁悬浮储能飞轮瞬间释放能量供电动拖拉机使用。本发明的装置提高了电动拖拉机的能源利用率和拖拉机整体性能，是发展高效、节能、环保、智能为一体的农机装备的理想选择。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构连接示意图；
图3为本发明磁悬浮储能飞轮结构示意图。
其中，1、动力输出轴；2、皮带轮；3、发电机；4、皮带；5、总控制模块；6、能量转换器；7、磁悬浮储能飞轮；8、电源管理模块；9、电动拖拉机电机；10、动力***；11、农机具；12、电池包；01、第一线路；02、第二线路；03、第三线路；04、第四线路；05、机械传动；701、上小端盖；702、深沟球轴承；703、上大端盖；704、上径向磁悬浮轴承转子；705、上径向磁悬浮轴承定子；706、第一套筒；707、主轴；708、螺钉；709、电机部件；710、第二套筒；711、中上端盖；712、中下端盖；713、下大端盖；714、辅助轴承定位片；715、下小端盖；716、上径向磁悬浮轴承支撑套筒；717、飞轮；718、螺栓；719、螺母；720、下径向磁悬浮轴承定子；721、下径向磁悬浮轴承转子；722、下径向磁悬浮轴承支撑套筒；723、第三套筒；724、轴向轴承定位套筒；725、轴向磁悬浮轴承定子；726、轴向磁悬浮轴承转子；727、第四套筒；728、第一螺母；729、辅助轴承大挡片；730、辅助轴承小挡片；731、角接触球轴承；732、第二螺母。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3所示，本发明提供一种电动拖拉机驱动结构，包括安装在电动拖拉机尾部的动力输出轴1，电动拖拉机尾部安装有发电机3，动力输出轴1与发电机3之间传动连接，动力输出轴1与发电机3之间通过皮带轮2、皮带4传递动力，发电机3电性连接有总控制模块5，总控制模块5电性连接有能量转换器6，能量转换器6电性连接有磁悬浮储能飞轮7，总控制模块5、能量转换器6电性连接有电动拖拉机电机9，电动拖拉机电机9输出轴与动力输出轴1传动连接。
能量转换器6含上面正负负正四个电极端口以及下面两个正负电极端口，发电机3上端的两正负电极经过总控制模块5由第一线路01与能量转换器6对应正负极相连，能量转换器6上端另负正两极通过第二线路02与磁悬浮储能飞轮7的电机两极相连。能量转换器6下端的两电极经过总控制模块5通过第三线路03与电动拖拉机电机9相连，电动拖拉机电机9通过第四线路04连接有电源管理模块8，总控制模块5内设有两个开关K0，两个开关分别位于第一线路01和第三线路03上，以此控制磁悬浮储能飞轮7的充放电过程。电动拖拉机电机9通过机械传动05与动力输出轴1连接，动力输出轴1后端接农机具11，电动拖拉机电机9通过机械传动05还连接有动力***10，动力***10用于提供电动拖拉机的前进动力，机械传动05可采用但不限于变速箱等可以进行扭矩传递的结构。
进一步优化方案，磁悬浮储能飞轮7包括壳体总成，壳体总成为密闭结构，壳体总成内部为真空环境，壳体总成包括从上到下依次设置的上小端盖701、上大端盖703、中上端盖711、中下端盖712、下大端盖713、下小端盖715，上小端盖701、上大端盖703之间，上大端盖703、中上端盖711之间，中下端盖712、下大端盖713之间，下大端盖713、下小端盖715之间通过螺钉708固定连接，中上端盖711、中下端盖712之间通过螺栓718、螺母719固定连接；壳体总成内转动连接有主轴707，主轴707竖直设置，主轴707从上至下依次设有深沟球轴承702、上径向磁悬浮组件、电机部件709、飞轮717、下径向磁悬浮组件、轴向磁悬浮组件、角接触球轴承731，深沟球轴承702内壁与主轴707外壁间隙配合，深沟球轴承702内壁与主轴707的配合间隙为单边0.15mm。深沟球轴承702、上径向磁悬浮组件、电机部件709从上至下依次固定连接在上大端盖703内，下径向磁悬浮组件、轴向磁悬浮组件、角接触球轴承731从上至下依次固定在下大端盖713内。角接触球轴承731数量为两个，两个角接触球轴承731外圈之间设有辅助轴承大挡片729，两个角接触球轴承731内圈之间设有辅助轴承小挡片730，辅助轴承小挡片730与主轴707固定连接，辅助轴承大挡片729与中下端盖712内壁固定连接，位于下方的角接触球轴承731底部设有辅助轴承定位片714，辅助轴承定位片714套在主轴707外侧，辅助轴承定位片714底部设有第二螺母732，与主轴707螺纹连接。位于上方的角接触球轴承731顶面与主轴707的轴肩间隙配合，角接触球轴承731顶面与主轴707的轴肩配合间隙为0.15mm。位于下方的角接触球轴承731底面与辅助轴承定位片714配合间隙为0.15mm。飞轮717采用等厚度空心圆盘形状，材料为碳纤维，飞轮717内部过盈配合有轮毂，轮毂与主轴707轴接，轮毂材料为等厚度合金钢材。
进一步优化方案，上径向磁悬浮组件包括固定连接在主轴707外侧的上径向磁悬浮轴承转子704，上径向磁悬浮轴承转子704外侧设有上径向磁悬浮轴承定子705，上径向磁悬浮轴承定子705与壳体总成内壁固定连接，上径向磁悬浮轴承转子704外侧壁与上径向磁悬浮轴承定子705内侧壁间隙配合。上径向磁悬浮轴承转子704外侧壁与上径向磁悬浮轴承定子705内侧壁的配合间隙为0.4mm，上径向磁悬浮轴承定子705外侧固定连接有上径向磁悬浮轴承支撑套筒716，上径向磁悬浮轴承支撑套筒716固定连接在上大端盖703内。
进一步优化方案，下径向磁悬浮组件包括固定连接在主轴707外侧的下径向磁悬浮轴承转子721，下径向磁悬浮轴承转子721外侧设有下径向磁悬浮轴承定子720，下径向磁悬浮轴承定子720与壳体总成内壁固定连接，下径向磁悬浮轴承转子721外侧壁与下径向磁悬浮轴承定子720内侧壁间隙配合。下径向磁悬浮轴承转子721外侧壁与下径向磁悬浮轴承定子720内侧壁的配合间隙为0.4mm，下径向磁悬浮轴承定子720固定连接有下径向磁悬浮轴承支撑套筒722，下径向磁悬浮轴承支撑套筒722固定连接在下大端盖713内。
进一步优化方案，轴向磁悬浮组件包括固定连接在主轴707外侧的轴向磁悬浮轴承转子726，轴向磁悬浮轴承转子726上方和下方分别设有轴向磁悬浮轴承定子725，两个轴向磁悬浮轴承定子725与壳体总成内壁固定连接，两个轴向磁悬浮轴承定子725之间接触设置有轴向轴承定位套筒724，轴向轴承定位套筒724与壳体总成内侧壁固定连接，轴向磁悬浮轴承转子726与两个轴向磁悬浮轴承定子725之间间隙配合。两个轴向磁悬浮轴承定子725、轴向轴承定位套筒724固定连接在下大端盖713内。
进一步优化方案，电机部件709的转子固定连接在主轴707外侧，电机部件709的定子与壳体总成内壁固定连接。电机部件709的转子与主轴707为过盈配合，电机部件709的定子与上径向磁悬浮轴承支撑套筒716内壁固定连接。
进一步优化方案，电机部件709与能量转换器6电性连接。
上径向磁悬浮轴承转子704与上径向磁悬浮轴承定子705构成上径向磁悬浮轴承，下径向磁悬浮轴承转子721与下径向磁悬浮轴承定子720构成下径向磁悬浮轴承，轴向磁悬浮轴承定子725与轴向磁悬浮轴承转子726构成轴向磁悬浮轴承。上、下径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承均为电磁轴承。***正常工作时，主轴707不与深沟球轴承702、角接触球轴承731接触，当***故障和停机时，深沟球轴承702、角接触球轴承731起到保护电磁轴承和辅助支撑主轴707功能。深沟球轴承702、角接触球轴承731承担部分或者全部载荷，防止飞轮717的转子冲击破坏磁力轴承。因此，主轴707两端分别布置深沟球轴承702、角接触球轴承731。上径向磁悬浮轴承转子704与电机部件709的转子之间接触设置有第一套筒706，第一套筒706与主轴707固定连接，通过设置第一套筒706用于固定上径向磁悬浮轴承定子705与电机部件709之间的相对距离。电机部件709的转子与轮毂之间接触设置有第二套筒710，第二套筒710与主轴707固定连接，通过设置第二套筒710用于固定飞轮717与电机部件709的相对距离，下径向磁悬浮轴承转子721与轴向磁悬浮轴承转子726之间接触设置有第三套筒723，第三套筒723与主轴707固定连接，通过设置第三套筒723用于固定下径向磁悬浮轴承转子721与轴向磁悬浮轴承转子726的相对距离，轴向磁悬浮轴承转子726与主轴707的轴肩之间接触设置有第四套筒727，第四套筒727与主轴707固定连接，通过设置第四套筒727确保了轴向磁悬浮轴承转子726的相对位置。主轴707外侧螺纹连接有第一螺母728，第一螺母728顶面与第四套筒727底面相接触，第一螺母728底面不与下大端盖713内壁接触。
一种电动拖拉机驱动方法，方法基于上述技术方案的电动拖拉机驱动结构，具体包括如下步骤：
电机部件709为电动/发电机，当能量转换器6的电能提供到磁悬浮储能飞轮7时， 电机部件709做电动机使用，电机转子旋转带动主轴707以及配合在主轴707上的飞轮717、 电磁轴承转子、套筒、辅助轴承定位片714、第一螺母728、第二螺母732旋转，其他部件保持 静止。当电磁轴承转子与定子相对运动时，电磁轴承会产生电磁力。上、下径向磁悬浮轴承 提供径向电磁力，轴向磁悬浮轴承提供轴向电磁力，使主轴707以及其上配合的零件保持悬 浮状态，飞轮717在真空无阻力的环境中高速旋转，能量以动能的形式储存，磁悬浮储能飞 轮储存能量E的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，Jp为飞轮极转动惯量，w为飞轮转速角速度。当 磁悬浮储能飞轮7对能量转换器6供电时，电机部件709做发电机使用，各零件保持上述状 态，飞轮717转速下降，动能减少转换为电机部件709的电能输出。
电动拖拉机电机9通过电源管理模块8对电动拖拉机上的电能集中管理，电池包12由电源管理模块8上两电极输出，电动拖拉机电机9将动力传递至动力输出轴1，动力输出轴1带动发电机3发电，发电机3产生的电能通过总控制模块5、能量转换器6传递至磁悬浮储能飞轮7进行储能，磁悬浮储能飞轮7通过总控制模块5、能量转换器6进行能量释放。
进一步优化方案，动力输出轴1运行时，总控制模块5控制发电机3通过能量转换器6传递至磁悬浮储能飞轮7进行储能。
进一步优化方案，动力输出轴1动力不足时，总控制模块5控制磁悬浮储能飞轮7通过能量转换器6将电能传递至电动拖拉机电机9。
本发明采用上述技术方案，与现有电动拖拉机相比具有以下的主要优点：
1、其磁悬浮储能飞轮是环境友好型的机械储能设备，在拖拉机制动停车时，通过磁悬浮储能飞轮吸收能量；在拖拉机重载启动、加速和遇到突变负载或阻力时，磁悬浮储能飞轮瞬间释放能量供电动拖拉机使用。
2、电动拖拉机用磁悬浮储能飞轮极大地提高了电动拖拉机的能源利用率和拖拉机整体性能，是发展高效、节能、环保、智能为一体的农机装备的理想选择。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，包括安装在电动拖拉机尾部的动力输出轴(1)，所述电动拖拉机尾部安装有发电机(3)，所述动力输出轴(1)与所述发电机(3)之间传动连接，所述发电机(3)电性连接有总控制模块(5)，所述总控制模块(5)电性连接有能量转换器(6)，所述能量转换器(6)电性连接有磁悬浮储能飞轮(7)，所述总控制模块(5)、能量转换器(6)电性连接有电动拖拉机电机(9)，所述电动拖拉机电机(9)输出轴与所述动力输出轴(1)传动连接；
所述能量转换器（6）含上面正负负正四个电极端口以及下面正负两个电极端口，所述发电机（3）上端的两正负电极经过所述总控制模块（5）由第一线路（01）与所述能量转换器（6）对应正负极相连，所述能量转换器（6）上端另负正两极通过第二线路（02）与磁悬浮储能飞轮（7）的电机两极相连；所述能量转换器（6）下端的两电极经过所述总控制模块（5）通过第三线路（03）与所述电动拖拉机电机（9）相连，所述电动拖拉机电机（9）通过第四线路（04）连接有电源管理模块（8），所述总控制模块（5）内设有两个开关（K0），两个开关分别位于第一线路（01）和第三线路（03）上，以此控制所述磁悬浮储能飞轮（7）的充放电过程；
电动拖拉机驱动方法，具体包括如下步骤：所述电动拖拉机电机(9)通过电源驱动，所述电动拖拉机电机(9)将动力传递至动力输出轴(1)，所述动力输出轴(1)带动所述发电机(3)发电，所述发电机(3)产生的电能通过总控制模块(5)、能量转换器(6)传递至磁悬浮储能飞轮(7)进行储能，所述磁悬浮储能飞轮(7)通过所述总控制模块(5)、能量转换器(6)进行能量释放；
所述磁悬浮储能飞轮(7)包括壳体总成，所述壳体总成为密闭结构，所述壳体总成内转动连接有主轴(707)，所述主轴(707)竖直设置，所述主轴(707)从上至下依次设有深沟球轴承(702)、上径向磁悬浮组件、电机部件(709)、飞轮(717)、下径向磁悬浮组件、轴向磁悬浮组件、角接触球轴承(731)，所述深沟球轴承(702)内壁与所述主轴(707)外壁间隙配合，所述角接触球轴承(731)顶面与所述主轴(707)的轴肩间隙配合。
2.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述上径向磁悬浮组件包括固定连接在所述主轴(707)外侧的上径向磁悬浮轴承转子(704)，所述上径向磁悬浮轴承转子(704)外侧设有上径向磁悬浮轴承定子(705)，所述上径向磁悬浮轴承定子(705)与所述壳体总成内壁固定连接，所述上径向磁悬浮轴承转子(704)外侧壁与所述上径向磁悬浮轴承定子(705)内侧壁间隙配合。
3.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述下径向磁悬浮组件包括固定连接在所述主轴(707)外侧的下径向磁悬浮轴承转子(721)，所述下径向磁悬浮轴承转子(721)外侧设有下径向磁悬浮轴承定子(720)，所述下径向磁悬浮轴承定子(720)与所述壳体总成内壁固定连接，所述下径向磁悬浮轴承转子(721)外侧壁与所述下径向磁悬浮轴承定子(720)内侧壁间隙配合。
4.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述轴向磁悬浮组件包括固定连接在所述主轴(707)外侧的轴向磁悬浮轴承转子(726)，所述轴向磁悬浮轴承转子(726)上方和下方分别设有轴向磁悬浮轴承定子(725)，两个所述轴向磁悬浮轴承定子(725)与所述壳体总成内壁固定连接，所述两个所述轴向磁悬浮轴承定子(725)之间接触设置有轴向轴承定位套筒(724)，所述轴向轴承定位套筒(724)与所述壳体总成内侧壁固定连接，所述轴向磁悬浮轴承转子(726)与两个所述轴向磁悬浮轴承定子(725)之间间隙配合。
5.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述电机部件(709)的转子固定连接在所述主轴(707)外侧，所述电机部件(709)的定子与所述壳体总成内壁固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述电机部件(709)与所述能量转换器(6)电性连接。
7.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述动力输出轴(1)运行时，所述总控制模块(5)控制所述发电机(3)通过所述能量转换器(6)传递至磁悬浮储能飞轮(7)进行储能。
8.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机驱动结构，其特征在于，所述动力输出轴(1)动力不足时，所述总控制模块(5)控制所述磁悬浮储能飞轮(7)通过所述能量转换器(6)将电能传递至所述电动拖拉机电机(9)。
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