单极直流电磁传动机的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种在两个转动轴之间无级变速变矩传递动力的装置。
【背景技术】
[0002]目前应用的无级变速变矩传动装置，主要有机械无级变速器和液力变矩器。
[0003]机械无级变速器基本上是摩擦式的，靠传动元件间的摩擦力或油膜的切应力传动，包括刚性定轴式、刚性动轴式(行星式)、挠性带式、挠性链式。定轴式机械无级变速器又分为无中间滚动体的和有中间滚动体的，无中间滚动体的又分为改变主动轮工作直径调速的(I型)和改变从动轮工作直径调速的(II型)，有中间滚动体的又分为同时改变主从动轮工作直径调速的(III型)和改变中间滚动体工作直径调速的(IV型)。定轴式机械无级变速器的摩擦滑动率3%?5%，I型、III型和IV型功率小于40kW，传动效率I型仅有50%，II型约85%，III型75%?95%，IV型80%?93%，变速比(输入轴转速恒定时，输出轴转速的最大值与最小值之比)I型3?5，II型小于3，III型小于16或25，IV型小于17或20，III型和IV型不可以反转。行星式机械无级变速器的基本原理与定轴式相同，并利用了行星传动原理，扩大了传递功率和变速的范围，但功率也小于75kW，变速比也小于40，零转速附近的机械特性差，滑动率较大(7%?10% )，传动效率60%?80%，只能降速调速。带式和链式无级变速器的原理与定轴式基本相同，但采用了中间挠性构件(带、链)，单变径轮带式的传动效率不大于92%，变速比不大于2.5，功率不大于25kW，只用于降速；双变径轮带式的传动效率80%?90%，其普通V带型的变速比1.6?2.5，功率不大于40kW，宽V带型的变速比3?6，功率不大于55kW，块带型的变速比2?16，功率不大于44kW。链式无级变速器比带式的传递功率大，但结构也较复杂，齿链式功率0.75?22kW，变速比3?6，传动效率90%?95%;光面轮链式功率最大175kW，变速比2?10，传动效率不大于93%。机械无级变速器仅适用于中小功率传动，变速比有限，有滑动摩擦，传动效率低，对材料、热处理、加工精度、润滑油的要求高，轴及轴承载荷大，承受过载及冲击的能力差，寿命短，多数不可在停车时变速，有的只能降速调速，有的不可反转(本节上述资料来源于《机械工程手册》(第二版)传动设计卷)。机械无级变速器目前应用并不多见，但其中的V型推块金属带无级变速器已在汽车领域展开应用。
[0004]液力变矩器具有泵轮、涡轮和导轮，工作液体在其中依次循环流动，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上，导轮与静子连接，产生变矩效果，泵轮均为离心式，涡轮有向心式、轴流式和离心式三种，导轮多为轴流式或向心式，广泛应用向心涡轮和轴流导轮结构。轴流或离心涡轮式液力变矩器具有良好的反转制动性能。在泵轮转速恒定时，泵轮转矩、涡轮转矩和传动效率均是涡轮转速的单变量函数，其中，泵轮转矩变化不大，涡轮转矩随涡轮转速的增加几乎呈线性下降，直至为零，传动效率在某一中间转速(涡轮设计转速附近，通常是右侧)处于最高值，最高效率约为85%?90%，在低转速区域和高转速区域效率下降较快，一直下降为零。在泵轮转矩恒定时，泵轮转速、涡轮转矩和传动效率也均是涡轮转速的单变量函数。由于受到上述这些关联作用的制约，液力变矩器只具有变矩作用，转速被限定只能跟随变化。为解决这个问题，增加辅助结构或措施的可调速型液力变矩器可实现无级调速，调速范围为3?5，效率为40%?85% (本节上述资料来源于《机械工程手册》(第二版)传动设计卷)。液力变矩器的主要问题是效率低，要提高其效率只能简化结构和降低变矩比(涡轮转矩与泵轮转矩之比)，将起动工况变矩比KO (涡轮转速为零时，变矩比最大值)降低到2左右，才能使效率接近90%左右。
[0005]多种设备的组合使用是目前无级变速变矩传动装置的常见方式，其目的是弥补不足、增加功能。在汽车上应用的V型推块金属带无级变速器，与起步装置部分和前进/后退换向机构部分组合形成传动系统，起步装置有三种形式:电磁离合器、电子控制式湿式摩擦离合器、液力变矩器，目前比较倾向于采用液力变矩器作为起步装置。目前应用于汽车自动变速器的主流是液力机械变矩器，它由液力变矩器和电子控制动力换档机械变速器组成，后者结构大多是行星齿轮传动机构，传动速比档位多的有6?7档，液力变矩器绝大多数采用结构简单的对称型三元件单级两相形式，一般KO在2左右，变矩器主要是在起步加速和换档时起作用。
[0006]也有采用直流或交流电气传动系统间接实现两轴之间无级变速传动的。目前交流调速传动已取代直流调速传动，而以交流变频调速传动为应用主流。实现两轴之间无级变速传动的交流变频调速传动系统主要由下列设备构成:与输入轴连接的交流发电机、整流器、变频器、与输出轴连接的交流电动机，这种系统的缺点是设备多、体积大、成本高、环节多、效率低。一台国际先进标准的高效率低压三相笼型感应电动机的效率不大于95%(160kff及以下功率机型)，一台变频器的效率大约94%?96%，以每台效率95%计算，两台电机和一台变频器的系统效率仅有86%。
[0007]在汽车、风力发电、电网调峰、船舶推进、工矿机械驱动等应用领域，存在着对无级变速变矩传动装置的广泛需求，需要几百、几千、几万千瓦的传动功率，需要带有反向功率传递功能，需要大范围的无级变速(如转速从零至最大值，变速比为无穷大)，需要带有无级变速反转功能，需要大范围的无级变矩(如从零至最大转矩，从负转矩至最大正转矩)，需要转矩不依赖于转速而独立地全范围调节，需要两轴转速无关联而各自独立自由变化(两端的转子系统由动力学定律决定其自身转速变化)(如储能飞轮轴与连接车轮的转轴之间)，需要较大的两轴转速比(如风力发电场合的输入轴额定转速几十转/分钟，输出轴转速1500或3000转/分钟)，需要尽量高的传动效率(如95 %?98 % )，需要高功率密度，需要结构简单、成本低、可靠性高、寿命长，需要隔离机械振动和冲击在两轴之间的传递，需要低噪声、振动小。对于上述这些要求，现有的无级变速变矩传动装置或系统都难以满足，有的只是在局部个别方面有所满足，至今还没有一种能够全面满足上述要求的设备，目前采取的策略多是组合多个不同类型特点的设备，以争取满足较多的功能要求，但总是不尽如人意。
[0008]本发明应用了单极直流电机的电磁作用原理。单极直流电机是通过气隙全部面积的磁通都呈同一极性的电机,其励磁线圈环绕轴心线缠绕成轴对称形,通以直流电时,产生的磁通穿过转子上的轴对称导体，旋转的转子导体切割磁通，在其中感应出具有同一极向的直流电动势，由转子导体两端的电刷引接至外电路，形成直流电流。由于相当于只有一根导体在感应电势，所以它的电压较低，而电流却可以很大，可作为低电压大电流直流发电机，用于电化工业等。它几乎没有涡流和磁滞损耗，利于效率的提高，转子上没有绕组，不需要换向器，省铜，结构简单，电流密度可以很大，是高功率密度机型。用液态金属集流代替电刷，可以大大减少集流时的电压降及损耗，但要注意隔绝空气。其缺点是外引的电流大、电线粗、耗材多、损耗高，只用于需要低压大电流的特殊应用场合。
【发明内容】
[0009]现有的无级变速变矩传动装置或系统存在很多不足之处。对于机械无级变速器和液力变矩器，在功能方面，有的不能反向传递功率，有的不能反转，不能调速至零转速，不能自由调节至零转矩，不能产生负转矩，转矩不能独立于转速而在全范围内自由调节，两轴转速比不能满足如风力发电所需的大传动比；在功率方面，机械无级变速器的功率受限于结构，液力变矩器应用的功率也不高，不能满足几百、几千、几万千瓦功率的需求；在效率方面，各种机械无级变速器的效率在50%?95%范围内，液力变矩器运行时的峰值效率约为85%?90%左右，两端区域效率下降很快，直至为零，不能满足高效节能要求(比如效率95%?98% );在结构、可靠性和寿命方面，机械无级变速器的结构复杂，各种加工要求高，滑动摩擦严重，不耐冲击，可靠性差，寿命短，最常用的液力机械变矩器的结构也相当复杂，密密麻麻，零件非常多，成为汽车中最为复杂和苛刻的设备；在成本方面，由于上述因素，它们的制造成本很高，维修费用也高。对于两个转动轴之间的交流变频调速传动系统，其包含输入端的交流发电机、中间过程的整流器和变频器、输出端的交流电动机，设备多，占据空间大，成本很高，传动效率低，以工频计算的系统效率小于86%，高频电机的损耗和发热问题更严重。
[0010]本发明采用了全新的技术方案，上述不足问题都可以避免。本发明产品称为单极直流电磁传动机(HET—Homopolar Electromagnetic Transmiss1n)，应用了单极直流电机的电磁作用原理，可以抽象看作是两个单极直流电机的组合，一个发电，一个电动，可以互换改变功率流向，两个转子之间的大电流以最短的导体路径传输，回避掉单极直流电机的外部大电流损耗问题，同时充分利用单极直流电机的技术优点，实现所求目标的功能和性能。更进一步，由于传动的转矩、功率、功率流向、转向均可由HET调节控制，使其超越了常规变速传动装置只能“被动”传输动力的局限，具备了按意愿控制“主动”传输动力的能力，由一台“死”机械，变为一台“活”机器，举例来说，对于一台以储能飞轮为动力源、由HET连接飞轮与车轮的车辆，车辆行驶动力的控制完全由HET控制系统执行，HET处于“中枢”指挥地位；对于一套由HET连接风轮与发电机的风力发电系统，HET处于核心的“中枢”指挥地位，其他的子系统控制是从属辅助性的。
[0011]下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。
[0012]单极直流电机的电磁作用原理:
[0013]由轴对称环形直流励磁线圈产生单一极性的轴对称磁场，其磁通密度B没有周向分量Bt，只有子午面分量Bm，Bm由径向分量Br和轴向分量Bz合成。转子上有一段轴对称导体，磁密B的磁场磁力线穿过该导体，该导体具有旋转线速度Vt，切割磁力线，产生单一极性的感应电动势E = VXB*L，其中的黑体字母代表矢量(下同)。E也没有周向分量，只有子午面分量Em,且Em的方向与Bm的方向垂直，Em = Vt.Bm.L，其中，L为Em方向上的转子导体长度。在该长度两端的转子导体上设置电刷，引出两极连接外电路，转子导体上就有直流电流10通过，当电机发电时，10方向与电动势Em的方向相同，当电机作为电动机时，10方向与Em方向相反。
[0014]作用在转子导体上的电磁力(安培力)F= 10XB.L，由于10方向与Em方向相同或相反，而Em方向与Bm方向垂直，可知F只有周向分量Ft,且Ft = 10.Bm.L。
[0015]经过推导，可得到如下公式:
[0016]转子导体的电动势:
[0017]E = Em = ω.Φπι/(2 π )
[0018]ω为转子角速度，Φηι为穿过转子导体的磁通量，即子午面分量磁密Bm的磁通量。由于存在漏磁现象，对于有一定厚度的转子导体，属于电流边界的导体表面的射入磁通与射出磁通有差别，Φηι取二者平均值。
[0019]转子导体所受的电磁转矩:
[0020]Me = -10.Φηι/(2 π )
[0021]转矩矢量Me的正方向与角速度矢量ω的正方向相同，10的正方向与E的正方向相同。
[0022]转子导体所接受或输出的电磁功率:
[0023]Pe = Me.ω = -E.10 = - ω.10.Φηι/(2 π )
[0024]标量Pe为正值或负值时，表示转子导体接受或输出电磁功率。
[0025]当电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相同时，处于电动工况，表示转子接受电磁功率Pe，再经由转动轴向外传输机械功率Pm。当Me与ω的矢量方向相反时，处于发电工况，表不机械功率Pm由转动轴端输入，再由转子导体向外输出电磁功率。
[0026]在电磁功率Pe与轴端机械功率Pm之间的传递过程中，存在机械损耗，包括:电刷的摩擦功率，转子的鼓风摩擦功率，轴承摩擦功率，转子动密封摩擦功率。
[0027]本发明产品，原理上是两个单极直流电机的组合，具有两个转子及其转动轴，每个转子与静子之间都有上述单极直流电磁作用。每个转子上至少有一个轴对称形状的导磁和导电性能均良好的导磁导电体(3)，材料可以选择电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳。导磁导电体(3)通过磁通量Φηι的绝大部分，而与之相接的非磁性材料的转子导电体(4)也通过少量漏磁通，这两部分磁通一起构成磁通Φπι。转子导电体(4)的材料可以选择铜、铝、铜合金、铝合金等，铜合金中可以选择铬铜(Cu-0.5Cr)、镉铜(Cu-lCd)、锆铜(Cu-0.2Zr)、铬锆铜(Cu-0.5Cr-0.15Zr)、铁铜(Cu-0.lFe-0.03P)、银铜(Cu-0.lAg)，以强度够用的较高电导率材料为佳。磁通Φπι与转子角速度ω共同作用，在转子导体(3,4)上产生电动势Ε。一个转子的各个转子导体(3,4)流过的主电流10 (或者并联支路电流10-1、10-2)，方向与其电动势Ε的方向相同，起主动转子作用，另一个转子的10与Ε方向刚好相反，起被动转子作用。对于串联连接的主电流回路(即单电路结构)，主电流10值的大小，遵守欧姆定律，等于主动转子各导体电动势Ε之和与被动转子各导体电动势Ε之和的差值再与主电流回路电阻R0之比值。对于含有并联电路的主电流回路(即含双电路的结构)，主电流10值和并联支路电流10-1、10-2值的大小，由串并联电路的欧姆定律决定。磁通Φπι与主电流10共同作用，对转子导体(3,4)产生电磁转矩Me，该转矩矢量的方向，在主动转子上与其ω矢量方向相反，在被动转子上与其ω矢量方向相同。由此引起电磁功率Pe从主动转子向被动转子传输，主动转子电磁功率大于被动转子电磁功率，二者差值等于主电流回路的欧姆热损耗功率，即10的平方与R0之积。主动转子与被动转子可以互换角色，从而使功率流向产生调转。
[0028] 静子上至少有一个环绕轴心线(1)缠绕的直流励磁线圈(9)，该数量限制是为了保证具有可用的励磁调节功能。励磁源不限于励磁线圈，还可采用永磁体(13)，其优点是没有励磁电流损耗，其材料可选用钕铁硼等。一个主磁路(22)的励磁源，可以共用永磁体(13)和励磁线圈，也可以单独使用永磁体，也可以单独使用励磁线圈。至少有两个主磁路，是为了调节有效。所谓“主磁路”是指励磁线圈周围(或永磁体安装路径上)的磁阻最小的闭合磁路，区别于多路径并联导磁材料结构中的次要分支磁路。
[0029] 磁路由转子和静子上的轴对称结构件导引为闭环，环路中除转子与静子之间的窄缝气隙之外，其余结构件均为导磁材料。在这些结构件中，转轴(2)和转子导磁体(14)可选电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，静子导磁导电体(7,17,18)和静子导磁体(10,12，20,21)可选电磁纯铁、低碳钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳，磁导率较高的材料电导率也较高。
[0030]当两个转子有对一路励磁源的共用时，即出现一个