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克維斯傳動:分析了電磁耦合無級變速系統(tǒng)的工作原理
摘要：克維斯傳動:分析了電磁耦合無級變速系統(tǒng)的工作原理
1 EMCVT的構(gòu)造及調(diào)磁方法
1.1基本構(gòu)造及原理
當發(fā)動機ICE連接輸入軸，拖動內(nèi)轉(zhuǎn)子相對于外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于電磁關(guān)系，內(nèi)轉(zhuǎn)子會旋轉(zhuǎn)發(fā)電，內(nèi)外轉(zhuǎn)子相互作用的電磁力矩將拖動外轉(zhuǎn)子隨內(nèi)轉(zhuǎn)子做同向、不等速的旋轉(zhuǎn)運動。這樣內(nèi)外轉(zhuǎn)子就變成了一個電機兼電磁滑差耦合（離合）器的組合體，該電機把發(fā)動機ICE的部分機械功率經(jīng)輸出軸及主減速器直接傳輸?shù)杰囕?，而電機又以相對轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速差）作為其同步發(fā)電轉(zhuǎn)速，把發(fā)動機功率的其余部分轉(zhuǎn)換為電功率，經(jīng)由電傳動分路（內(nèi)轉(zhuǎn)子-控制器-EMCVT定子-外轉(zhuǎn)子）傳遞并再次轉(zhuǎn)換成機械功率匯合到輸出軸，且最終也傳輸?shù)杰囕?。因此對EMCVT來說，其傳遞功率的效率既高于單個電磁滑差耦合器，也高于單個電機。
1.2調(diào)磁機構(gòu)及調(diào)磁方法
永磁電機控制策略是按既定的功率確定額定轉(zhuǎn)矩及額定轉(zhuǎn)速（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍），用弱磁的方法來提高永磁電機的轉(zhuǎn)速（恒功率調(diào)速）.弱磁的方法是利用電機電樞反應(yīng)削弱永磁體磁場的，一方面，可能造成定子線圈電流過大，從而電機繞組銅損過大，導致電機過熱，效率降低；另一方面，控制器容量增大、系統(tǒng)成本提高同時電機本身也不適于長時間高速運行。此外，對于必須具備車輛變速器功能的電磁耦合無級變速器來說，還要求該系統(tǒng)能調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩以使發(fā)動機能在給定油門情況下工作于較理想的工作點上，從而達到一定的燃油經(jīng)濟性，而目前成熟的永磁電機及其控制策略卻難以滿足此要求。因此需要有效地改進永磁電機的調(diào)磁性能來滿足上述要求。在定子鐵心的中上方開設(shè)環(huán)形槽放置勵磁線圈，定子繞組安放方式和永磁電機一樣。外轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩面均分為兩部分，每部分裝設(shè)相同極性的永磁磁極并且和鐵磁極（調(diào)磁極）相間安裝。轉(zhuǎn)子每極均由永磁體極和鐵磁極兩部分組成，鐵磁極為勵磁磁通提供低磁阻磁路，增磁或弱磁取決于勵磁線圈中的電流方向。勵磁線圈中存在勵磁電流時，由于永磁體對外加磁勢的磁阻很大，使得勵磁磁通主要經(jīng)過機殼、定子鐵心、空氣氣隙、外轉(zhuǎn)子鐵磁極及內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心形成回路，這一部分勵磁磁通將隨勵磁電流大小的改變而改變。此外永磁體極也會通過兩側(cè)的鐵磁極、空氣氣隙、定子鐵心及內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心形成回路對鐵磁極進行磁化，這一部分磁通是基本穩(wěn)定的。這樣鐵磁極上的氣隙中這兩部分相互獨立的磁通形成合成磁通。變勵磁電流的大小就可以調(diào)節(jié)增磁或弱磁的強度。
2有限元法對EMCVT的分析
內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子均不加電流負載，外轉(zhuǎn)子是內(nèi)外兩面均貼有永磁體，磁力線經(jīng)過內(nèi)外兩個永磁體穿過外轉(zhuǎn)子，在外轉(zhuǎn)子上的永磁體之間僅有少量的磁力線，即為外轉(zhuǎn)子上永磁體之間的漏磁很少。僅有內(nèi)轉(zhuǎn)子加電流負載的情況，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子加載，使得外轉(zhuǎn)子的內(nèi)永磁體之間存在磁力線，但這部分磁力線是與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接，而不與定子相連接。同時定子與外轉(zhuǎn)子間的磁力線分布與定子內(nèi)轉(zhuǎn)子均不加電流負載時的情況類似。僅有定子加電流負載的情況，外轉(zhuǎn)子的永磁體之間同樣也存在部分磁力線，這部分磁力線是與定子相連接，而不與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接。同時內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子之間的磁力線分布與定子內(nèi)轉(zhuǎn)子均不加電流負載時的情況類似。內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子均施加電流負載的情況。一般來說，內(nèi)轉(zhuǎn)子及定子由層疊硅鋼構(gòu)成，而外轉(zhuǎn)子由于結(jié)構(gòu)及性能影響的原因而由實硅鋼體構(gòu)成，因此，外轉(zhuǎn)子上會產(chǎn)生較大的鐵損。而外轉(zhuǎn)子上永磁體之間的磁通基本為恒值，只是由于內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子加載交變的電流而產(chǎn)生交變的磁通，從而導致外轉(zhuǎn)子上鐵損不同.利用電磁耦合無級變速器的三維有限單元分析勵磁線圈調(diào)磁時EWCVT對內(nèi)氣隙磁密（內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間氣隙）和外氣隙（外轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙）磁密的影響結(jié)果圖。其中，電角度為內(nèi)外磁場的夾角。發(fā)現(xiàn)調(diào)磁線圈對氣隙磁密的影響是較大的。
3結(jié)論
電磁耦合無級變速器是可直接傳遞機械能的電磁滑差耦合（離合）器與電機的組合體，在保持與常規(guī)電傳動相當?shù)妮^寬廣無級變速范圍的同時，總體效率還可以得到提高。本文在詳細分析其工作原理及調(diào)磁原理的基礎(chǔ)上，利用有限單元法對其進行二維有限單元磁場分析，并通過三維有限單元模型分析調(diào)磁對磁場的影響，并且得出調(diào)磁對電磁耦合無級變速器效率的影響。
1.1基本構(gòu)造及原理
當發(fā)動機ICE連接輸入軸，拖動內(nèi)轉(zhuǎn)子相對于外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于電磁關(guān)系，內(nèi)轉(zhuǎn)子會旋轉(zhuǎn)發(fā)電，內(nèi)外轉(zhuǎn)子相互作用的電磁力矩將拖動外轉(zhuǎn)子隨內(nèi)轉(zhuǎn)子做同向、不等速的旋轉(zhuǎn)運動。這樣內(nèi)外轉(zhuǎn)子就變成了一個電機兼電磁滑差耦合（離合）器的組合體，該電機把發(fā)動機ICE的部分機械功率經(jīng)輸出軸及主減速器直接傳輸?shù)杰囕?，而電機又以相對轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速差）作為其同步發(fā)電轉(zhuǎn)速，把發(fā)動機功率的其余部分轉(zhuǎn)換為電功率，經(jīng)由電傳動分路（內(nèi)轉(zhuǎn)子-控制器-EMCVT定子-外轉(zhuǎn)子）傳遞并再次轉(zhuǎn)換成機械功率匯合到輸出軸，且最終也傳輸?shù)杰囕?。因此對EMCVT來說，其傳遞功率的效率既高于單個電磁滑差耦合器，也高于單個電機。
1.2調(diào)磁機構(gòu)及調(diào)磁方法
永磁電機控制策略是按既定的功率確定額定轉(zhuǎn)矩及額定轉(zhuǎn)速（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍），用弱磁的方法來提高永磁電機的轉(zhuǎn)速（恒功率調(diào)速）.弱磁的方法是利用電機電樞反應(yīng)削弱永磁體磁場的，一方面，可能造成定子線圈電流過大，從而電機繞組銅損過大，導致電機過熱，效率降低；另一方面，控制器容量增大、系統(tǒng)成本提高同時電機本身也不適于長時間高速運行。此外，對于必須具備車輛變速器功能的電磁耦合無級變速器來說，還要求該系統(tǒng)能調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩以使發(fā)動機能在給定油門情況下工作于較理想的工作點上，從而達到一定的燃油經(jīng)濟性，而目前成熟的永磁電機及其控制策略卻難以滿足此要求。因此需要有效地改進永磁電機的調(diào)磁性能來滿足上述要求。在定子鐵心的中上方開設(shè)環(huán)形槽放置勵磁線圈，定子繞組安放方式和永磁電機一樣。外轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩面均分為兩部分，每部分裝設(shè)相同極性的永磁磁極并且和鐵磁極（調(diào)磁極）相間安裝。轉(zhuǎn)子每極均由永磁體極和鐵磁極兩部分組成，鐵磁極為勵磁磁通提供低磁阻磁路，增磁或弱磁取決于勵磁線圈中的電流方向。勵磁線圈中存在勵磁電流時，由于永磁體對外加磁勢的磁阻很大，使得勵磁磁通主要經(jīng)過機殼、定子鐵心、空氣氣隙、外轉(zhuǎn)子鐵磁極及內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心形成回路，這一部分勵磁磁通將隨勵磁電流大小的改變而改變。此外永磁體極也會通過兩側(cè)的鐵磁極、空氣氣隙、定子鐵心及內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心形成回路對鐵磁極進行磁化，這一部分磁通是基本穩(wěn)定的。這樣鐵磁極上的氣隙中這兩部分相互獨立的磁通形成合成磁通。變勵磁電流的大小就可以調(diào)節(jié)增磁或弱磁的強度。
2有限元法對EMCVT的分析
內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子均不加電流負載，外轉(zhuǎn)子是內(nèi)外兩面均貼有永磁體，磁力線經(jīng)過內(nèi)外兩個永磁體穿過外轉(zhuǎn)子，在外轉(zhuǎn)子上的永磁體之間僅有少量的磁力線，即為外轉(zhuǎn)子上永磁體之間的漏磁很少。僅有內(nèi)轉(zhuǎn)子加電流負載的情況，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子加載，使得外轉(zhuǎn)子的內(nèi)永磁體之間存在磁力線，但這部分磁力線是與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接，而不與定子相連接。同時定子與外轉(zhuǎn)子間的磁力線分布與定子內(nèi)轉(zhuǎn)子均不加電流負載時的情況類似。僅有定子加電流負載的情況，外轉(zhuǎn)子的永磁體之間同樣也存在部分磁力線，這部分磁力線是與定子相連接，而不與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接。同時內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子之間的磁力線分布與定子內(nèi)轉(zhuǎn)子均不加電流負載時的情況類似。內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子均施加電流負載的情況。一般來說，內(nèi)轉(zhuǎn)子及定子由層疊硅鋼構(gòu)成，而外轉(zhuǎn)子由于結(jié)構(gòu)及性能影響的原因而由實硅鋼體構(gòu)成，因此，外轉(zhuǎn)子上會產(chǎn)生較大的鐵損。而外轉(zhuǎn)子上永磁體之間的磁通基本為恒值，只是由于內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子加載交變的電流而產(chǎn)生交變的磁通，從而導致外轉(zhuǎn)子上鐵損不同.利用電磁耦合無級變速器的三維有限單元分析勵磁線圈調(diào)磁時EWCVT對內(nèi)氣隙磁密（內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間氣隙）和外氣隙（外轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙）磁密的影響結(jié)果圖。其中，電角度為內(nèi)外磁場的夾角。發(fā)現(xiàn)調(diào)磁線圈對氣隙磁密的影響是較大的。
3結(jié)論
電磁耦合無級變速器是可直接傳遞機械能的電磁滑差耦合（離合）器與電機的組合體，在保持與常規(guī)電傳動相當?shù)妮^寬廣無級變速范圍的同時，總體效率還可以得到提高。本文在詳細分析其工作原理及調(diào)磁原理的基礎(chǔ)上，利用有限單元法對其進行二維有限單元磁場分析，并通過三維有限單元模型分析調(diào)磁對磁場的影響，并且得出調(diào)磁對電磁耦合無級變速器效率的影響。
