带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置及工作方法
阅读说明：本技术 带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置及工作方法 (Wheel-side permanent-magnet direct-drive transmission device with torsional vibration active suppression function and working method ) 是由 鞠锦勇 翟荣杰 张春蕊 刘玉飞 苏学满 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置及工作方法,适用于电动汽车驱动控制领域。包括大功率永磁电机通过相互连接的传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ与车辆的轮毂通过等速万向节相连接,其中大功率永磁电机与传动轴Ⅰ之间设有十字联轴器,十字联轴器与大功率永磁电机的输出轴连接,与传动轴Ⅰ连接,传动轴Ⅰ与传动轴Ⅱ之间设有扭振抑制装置,扭振抑制装置与传动轴Ⅰ之间设有输入法兰,扭振抑制装置与传动轴Ⅱ之间设有输出法兰,利用扭振抑制装置转移系统扭振,并基于电磁作用力进行主动调节,抑制轮边驱动永磁直驱传动装置扭振的同时保证轮毂的驱动力；其应用范围广、可移植性强,可保证轮边驱动永磁直驱传动系统在电动客车上的可靠应用。(The invention discloses a wheel-side permanent magnet direct-drive transmission device with a torsional vibration active suppression function and a working method, and is suitable for the field of electric automobile drive control. The high-power permanent magnet motor is connected with a wheel hub of a vehicle through a transmission shaft I and a transmission shaft II which are connected with each other through a constant velocity universal joint, wherein a cross coupling is arranged between the high-power permanent magnet motor and the transmission shaft I, the cross coupling is connected with an output shaft of the high-power permanent magnet motor and is connected with the transmission shaft I, a torsional vibration suppression device is arranged between the transmission shaft I and the transmission shaft II, an input flange is arranged between the torsional vibration suppression device and the transmission shaft I, an output flange is arranged between the torsional vibration suppression device and the transmission shaft II, the torsional vibration suppression device is used for transferring the torsional vibration of a system and carrying out active adjustment based on electromagnetic acting force, and the driving force of the wheel hub is ensured while the wheel edge driving permanent magnet direct drive transmission device is suppressed from torsional vibration; the wheel-side driving permanent magnet direct-drive transmission system is wide in application range and strong in transportability, and can ensure the reliable application of the wheel-side driving permanent magnet direct-drive transmission system on the electric motor coach.)
技术领域
本发明涉及一种轮边永磁直驱传动装置及工作方法，尤其适用于电动客车使用的一种带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置及工作方法。
背景技术
随着我国“公交优先”战略的持续推行，电动公交客车获得了越来越多的关注。轮边驱动构型是电驱动与车辆传动技术的完美结合，可有效减小轮毂驱动方式的非簧载质量，特别适合电动公交客车。现阶段轮边驱动传动系统还需使用减速器进行传动，实现降速增扭的目的，减速器是这类传动方式的薄弱环节，容易发生多种故障，降低轮边驱动传动系统的稳定性。
近些年，随着永磁材料制备工艺以及交流变频调速技术的进一步发展，永磁直驱传动模式得到了越来越多的应用。结合大功率永磁电机，在电动公交客车上，构建轮边驱动永磁直驱传动系统，可有效避免传动薄弱环节减速器的使用，具有传动效率高、可靠性高的优势。但是，在具体行驶过程，轮边驱动永磁直驱传动系统又面临新的挑战，主要是公交客车行驶工况复杂，在复杂行驶工况复杂扰动和永磁电机机电耦合传动激励的联合作用下，系统传动轴容易发生扭振，甚至是扭转断裂失效。因此要保证轮边驱动永磁直驱传动系统在电动公交客车的可靠运用，首先需要对系统扭振进行有效抑制。中国专利CN201810390723.5设计了一种汽车驱动轴扭转振动减振器，利用该装置上的弹性储能体和惯性体实现穿过其中汽车驱动轴扭振的抑制，但是正如该专利中所述，该设计本质上是一种被动抑制方案，通过改变弹性储能体所用橡胶材料的配方，实现减震器质量和频率的微调，因此该方案存在抑振频率可调性差、抑振效果有限的问题，并且由于降低了发动机曲轴与传动系统连接部分的扭转刚度，会对系统驱动力存在一定影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置及工作方法，采用主动调节方式，克服轮边驱动永磁直驱传动系统的多频扭振抑制问题，为轮边驱动永磁直驱传动系统在电动公交客车上的高效可靠应用提高支持。
为了实现上述目的，本发明的带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置，包括大功率永磁电机通过相互连接的传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ与车辆的轮毂通过等速万向节相连接，其中大功率永磁电机与传动轴Ⅰ之间设有十字联轴器，十字联轴器两端分别设有法兰Ⅰ和法兰Ⅱ，十字联轴器通过法兰Ⅰ与大功率永磁电机的输出轴连接，通过法兰Ⅱ与传动轴Ⅰ连接，传动轴Ⅰ与传动轴Ⅱ之间设有扭振抑制装置，扭振抑制装置与传动轴Ⅰ之间设有输入法兰，扭振抑制装置与传动轴Ⅱ之间设有输出法兰，
所述的扭振抑制装置包括相互匹配的盘状结构的左外壳和右外壳，左外壳和右外壳之间通过法兰连接，其中左外壳内侧等间距设有三个扇形凹槽，三个扇形凹槽之间分别设有三个弧形导槽，扇形凹槽与弧形导槽形成环形高潮结构，三个弧形导槽与三个扇形凹槽连接处设有台阶面，左外壳和右外壳之间设有用以补偿左外壳与输出法兰之间的转角差的传动模块，所述的传动模块包括传动连接件、永磁体套筒Ⅰ、压缩弹簧Ⅰ、环形永磁体、线圈单元、永磁体套筒Ⅱ、压缩弹簧Ⅱ，其中传动连接件有三个，每个传动连接件均设置在弧形导槽上，弧形导槽与传动连接件底部配合，传动连接件位于左外壳内弧形导槽的一侧设有永磁体套筒Ⅰ，另一侧设有永磁体套筒Ⅱ，永磁体套筒Ⅱ与永磁体套筒Ⅰ结构完全相同，永磁体套筒Ⅰ和永磁体套筒Ⅱ的端部设有凸台，凸台位置与台阶面匹配，所述三个传动连接件通过两侧的永磁体套筒Ⅱ与永磁体套筒Ⅰ端部连接有三个环形永磁体，从而使三个传动连接件与三个环形永磁体形成环状结构，其中永磁体套筒Ⅰ上设有压缩弹簧Ⅰ，永磁体套筒Ⅱ上设有压缩弹簧Ⅱ，所述环形永磁体上分别设有三个线圈单元，线圈单元缠绕在由硅钢片构成的环形永磁体上，三个线圈单元由一根导线缠绕构成，环形永磁体的硅钢片固定在左外壳上；所述右外壳上设有三个与传动连接件位置匹配的镂空，镂空允许传动连接件在其中移动以实现转交差补偿，传动连接件从镂空中伸出部分的端部与输出法兰螺钉连接，从而使左外壳与输出法兰之间存在用于补偿转角差的弹性余量。
所述永磁体套筒Ⅰ与永磁体套筒Ⅱ平面上设有联接孔，的环形永磁体与永磁体套筒Ⅰ、永磁体套筒Ⅱ配合连接形成环状结构时，环形永磁体两个端面与永磁体套筒Ⅱ与永磁体套筒Ⅰ上联接孔的底面接触。
所述的环形永磁体与永磁体套筒Ⅰ、永磁体套筒Ⅱ安装配合时，设置在永磁体套筒Ⅰ上的压缩弹簧Ⅰ以及设置在永磁体套筒Ⅱ上的压缩弹簧Ⅱ处于留有余量的压缩状态，而使传动连接件在弧形导槽中留有一定的移动余量。
所述的永磁体套筒Ⅰ、永磁体套筒Ⅱ与左外壳内的弧形导槽之间通过弧形结构的石墨钢套轴承进行安装配合。
其中大功率永磁电机连接有角度编码器Ⅰ，轮毂连接有角度编码器Ⅱ，所述角度编码器Ⅰ和角度编码器Ⅱ顺序通过数据采集卡、信号处理模块、D/A转换模块与电源模块连接，电源模块给线圈单元中线圈供直流电。
其中轮边驱动永磁直驱传动装置的大功率永磁电机设置在车辆底部盘的托臂下方，托臂连接有托板，托板下面联接悬架系统，支撑架上穿过悬架系统中的两组减震器以支撑悬架系统，支撑架与轮边驱动永磁直驱传动装置中的传动轴Ⅱ通过轴承联接。
一种带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置的工作方法，其包括以下步骤：
步骤1、将轮边驱动永磁直驱传动装置通过车辆悬架系统安装在客车底盘上，并且将大功率永磁电机通过托臂和托板安装在悬架系统的上方，减小非簧载质量；
步骤2、在大功率永磁电机与轮毂上分别设置角度编码器Ⅰ和角度编码器Ⅱ，利用数据采集卡采集角度编码器Ⅰ和角度编码器Ⅱ输出信号，并经信号处理模块得到大功率永磁电机的转角与轮毂的转角值；
步骤3、传动轴Ⅱ与轮毂通过等速万向节联接，两者转速相同，因此通过输出法兰与传动轴Ⅱ固定联接的传动连接件转角即与轮毂转角相等；固定扭振抑制装置的左外壳，通过电源模块给线圈单元通大小线性变化的直流电，通过角度编码器Ⅱ实时检测任意传动连接件的转角，绘制输入电流值与传动连接件转角的关系曲线，并通过最小二乘法数据拟合，得到输入电流值与传动连接件转角的线性代数关系；
步骤4、利用左外壳与输出法兰之间的弹性连接，将传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ的扭振进行转移；电机驱动将传动轴Ⅰ时，由于输出法兰与传动连接件连接，左外壳与输出法兰之间产生转角差，传动连接件在左外壳内可以活动，以大功率永磁电机输出轴转角为期望转角值，利用信号处理模块得到轮毂的瞬时转角值，计算期望转角值与瞬时转角值的差值，控制模块基于步骤3中输入电流值与传动连接件转角的线性代数关系构建，并通过差值运算得到线圈单元的输入电流值，经D/A转换模块驱动电源模块控制线圈单元产生感应磁场，与环形永磁体固有磁场相互作用，产生电磁作用力，驱动传动连接件运动，补偿左外壳与输出法兰之间的转角差，具体的线圈单元相对左外壳固定不动，线圈单元与环形永磁体之间产生电磁作用力，使环形永磁体相对于左外壳转动，环形永磁体推动永磁体套筒Ⅱ，继而推动传动连接件运动，最终实现左外壳和输出法兰的相对转动，通过利用扭振抑制装置抑制轮边驱动永磁直驱传动系统的扭振，同时保证轮毂足够的驱动转矩。
有益效果：本发明利用通电螺线管产生的电磁力与环形永磁体相互作用，对系统传动环节的扭振进行主动补偿，抑制轮毂所受冲击振动向系统传动轴传递，并且通过控制电流大小实现通电螺线管电磁力可控从而有效保证轮毂的驱动力；本发明的扭振抑制装置可通过法兰与现有电动客车传动系统进行联接，应用范围广、可移植性强。
附图说明
图1所示为本发明带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置的结构示意图；
图2所示为本发明扭振抑制装置中左外壳结构示意图；
图3所示为本发明扭振抑制装置中传动模块与左外壳联接示意图；
图4所示为本发明扭振抑制装置中三组传动模块联接示意图；
图5所示为本发明扭振抑制装置与输入法兰和输出法兰联接示意图；
图6所示为本发明带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置的实施例简图；
图7所示为本发明带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置的控制流程框图。
图中：1—大功率永磁电机，2—法兰Ⅰ，3—十字联轴器，4—法兰Ⅱ，5—传动轴Ⅰ，6—扭振抑制装置，6-1—左外壳，6-2—右外壳，6-3—传动连接件，6-4—永磁体套筒Ⅰ，6-5—压缩弹簧Ⅰ，6-6—环形永磁体，6-7—线圈单元，6-8—永磁体套筒Ⅱ，6-9—压缩弹簧Ⅱ，6-10—弧形导槽，6-11—台阶面，6-12—凸台，6-13—联接孔，7—传动轴Ⅱ，8—轮毂，9—输入法兰，10—输出法兰，11—传动模块，12—数据采集卡，13—信号处理模块，14—控制模块，15—驱动电源模块，16—D/A转换模块，17—轮边驱动永磁直驱传动装置，18—托臂，19—托板，20—悬架系统，21—支撑架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明；
如图1所示，本发明的一种带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置，包括大功率永磁电机1通过相互连接的传动轴Ⅰ5和传动轴Ⅱ7与车辆的轮毂8通过等速万向节相连接，其中大功率永磁电机1与传动轴Ⅰ5之间设有十字联轴器3，十字联轴器3两端分别设有法兰Ⅰ2和法兰Ⅱ4，十字联轴器3通过法兰Ⅰ2与大功率永磁电机1的输出轴连接，通过法兰Ⅱ4与传动轴Ⅰ5连接，传动轴Ⅰ5与传动轴Ⅱ7之间设有扭振抑制装置6，扭振抑制装置6与传动轴Ⅰ5之间设有输入法兰9连接，扭振抑制装置6与传动轴Ⅱ7之间设有输出法兰10，
如图2和图3所示，所述的扭振抑制装置6包括相互匹配的盘状结构的左外壳6-1和右外壳6-2，左外壳6-1和右外壳6-2之间通过法兰连接，其中左外壳6-1内侧等间距设有三个扇形凹槽，三个扇形凹槽之间分别设有三个弧形导槽6-10，扇形凹槽与弧形导槽6-10形成环形高潮结构，三个弧形导槽6-10与三个扇形凹槽连接处设有台阶面6-11，左外壳6-1和右外壳6-2之间设有用以补偿左外壳6-1与输出法兰10之间的转角差的传动模块11，所述的传动模块11包括传动连接件6-3、永磁体套筒Ⅰ6-4、压缩弹簧Ⅰ6-5、环形永磁体6-6、线圈单元6-7、永磁体套筒Ⅱ6-8、压缩弹簧Ⅱ6-9，其中传动连接件6-3有三个，每个传动连接件6-3均设置在弧形导槽6-10上，弧形导槽6-10与传动连接件6-3底部配合，传动连接件6-3位于左外壳6-1内弧形导槽6-10的一侧设有永磁体套筒Ⅰ6-4，另一侧设有永磁体套筒Ⅱ6-8，永磁体套筒Ⅱ6-8与永磁体套筒Ⅰ6-4结构完全相同，永磁体套筒Ⅰ6-4和永磁体套筒Ⅱ6-8的端部设有凸台6-12，凸台6-12位置与台阶面6-11匹配，所述三个传动连接件6-3通过两侧的永磁体套筒Ⅱ6-8与永磁体套筒Ⅰ6-4端部连接有三个环形永磁体6-6，从而使三个传动连接件6-3与三个环形永磁体6-6形成环状结构，其中永磁体套筒Ⅰ6-4上设有压缩弹簧Ⅰ6-5，永磁体套筒Ⅱ6-8上设有压缩弹簧Ⅱ6-9，所述环形永磁体6-6上分别设有三个线圈单元6-7，线圈单元6-7缠绕在由硅钢片构成的环形永磁体6-6上，三个线圈单元6-7由一根导线缠绕构成，环形永磁体6-6的硅钢片固定在左外壳6-1上；所述右外壳6-2上设有三个与传动连接件6-3位置匹配的镂空，镂空允许传动连接件6-3在其中移动以实现转交差补偿，传动连接件6-3从镂空中伸出部分的端部与输出法兰10螺钉连接，从而使左外壳6-1与输出法兰10之间存在用于补偿转角差的弹性余量。
如图4和图5所示，所述永磁体套筒Ⅰ6-4与永磁体套筒Ⅱ6-8平面上设有联接孔6-13，的环形永磁体6-6与永磁体套筒Ⅰ6-4、永磁体套筒Ⅱ6-8配合连接形成环状结构时，环形永磁体6-6两个端面与永磁体套筒Ⅱ6-8与永磁体套筒Ⅰ6-4上联接孔6-13的底面接触。所述的环形永磁体6-6与永磁体套筒Ⅰ6-4、永磁体套筒Ⅱ6-8安装配合时，设置在永磁体套筒Ⅰ6-4上的压缩弹簧Ⅰ6-5以及设置在永磁体套筒Ⅱ6-8上的压缩弹簧Ⅱ6-9处于留有余量的压缩状态，而使传动连接件6-3在弧形导槽6-10中留有一定的移动余量。所述的永磁体套筒Ⅰ6-4、永磁体套筒Ⅱ6-8与左外壳6-1内的弧形导槽6-10之间通过弧形结构的石墨钢套轴承进行安装配合。
如图7所示，其中大功率永磁电机1连接有角度编码器Ⅰ，轮毂8连接有角度编码器Ⅱ，所述角度编码器Ⅰ和角度编码器Ⅱ顺序通过数据采集卡12、信号处理模块13、D/A转换模块16与电源模块15连接，电源模块15给线圈单元6-7中线圈供直流电。
如图6所示，轮边驱动永磁直驱传动装置17的大功率永磁电机1设置在车辆底部盘的托臂18下方，托臂18连接有托板19，托板19下面联接悬架系统20，支撑架21上穿过悬架系统20中的两组减震器以支撑悬架系统20，支撑架21与轮边驱动永磁直驱传动装置17中的传动轴Ⅱ7通过轴承联接。
一种带扭振主动抑制功能的轮边永磁直驱传动装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、将轮边驱动永磁直驱传动装置17通过车辆悬架系统安装在客车底盘上，并且将大功率永磁电机1通过托臂18和托板19安装在悬架系统的上方，减小非簧载质量；
步骤2、在大功率永磁电机1与轮毂8上分别设置角度编码器Ⅰ和角度编码器Ⅱ，利用数据采集卡12采集角度编码器Ⅰ和角度编码器Ⅱ输出信号，并经信号处理模块13得到大功率永磁电机1的转角与轮毂8的转角值；
步骤3、传动轴Ⅱ7与轮毂8通过等速万向节联接，两者转速相同，因此通过输出法兰10与传动轴Ⅱ7固定联接的传动连接件6-3转角即与轮毂8转角相等；固定扭振抑制装置6的左外壳6-1，通过电源模块15给线圈单元6-7通大小线性变化的直流电，通过角度编码器Ⅱ实时检测任意传动连接件6-3的转角，绘制输入电流值与传动连接件6-3转角的关系曲线，并通过最小二乘法数据拟合，得到输入电流值与传动连接件6-3转角的线性代数关系；
步骤4、利用左外壳6-1与输出法兰10之间的弹性连接，将传动轴Ⅰ5和传动轴Ⅱ7的扭振进行转移；电机驱动将传动轴Ⅰ时，由于输出法兰10与传动连接件6-3连接，左外壳6-1与输出法兰10之间产生转角差，传动连接件6-3在左外壳6-1内可以活动，以大功率永磁电机1输出轴转角为期望转角值，利用信号处理模块13得到轮毂8的瞬时转角值，计算期望转角值与瞬时转角值的差值，控制模块14基于步骤3中输入电流值与传动连接件6-3转角的线性代数关系构建，并通过差值运算得到线圈单元6-7的输入电流值，经D/A转换模块16驱动电源模块15控制线圈单元6-7产生感应磁场，与环形永磁体6-6固有磁场相互作用，产生电磁作用力，驱动传动连接件6-3运动，补偿左外壳6-1与输出法兰10之间的转角差，具体的线圈单元6-7相对左外壳6-1固定不动，线圈单元6-7与环形永磁体6-6之间产生电磁作用力，使环形永磁体6-6相对于左外壳6-1转动，环形永磁体6-6推动永磁体套筒Ⅱ6-8，继而推动传动连接件6-3运动，最终实现左外壳6-1和输出法兰10的相对转动，通过利用扭振抑制装置6抑制轮边驱动永磁直驱传动系统的扭振，同时保证轮毂8足够的驱动转矩。
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