CN100454724C - 电动旋转机器 - Google Patents

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Abstract

一种电动旋转机器，包括一个包括多个沿周向布置的定子齿的定子，在所述定子内侧和外侧与所述定子同轴布置的内外转子，一个内电枢绕组，所述内电枢绕组包括多个位于所述内转子一侧的缠绕在所述定子齿上的内电枢线圈，所述内电枢绕组被供给能量用来驱动所述内转子，以及一个外电枢绕组，所述外电枢绕组包括多个位于所述外转子一侧的缠绕在所述定子齿上的外电枢线圈，所述外电枢绕组被供给能量用来驱动所述外转子。所述内外电枢绕组在所述多个内电枢线圈之间和所述多个外电枢线圈之间都分别具有电连接，从而防止在所述内外电枢绕组之间产生磁相干扰。

Description

电动旋转机器
技术领域
本发明涉及一种电动旋转机器，所述电动旋转机器包括一个定子以及分别布置在所述定子内侧和外侧的内转子和外转子。
背景技术
日本专利申请首次公开No.2001-103717(相应于美国专利No.6639337)公开了一种电动旋转机器，所述电动旋转机器包括一个定子，所述定子具有多个周向布置的具有电枢线圈的定子齿；一个同轴布置在所述定子内侧的内转子；一个同轴布置在所述定子外侧的外转子，以及一个连接到所述定子上的反相器。所述内外转子通过将一种复合电流加载到所述定子的电枢线圈上实现独立驱动。
在根据上述相关技术的这样一种电动旋转机器中，由于将所述复合电流加载到所述定子的线圈上，所以存在下列问题：(1)所述反相器的有效感应功率相对于内在容量(inherent capacity)的比率最小值为57％，这要求使用一种相对较大的电源；(2)峰值电流变得更大，并且电流变化，也就是di/dt增加，由此必须增强涉及电压的受电设备(power device)的性能，这导致成本的增加；(3)不能够独立设置用于所述内外转子的安培匝数的最佳数量，这导致总体上成本的增加。
发明内容
本发明的一个目的是设置一种电动旋转机器，所述电动旋转机器能够提高电源的利用效率，降低峰值电流，获得用于所述内外转子的各自线圈的最佳结构，并且能够在保持类似的复合磁场的同时，降低成本，所述复合磁场通过常规复合电流产生于定子齿中。
在本发明的一个方面中，提供了一种电动旋转机器，包括：
一个包括多个周向布置的定子齿的定子；
一个在所述定子内侧的与所述定子同轴布置的内转子；
一个在所述定子外侧的与所述定子同轴布置的外转子；
一个内电枢绕组，所述内电枢绕组包括多个位于所述内转子一侧的缠绕在所述定子齿上的内电枢线圈，所述内电枢绕组被供给能量用来驱动所述内转子；
一个外电枢绕组，所述外电枢绕组包括多个位于所述外转子一侧的缠绕在所述定子齿上的外电枢线圈，所述外电枢绕组被供给能量用来驱动所述外转子；
所述内电枢绕组和所述外电枢绕组在所述多个内电枢线圈之间和所述多个外电枢线圈之间都分别具有电连接，从而防止在所述内电枢绕组和所述外电枢绕组之间产生磁相干扰(magnetic interference)。
附图说明
图1是一个说明一种混合传动装置的示意图，所述混合传动装置应用了一种多轴多层电机。
图2是一个一种车用混合传动装置的一个多轴多层电机的纵断面，所述车用混合传动装置能够应用本发明的一个实施例的一种电动旋转机器。
图3是一个说明本发明的所述实施例的所述电动旋转机器的一部分的示意图。
图4是一个图3所示的所述电动旋转机器的一个外电枢绕组的电连接图。
图5是一个图3所示的所述电动旋转机器的一个内电枢绕组的电连接图。
具体实施方式
参考图1，图1显示了一种包括一个多轴多层电机的混合驱动装置，所述多轴多层电机适合应用下面要解释的本发明一个实施例的一种电动旋转机器。如图1所示，所述混合驱动装置包括发动机E，多轴多层电机M，拉威娜(Ravigneaux)复合行星齿轮系G，以及驱动力输出机构D。
参考数字1，2，3和4分别表示一个电机壳，一个电机壳，一个齿轮箱和一个前盖。发动机E用作所述混合驱动装置的一个主要的动力源，并且具有发动机输出轴5。发动机输出轴5经过旋转波动吸收阻尼器6和多片盘式离合器7，被连接到拉威娜复合行星齿轮系G的第二个环形齿轮R2上。
多轴多层电机M在外观上是一个单元和一个用作两个电动机/发电机的辅助电源。多轴多层电机M包括定子S，布置在定子S内侧的内转子IR以及布置在定子S外侧的外转子OR。定子S被安装到电机壳2上，并且用作一个具有线圈的固定电枢。每个内转子IR和外转子OR都具有多个安装在其内部的永久磁体。定子S，内转子IR和外转子OR都是同轴布置的，用来形成一个三层结构。第一根空心电机轴8被固定到内转子IR上，并且被连接到拉威娜复合行星齿轮系G的第一个恒星齿轮S1上。第二根电机轴9被固定到外转子OR上，并且被连接到拉威娜复合行星齿轮系G的第二个恒星齿轮S2上。
通过控制两个电机各自的旋转速度，拉威娜复合行星齿轮系G具有一种连续改变齿轮传动比的功能。拉威娜复合行星齿轮系G包括支撑相互啮合的第一个小齿轮P1和第二个小齿轮P2的公共行星架C，与第一个小齿轮P1啮合的第一个恒星齿轮S1，与第二个小齿轮P2啮合的第二个恒星齿轮S2，与第一个小齿轮P1啮合的第一个环形齿轮R1，以及与第二个小齿轮P2啮合的第二个环形齿轮R2。
多片盘式制动器10被布置在第一个环形齿轮R1和齿轮箱3之间。公共行星架C被连接到输出齿轮11上。
驱动力输出机构D包括输出齿轮11，第一个反转齿轮12，第二个反转齿轮13，传动齿轮14，差速齿轮15和传动轴16。从输出齿轮11输出的输出旋转和输出扭矩，经过第一个反转齿轮12，第二个反转齿轮13，传动齿轮14和差速齿轮15，被传输到传动轴16和未示出的驱动轮。
这样，通过连接发动机输出轴5和拉威娜复合行星齿轮系G的第二个环形齿轮R2，连接拉威娜复合行星齿轮系G的第一个恒星齿轮S1和第一根空心电机轴8，连接拉威娜复合行星齿轮系G的第二个恒星齿轮S2和第二根电机轴9，并且连接拉威娜复合行星齿轮系G的公共行星架C和输出齿轮11，能够构建所述混合驱动装置。
参考图2，图2显示了一种多轴多层电机，所述多轴多层电机与一种拉威娜复合行星齿轮系相结合，组成一种车用混合传动装置。本发明的实施例的所述电动旋转机器，可以应用于所述多轴多层电机。如图2所示，所述多轴多层电机具有一个三层结构，所述三层结构包括同轴布置的一个环形定子101，内转子102和外转子103。内外转子102和103被分别布置在定子101的一个径向的内侧和一个径向的外侧，并且可以围绕旋转轴线O独立旋转。环形定子101，内转子102和外转子103都被容纳在电机壳104中。
内转子102包括叠片芯(lamination core)124，所述叠片芯通过在内转子102的一个轴向上将多片电磁钢板进行层压形成。每片电磁钢板通过模压形成。内转子102还包括多个永久磁体，所述永久磁体在内转子102的所述轴向上延伸穿过叠片芯124。所述永久磁体都以一个相等距离的间隔关系沿着内转子102的一个周向布置。外转子103包括叠片芯125，所述叠片芯具有与内转子102的叠片芯124相同的结构，还包括多个永久磁体，所述永久磁体在外转子103的所述轴向上延伸穿过叠片芯125，并且按照与内转子102的叠片芯相同的布置方式进行布置。通过改变布置在内转子102和外转子103内部的磁极的数量，使得内转子102的极对(pole pairs)数量和外转子103的极对数量彼此不同。特别的，每个内转子102和外转子103的永久磁体的数量是相同的，在本实施例中为12个。内转子102具有三个极对，其中，每个磁极都由两个永久磁体形成。另一方面，外转子103具有六个极对，其中，每个磁极都由一个永久磁体形成。
将这样构建的外转子103容纳在电机壳104中，从而能够将叠片芯125的一个外圆周表面强劲地连接到扭矩传递壳105上。扭矩传递壳105具有相对的轴端，所述轴端通过轴承107和108以可旋转的方式被支撑在电机壳104上。扭矩传递壳105与外转子轴109在轴承107的一侧相互连接。外转子轴109可旋转地延伸穿过内转子102的空心内转子轴110。
内转子轴110沿着内转子102的叠片芯124一个中心部分贯穿地延伸，从而可以与叠片芯124强劲地相连。内转子轴110的一个轴向的中间部分通过轴承112以可旋转的方式被支撑在固定定子支架113中。如图2所示的内转子轴110的一个端部和一个左侧，通过轴承114以可旋转的方式被支撑在扭矩传递壳105的一个轴向端壁上。
定子101包括多个定子齿，所述定子齿在定子101的轴向上相互层压。每个定子齿都由一种电磁钢板做成，并且通过模压方法形成一个T形。电枢线圈117被缠绕在所述定子齿的一个中间部分，所述中间部分被布置在各个所述定子齿的一个内卡箍(yoke)和一个外卡箍之间。将所述具有电枢线圈117的定子齿以一种周向等距离的间隔关系进行布置，从而形成一个大体上为环形的定子芯。所述定子芯通过螺栓119被支撑在沿着定子101轴向相互相对的支架113和118之间。所述整个定子芯通过树脂模制形成定子101的一个整体。冷却通道141在树脂铸型120内部在定子101的轴向上穿过相邻的定子齿116延伸。螺栓119被沿径向布置在冷却通道141的内侧和外侧。每个螺栓119都通过拧在螺栓上的螺母119a拧紧固定。这种使用螺栓119和螺母119a的拧紧结构可以用铆接固定代替。
通过将一种复合电流加载到定子101的电枢线圈117上驱动所述多轴多层电机。所述复合电流由两种具有不同相位的电流组成，所述相位对应于内外转子102和103的旋转位置，也就是，内外转子102和103的所述永久磁体的位置，所述位置可以分别通过旋转角传感器147、148进行检测。在将所述复合电流加载到电枢线圈117上的情况下，定子101产生两个旋转磁场，所述磁场分别作用于内外转子102和103，从而与所述各个旋转磁场同步地独立驱动内外转子102和103。
参考图3，图3说明了本发明的实施例的所述电动旋转机器，所述电动旋转机器适用于上述的所述多轴多层电机。所述实施例的电动旋转机器包括定子201，布置在定子201内侧的内转子202和布置在定子201外侧的外转子203。在本实施例中，内转子202具有三个极对，并且外转子203具有六个极对。定子201具有十八个狭槽，所述狭槽在定子齿204中形成，并且容纳了两个电枢线圈的绕组205和206，所述电枢线圈分别用于驱动内外转子202和203。如从定子201和内外转子202和203的周向所示，图3显示了本实施例的所述电动旋转机器的一个三分之一模型。
如图3所示，定子201包括多个定子齿204，所述定子齿204包括定子齿204-1，204-2，204-3，204-4，204-5和204-6。定子齿204在内转子202的一侧支撑内电枢绕组205，并且在外转子203的一侧支撑外电枢绕组206。内电枢绕组205包括内电枢线圈205-1，205-2，205-3，205-4，205-5和205-6，所述电枢线圈分别被缠绕在定子齿204-1，204-2，204-3，204-4，204-5和204-6的内转子侧部分。外电枢绕组206包括外电枢线圈206-1，206-2，206-3，206-4，206-5和206-6，所述电枢线圈分别被缠绕在定子齿204-1，204-2，204-3，204-4，204-5和204-6的外转子侧部分。通过仅仅供给内电枢绕组205能量驱动内转子202，通过仅仅供给外电枢绕组206能量驱动外转子203。一种多相交流电，在本实施例中，一种三相交流电，被加载到每个内电枢绕组205和外电枢绕组206上。
外转子203具有所述六个极对。外电枢绕组206的外电枢线圈206-1至206-6，被布置为相邻电枢线圈之间具有120°的电角。也就是，以外电枢线圈206-1具有0°的电角为参考，外电枢线圈206-2和206-3分别具有120°和240°的电角。外电枢线圈206-1至206-6被以相同的缠绕方向缠绕在相应的定子齿204-1至204-6上。内转子202具有所述三个极对。内电枢绕组205的内电枢线圈205-1至205-6，被布置为相邻两电枢线圈之间具有60°的电角。特别的，以内电枢线圈205-1具有0°电角为参考，内电枢线圈205-2，205-3，205-4，205-5和205-6分别具有60°，120°，180°，240°和300°的电角。内电枢线圈205-1，205-3，205-5被以相同的方向缠绕在相应的定子齿204-1，204-3和204-5上。另一方面，内电枢线圈205-2，205-4，205-6被以相同的方向缠绕在相应的定子齿204-2，204-4和204-6上，所述方向与内电枢线圈205-1，205-3，205-5的所述缠绕方向相反。也就是，在内电枢绕组205中，沿着一个方向缠绕的内电枢线圈205-1，205-3，205-5，和沿着相反的方向缠绕的内电枢线圈205-2，205-4，205-6，都被沿着周向交替布置。内电枢线圈205-1至205-6中的每个电枢线圈都可以具有比外电枢线圈206-1至206-6中的每个电枢线圈更多的匝数。
内电枢绕组205和外电枢绕组206在内电枢线圈205-1至205-6之间和外电枢线圈206-1至206-6之间都分别具有电连接，从而防止在内电枢绕组205和外电枢绕组206之间产生磁相干扰。图4显示了图3中所示的外电枢绕组206的外电枢线圈206-1至206-6之间的所述电连接。如图4所示，所述三相交流电的U-相(0°相)电流，V-相(120°相)电流和W-相(240°相)电流，都被分别加载到外电枢线圈206-1，206-2和206-3上。外电枢线圈206-1，206-2和206-3都以逆时针方向依次布置，如图3中所示，在相邻的电枢线圈之间形成120°的电角。如图4所示，外电枢线圈206-1，206-2和206-3分别与外电枢线圈206-4，206-5和206-6串联连接。因此，与外电枢线圈206-1相连接的外电枢线圈206-4被加载U-相电流。与外电枢线圈206-2相连接的外电枢线圈206-5被加载V-相电流。与外电枢线圈206-3相连接的外电枢线圈206-6被加载W-相电流。外电枢线圈206-4，206-5和206-6在一个中性位置相互连接。在外电枢绕组206的外电枢线圈206-1至206-6的所述电连接中，所述三对外电枢线圈，也就是，206-1和206-4，206-2和206-5，以及206-3和206-6，以360°的电角相互区别，并相互连接，从而可以被加载相位相同的电流，也就是，所述三相电流的U-相电流，V-相电流和W-相电流。
图5显示了图3中所示的内电枢绕组205的内电枢线圈205-1至205-6之间的所述电连接。如图5所示，所述三相交流电的U-相(0°相)电流，V-相(120°相)电流和W-相(240°相)电流，都被分别加载到内电枢线圈205-1，205-3和205-5上。如图5所示，内电枢线圈205-1，205-3和205-5分别与内电枢线圈205-4，205-6和205-2相连接。因此，与内电枢线圈205-1相连接的内电枢线圈205-4被加载U-相电流。与内电枢线圈205-3相连接的内电枢线圈205-6被加载V-相电流。与内电枢线圈205-5相连接的内电枢线圈205-2被加载W-相电流。内电枢线圈205-4，205-6和205-2在一个中性位置相互连接。
在内电枢绕组205的内电枢线圈205-1至205-6的所述电连接中，三对内电枢线圈，也就是，205-1和205-4，205-3和205-6，以及205-5和205-2，以180°的电角相互区别，相互连接，从而可以被加载相位相同的电流，也就是，所述三相电流的U-相电流，V-相电流和W-相电流。特别的，具有0°电角的内电枢线圈205-1与具有180°电角的内电枢线圈205-4相连接。具有120°电角的内电枢线圈205-3与具有300°电角的内电枢线圈205-6相连接。具有240°电角的内电枢线圈205-5与具有60°电角的内电枢线圈205-2相连接。这样，内电枢线圈205-1和205-4相差180°的电角。同样的，内电枢线圈205-3和205-6相差180°的电角。内电枢线圈205-5和205-2相差180°的电角。
当通过将所述三相交流电加载到内电枢绕组205上，内电枢绕组205被供给能量的时候，在每个内电枢线圈205-1至205-6中产生的磁通量穿过外电枢绕组206的外电枢线圈206-1至206-6中相应的一个，如图4中通过箭头MFIR所示。这时，在每个外电枢线圈206-1至206-6中，通过在每个内电枢线圈205-1至205-6中产生的所述磁通量感应产生电压。外电枢线圈206-1中的通过内电枢线圈205-1的所述磁通量感应产生的电压的方向与外电枢线圈206-4中的通过内电枢线圈205-4的所述磁通量感应产生的电压的方向相反。因此，外电枢线圈206-1和206-4中的通过内电枢线圈205-1和205-4的所述磁通量感应产生的电压相互抵消。同样的，外电枢线圈206-2中的通过内电枢线圈205-2的所述磁通量感应产生的电压的方向与外电枢线圈206-5中的通过内电枢线圈205-5的所述磁通量感应产生的电压的方向相反。外电枢线圈206-2和206-5中的通过内电枢线圈205-2和205-5的所述磁通量感应产生的电压相互抵消。外电枢线圈206-3中的通过内电枢线圈205-3的所述磁通量感应产生的电压的方向与外电枢线圈206-6中的通过内电枢线圈205-6的所述磁通量感应产生的电压的方向相反。外电枢线圈206-3和206-6中的通过内电枢线圈205-3和205-6的所述磁通量感应产生的电压相互抵消。
当通过将所述三相交流电加载到外电枢绕组206上，外电枢绕组206被供给能量的时候，在每个外电枢线圈206-1至206-6中产生的磁通量穿过内电枢绕组205的内电枢线圈205-1至205-6中相应的一个，如图5中通过箭头MFOR所示。这时，在每个内电枢线圈205-1至205-6中，通过在每个外电枢线圈206-1至206-6中产生的所述磁通量感应产生电压。内电枢线圈205-1的缠绕方向与和内电枢线圈205-1相连接的内电枢线圈205-4的缠绕方向互相相反。结果，内电枢线圈205-1中的通过外电枢线圈206-1的所述磁通量感应产生的电压的方向与内电枢线圈205-4中的通过外电枢线圈206-4的所述磁通量感应产生的电压的方向互相相反。内电枢线圈205-1和205-4中通过外电枢线圈206-1和206-4的所述磁通量感应产生的电压相互抵消。同样的，内电枢线圈205-3的缠绕方向与内电枢线圈205-6的缠绕方向互相相反。内电枢线圈205-3和205-6中通过外电枢线圈206-3和206-6的所述磁通量感应产生的电压的方向互相相反。内电枢线圈205-3和205-6中通过外电枢线圈206-3和206-6的所述磁通量感应产生的电压相互抵消。内电枢线圈205-2的缠绕方向与内电枢线圈205-5的缠绕方向互相相反。内电枢线圈205-2和205-5中通过外电枢线圈206-2和206-5的所述磁通量感应产生的电压的方向互相相反。内电枢线圈205-2和205-5中通过外电枢线圈206-2和206-5的所述磁通量感应产生的电压相互抵消。
因为外电枢绕组206的外电枢线圈206-1至206-6和内电枢绕组205的内电枢线圈205-1至205-6具有上述的各自的电连接，所以能够防止外电枢绕组206和内电枢绕组205相互之间的磁相干扰。此外，在一个使用了两个三相反相器的实例中，能够独立地驱动内转子202和外转子203，从而产生扭矩。在所述实例中，能够将受电设备的数量降低到最少，并且能够将电压的利用率增加到最大。
此外，如上文所述，因为内电枢绕组205和外电枢绕组206都分开地设置在定子齿204上，所以能够独立设置用于内转子202和用于外转子203的安培匝数的最佳数量。这样可以减少内转子202的磁体的数量，在一个内电枢绕组205的安培匝数的数量与外电枢绕组206的安培匝数的数量相同的情况下，这个数量将会增加。例如，如果将内电枢绕组205的安培匝数的数量设置为比外电枢绕组206的安培匝数更多的数量，那么将能够减少内转子202的磁体的数量。这样可以节省成本。
本发明的所述电动旋转机器能够保持与通过常规复合电流在定子齿中产生的复合磁场相似的磁场。此外，本发明的所述电动旋转机器能够增加电源的利用率(kVA)，降低峰值电流，获得用于所述内外转子的各自线圈的最佳结构，以及降低成本。
本发明基于一个现有的2003年12月15日提出的日本专利申请No.2003-416578。据此，将整个日本专利申请No.2003-416578的内容以参考的方式结合入本发明中。
虽然已经参考本发明的一个特定的实施例，在上文中对本发明进行了说明，但是本发明不只限定于上述实施例。根据上述教义，本领域内的技术人员将能想到上述实施例的变型和变化。本发明的范围将结合下列权利要求书进行限定。

Claims (9)

1.一种电动旋转机器，包括：
一个包括多个沿周向布置的定子齿的定子；
一个在所述定子内侧与所述定子同轴布置的内转子；
一个在所述定子外侧与所述定子同轴布置的外转子；
一个内电枢绕组，所述内电枢绕组包括多个位于所述内转子一侧的缠绕在所述定子齿上的内电枢线圈，所述内电枢绕组被供给能量用来驱动所述内转子；和
一个外电枢绕组，所述外电枢绕组包括多个位于所述外转子一侧的缠绕在所述定子齿上的外电枢线圈，所述外电枢绕组被供给能量用来驱动所述外转子；
其特征在于，所述内电枢绕组和所述外电枢绕组在所述多个内电枢线圈之间和所述多个外电枢线圈之间都分别具有电连接，从而防止在所述内电枢绕组和所述外电枢绕组之间产生磁相干扰，
所述多个内电枢线圈中的每个线圈都比所述多个外电枢线圈中的每个线圈具有更多的安培匝数。
2.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其特征在于，所述外电枢绕组具有所述电连接，所述电连接中，在所述多个外电枢线圈中的一个线圈中，通过在所述多个内电枢线圈中的一个线圈中产生的磁通量感应产生的电压的方向，与在所述多个外电枢线圈中的与所述多个外电枢线圈中的所述一个线圈相连接的另一个线圈中、通过在所述多个内电枢线圈中的、与所述多个内电枢线圈中的所述一个线圈相连接的另一个线圈中产生的磁通量感应产生的电压的方向相反，并且其中，所述内电枢绕组具有所述电连接，在所述电连接中，在所述多个内电枢线圈中的一个线圈中，通过在所述多个外电枢线圈中的一个线圈中产生的磁通量感应产生的电压的方向，与在所述多个内电枢线圈中的与所述多个内电枢线圈中的所述一个线圈相连接的另一个线圈中，通过在所述多个外电枢线圈中的与所述多个外电枢线圈中的所述一个线圈相连接的另一个线圈中产生的磁通量感应产生的电压的方向相反。
3.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其特征在于，所述外转子具有两倍于内转子的磁极数量，所述多个内电枢线圈包括多个成对的相互连接的内电枢线圈，每对内电枢线圈相差180°的电角，并且被加载一种相同相位的电流。
4.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其特征在于，所述内转子具有三个极对并且所述外转子具有六个极对。
5.根据权利要求4所述的电动旋转机器，还包括用于独立驱动所述内转子和外转子的两个三相反相器。
6.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其特征在于，所述多个外电枢线圈包括多个成对的按照一个相同方向缠绕的外电枢线圈，每对外电枢线圈都相互连接并且被加载一种相同相位的电流，所述多个内电枢线圈包括多个成对的按照相互相反的方向缠绕的内电枢线圈，每对内电枢线圈相互连接并且被加载一种相同相位的电流。
7.根据权利要求4所述的电动旋转机器，其特征在于，所述多个外电枢线圈具有一个相同的缠绕方向，所述多个内电枢线圈包括具有一个缠绕方向的内电枢线圈和具有一个相反的缠绕方向的内电枢线圈，所述多个内电枢线圈沿周向交替布置。
8.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其特征在于，所述多个内电枢线圈和所述多个外电枢线圈被分别加载一种多相交流电。
9.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其特征在于，所述多个内电枢线圈和所述多个外电枢线圈被分别加载一种三相交流电。
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