CN101106308A - 磁阻式四端口机电能量变换器 - Google Patents

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宋立伟
韩守亮
程远
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Abstract

磁阻式四端口机电能量变换器，它涉及一种机电能量变换装置，为了解决现有双转子机电能量变换器的恒功率范围窄、可靠性不高的问题。本发明的副位置检测装置设置在机壳的左端盖外侧，主位置检测装置设置在机壳右端盖的外侧，内转子的铁心和定子的铁心为凸极结构，内转子的铁心和定子的铁心上安放有单相或多相集中绕组；定子绕组直接穿过左端盖引出的连接端口作为第一电气端口并连接有第一功率变换器，从滑环接出的连接端口作为第二电气端口并连接有第二功率变换器，所述的第一功率变换器与第二功率变换器之间连接有外接储能设备；外转子为内外双凸极结构且在切线方向上作为磁路的导体。本发明具有坚固可靠、恒功率范围宽、可靠性高的优点。

Description

磁阻式四端口机电能量变换器
技术领域
本发明具体涉及一种传动系统用磁阻式机电能量变换装置。
背景技术
目前，用于传动系统实现机械能和电能的分配和传递的有，机械齿轮变速箱(分为手动变速和自动变速)加上电机及驱动控制装置组成的系统，以及双机械端口电机及其驱动控制构成的系统。
对于机电能量变换器已有很多研究。专利号为WO0034066、EP1481463和CN1945939A的专利文献中都公开了一种双机械端口电机。专利号为WO0034066中公开的的双机械端口电机，其径向磁场的方案是最外层为定子，中间为中间转子，最内层为转子的双转子电机。其中，转子-中间转子以及中间转子-定子形成了两个电机且在机械上形成一个整体。两个电机可以是同步电机也可以是异步电机，但它们是电磁隔离的。其控制可以独立进行，沿用传统的电机控制方法。专利EP1481463在专利WO0034066的基础上进行了改进，它进一步提出了使内外电机不仅在机械上连接，在磁路上也部分耦合。这种电机中间转子比较厚，重量较大，其弱磁需要较大的弱磁电流来抵消永磁体产生的磁场，从而加大了电机损耗，引起电机的温升。并且专利中没有提到磁场耦合给控制带来的困难及解决的办法。专利CN1945939A的专利文献中公开的的双机械端口电机有径向磁场方案和轴向磁场方案，并且提出了一种驱动控制方法。其电机实现有多种方法：基于永磁电机原理的双转子电机，效率较高，但是成本也较高，并且可靠性并不能保证，弱磁时也需要较大的弱磁电流，以至电机损耗和温升也比较大；基于感应电机原理的双转子，中间转子耦合场比较复杂，其等效电路模型并不清晰，给控制带来很大麻烦。
发明内容
为了解决现有双转子机电能量变换器的恒功率范围窄、可靠性不高的问题，本发明提供了一种磁阻式四端口机电能量变换器。
本发明包括机壳、主轴、副轴、外转子、定子和内转子，外转子、定子和内转子在机壳内，外转子固定在主轴的支架上，主轴的右侧连接端口作为第一机械端口；内转子连接在副轴上，副轴的左侧连接端口作为第二机械端口；定子固定在机壳内壁上；副轴的中部和右端通过轴承分别与支架上的左侧轴孔和右侧轴孔转动连接，副轴的左侧中部通过轴承与机壳的左端盖上的轴孔转动连接，主轴的右侧中部通过轴承与机壳的右端盖上的轴孔转动连接，定子、外转子、内转子、副轴和主轴的轴心线相重合，所述定子的内表面与外转子的外表面之间有气隙，外转子的内表面与内转子的外表面之间有气隙，它还包括副位置检测装置和主位置检测装置，所述的副位置检测装置设置在机壳的左端盖外侧，主位置检测装置设置在机壳右端盖的外侧，内转子的铁心和定子的铁心为凸极结构，内转子的铁心和定子的铁心上安放有单相或多相集中绕组；定子绕组直接穿过左端盖引出的连接端口作为第一电气端口并连接有第一功率变换器，内转子绕组与设置在机壳外的副轴上的滑环连接，从滑环接出的连接端口作为第二电气端口并连接有第二功率变换器，所述的第一功率变换器与第二功率变换器之间连接有外接储能装置；外转子为内外双凸极结构且在切线方向上作为磁路的导体。
本发明可以应用于汽车传动方面及风力发电方面，在用于汽车传动时实现无级变速，并能代替离合器、变速箱、起动机和发电机；它具有坚固可靠、恒功率范围宽、可靠性高的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是图1的A-A剖面图，图3是具体实施方式三的结构示意图，图4是图3的D-D剖面图，图5是图3的E向视图，图6是图1的B-B剖面图，图7是图6的左视图，图8是图1的C-C剖面图，图9是图8的左视图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图2、图6、图7、图8和图9具体说明本实施方式，本实施方式由机壳1、主轴2、副轴3、外转子4、定子5、内转子6、副位置检测装置7和主位置检测装置8，外转子4、定子5和内转子6在机壳1内，外转子4固定在主轴2的支架2-1上，主轴2的右侧连接端口作为第一机械端口；内转子6连接在副轴3上，副轴3的左侧连接端口作为第二机械端口；定子5固定在机壳1内壁上；副轴3的中部和右端通过轴承分别与支架2-1上的左侧轴孔和右侧轴孔转动连接，副轴3的左侧中部通过轴承与机壳1的左端盖1-1上的轴孔转动连接，主轴2的右侧中部通过轴承与机壳1的右端盖1-2上的轴孔转动连接，定子5、外转子4、内转子6、副轴3和主轴2的轴心线相重合，所述定子5的内表面与外转子4的外表面之间有气隙L1，外转子4的内表面与内转子6的外表面之间有气隙L2，所述的副位置检测装置7设置在机壳1的左端盖1-1外侧，主位置检测装置8设置在机壳1右端盖1-2的外侧，副位置检测装置7是由固定在副轴3上的齿盘15和固定在左端盖1-1上的检测板16组成，所述齿盘15的外侧设有排列均匀的齿15-1，齿盘15的齿15-1的数量和外转子4的极数相对应，检测板16的与齿盘15相对的端面上设置有光电耦合开关13和信号处理器14，齿盘15上的与光电耦合开关13相对的齿15-1卡在光电耦合开关13中；主位置检测装置8的组成及连接关系与副位置检测装置7相同，内转子6的铁心和定子5的铁心为凸极结构，内转子6的铁心和定子5的铁心上安放有单相或多相集中绕组；定子绕组5-1直接穿过左端盖1-1引出的连接端口作为第一电气端口并连接有第一功率变换器10，内转子绕组6-2与设置在机壳1外的副轴2上的滑环9连接，从滑环9接出的连接端口作为第二电气端口并连接有第二功率变换器11，所述的第一功率变换器10与第二功率变换器11之间连接有外接储能装置12；外转子4为内外双凸极结构且在切线方向上作为磁路的导体；外转子4为内外双凸极结构，提供统一磁场通路，用来输出功率；主位置检测装置8测量的是第一机械端口的位置和转速，副位置检测装置7测量的是第二机械端口的位置和转速。
当上述磁阻式四端口机电能量变换器应用在汽车传动领域中时，所述的第一机械端口直接与传动轴相连，第二机械端口与发动机的输出端连接，分别通过第一功率变换器和第二变换器给第一电气端口和第二电气端口输入或输出电能。
若上述磁阻式四端口机电能量变换器的功率变换器不连接外接储能设备，它将像普通的无级变速器一样工作，其实现的功能是离合器和变速箱。在汽车中安装磁阻式四端口机电能量变换器，则发动机实际上为唯一的能量转换器提供动能，其输出特性可按最佳状态设定，这样，可以提高发动机的效率，减少燃料的消耗，降低噪声以及减少汽车中有害气体的排放。由于磁阻式四端口机电能量变换器是一个无级变速器，在加减速的时候没有换档振动，也就可以在恒定功率(最大的容许值)下连续加速，而不是像传统变速箱那样在加减速时有或大或小的波动，并且对于相同的发动机，磁阻式四端口机电能量变换器的加速过程要快于传统变速箱。工作时，外转子没有电流产生，电磁耦合较小，所以控制也较简单。在它的轴两端安放位置检测装置，可以精确的得到转子位置信号以及速度信号，那么将位置信号输送给控制器便可对内外转子实行精确的转矩及转速控制，可以达到很宽的调速范围。
若上述磁阻式四端口及电能量变换器的功率变换器连接外接储能设备，则将组成磁阻式电气变速器系统，如把定子、外转子以及主轴组成的部分称为主电机，这部分是用来驱动汽车车轮；把内转子、外转子和副轴组成的部分称为副电机，这部分是用来传递发动机的功率，当汽车启动时，可以只有主电机工作，这时外接储能设备提供能量，那么磁阻式电气变速器就是一个独立的起动器。一般地，汽车在短时停车时并不熄掉发动机，因为传统的起动器并不太适合频繁的启动，但是磁阻式电气变速器可以很好的解决这个问题，不但节省燃料，而且会更加舒适。当汽车需要制动时，主电机可以作为发电机，可以将刹车的能量回收给外接储能设备，并且磁阻式电气变速器可以随时开关，因此空载损耗要低很多；在汽车正常运行时，磁阻式电气变速器的主副电机正常工作，可以根据发动机的最优工作点以及汽车的行使速度来调节变速比，同时调节功率输出。发动机以恒速运行，拖动副电机工作，副电机将一部分能量以电磁能直接转化给主电机，另一部分能量转变成电能传递给主电机。主副电机根据汽车的需要调节输出的转矩和速度，主副电机均由单独的控制器来控制，从而实现了变速箱无级变速的功能；假如汽车加速时，发动机的功率不够，可以从外接储能设备提供额外能量，这样就可以将发动机最大功率设计的较小，从而使汽车更加经济节能，而不影响其加速性能。
具体实施方式二：下面结合图3、图4和图5具体说明本实施方式，本实施方式中内转子6的铁心和定子5的铁心的极数与外转子4的内外极数相匹配，内转子6的铁心轭上开槽且槽内设置有永磁体10，定子5的铁心轭上开槽且槽内设置有永磁体10，增加永磁体可以增大电磁转矩、提高材料利用率，并能够提高效率，其它组成及连接关系同具体实施方式一。

Claims (3)

1.磁阻式四端口机电能量变换器，它包括机壳(1)、主轴(2)、副轴(3)、外转子(4)、定子(5)和内转子(6)，外转子(4)、定子(5)和内转子(6)在机壳(1)内，外转子(4)固定在主轴(2)的支架(2-1)上，主轴(2)的右侧连接端口作为第一机械端口；内转子(6)连接在副轴(3)上，副轴(3)的左侧连接端口作为第二机械端口；定子(5)固定在机壳(1)内壁上；副轴(3)的中部和右端通过轴承分别与支架(2-1)上的左侧轴孔和右侧轴孔转动连接，副轴(3)的左侧中部通过轴承与机壳(1)的左端盖(1-1)上的轴孔转动连接，主轴(2)的右侧中部通过轴承与机壳(1)的右端盖(1-2)上的轴孔转动连接，定子(5)、外转子(4)、内转子(6)、副轴(3)和主轴(2)的轴心线相重合，所述定子(5)的内表面与外转子(4)的外表面之间有气隙(L1)，外转子(4)的内表面与内转子(6)的外表面之间有气隙(L2)，其特征在于它还包括副位置检测装置(7)和主位置检测装置(8)，所述的副位置检测装置(7)设置在机壳(1)的左端盖(1-1)外侧，主位置检测装置(8)设置在机壳(1)右端盖(1-2)的外侧，内转子(6)的铁心和定子(5)的铁心为凸极结构，内转子(6)的铁心和定子(5)的铁心上安放有单相或多相集中绕组；定子绕组(5-1)直接穿过左端盖(1-1)引出的连接端口作为第一电气端口并连接有第一功率变换器(10)，内转子绕组(6-2)与设置在机壳(1)外的副轴(2)上的滑环(9)连接，从滑环(9)接出的连接端口作为第二电气端口并连接有第二功率变换器(11)，所述的第一功率变换器(10)与第二功率变换器(11)之间连接有外接储能装置(12)；外转子(4)为内外双凸极结构且在切线方向上作为磁路的导体。
2.根据权利要求1所述的磁阻式四端口机电能量变换器，其特征在于内转子(6)的铁心和定子(5)的铁心的极数与外转子(4)的内外极数相匹配，内转子(6)的铁心轭上开槽且槽内设置有永磁体(10)，定子(5)的铁心轭上开槽且槽内设置有永磁体(10)。
3.根据权利要求1所述的磁阻式四端口机电能量变换器，其特征在于副位置检测装置(7)是由固定在副轴(3)上的齿盘(15)和固定在左端盖(1-1)上的检测板(16)组成，所述齿盘(15)的外侧设有排列均匀的齿(15-1)，齿盘(15)的齿(15-1)的数量和外转子(4)的极数相对应，检测板(16)的与齿盘(15)相对的端面上设置有光电耦合开关(13)和信号处理器(14)，齿盘(15)上的与光电耦合开关(13)相对的齿(15-1)卡在光电耦合开关(13)中；主位置检测装置(8)的组成及连接关系与副位置检测装置(7)相同。
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