CN101179221A - 无刷双机械端口电机 - Google Patents

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无刷双机械端口电机，属于交流电机及其控制技术领域，克服无刷双馈电机原动机不能直接传递能量到负载；双机械端口电机采用电刷结构所导致的效率、可靠性降低，经常需要进行维护等问题。本发明机械部分包括定子、外转子和内转子，外转子的内外表面分别贴装内侧永磁体和外侧永磁体；电气部分定子绕组包括定子功率绕组和定子感应绕组，内转子绕组包括转子功率绕组和转子感应绕组；定子的两套绕组通过交－直－交电能变换器相连接，内转子两套绕组直接内部串联。本发明具有两个机械端口，两个电端口，四个端口均可作为能量的输入、输出，能量变换灵活，运行工况多种多样，同时，免去对电刷等部件经常维护更换，减小机械损耗，提高系统效率及可靠性。

Description

无刷双机械端口电机
技术领域
本发明属于交流电机及其控制技术领域，具体涉及一种双转子无电刷馈电的双机械端口电机。
背景技术
交流电机调速方法包括变极调速和变频调速，除此之外，交流感应电动机还可以变转差调速。变极调速不能连续调速，应用范围有限。变频调速需要使用和电机同容量的变频器，成本高。变转差调速又分为耗能型和回馈型变转差调速，前者调速时的耗能很大，运行效率低，使用范围也有限；后者可以将电机调速时的转差能量回送电源，运行效率高，如串极调速和双馈调速系统。
目前双馈调速交流感应电机转子上有一套三相绕组，通过集电环和电刷将转子三相绕组与电能变换器连接，并通过电能变换器与交流电网交换能量，调节电机的转速。为了消除集电环和电刷之间的磨损和运行的不可靠性，20世纪初，Hunt提出原型自级联电机并于70年代由Broadway等人改进成为的无刷双馈电机；Wallace Alan K于1994年设计一种无刷双馈电机，见Wallace Alan K，A Design Procedure For theBrushless Doubly-Fed Machine Adjustable Speed Drive.ICEM，1994，该电机定子上有功率绕组和控制绕组，通过能量变换器调节控制绕组与交流电网之间的能量流动，可以调节电机转速。这种电机只有一个机械端口，原动机不能直接传递能量到负载。
上世纪90年代，瑞典皇家工学院的Nordlund等人提出一种双机械端口电机，于2005年发表论文，见E.Nordlund，The Four-Quadrant TransducerSystem for Hybrid Electric Vehicles.Doctor’s thesis，Royal Institute ofTechnology，Stockholm，May，2005，ISBN 91-7178-057-2，ISSN 1650-674X。该电机有两个转子，一个转子(内转子)与原动机相联，另一个转子(外转子)与负载相联，原动机可以直接传递机械能到负载，调节电机内转子和定子之间的能量流动，可以调节电机转速，这种电机能量变化灵活多样，而且电能变换器的容量通常也可以不用达到系统总的容量，降低了电能变换器的成本。但这种电机内转子绕组需要通过集电环和电刷引出电流，造成电机运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等弊端。
发明内容
本发明提供一种无刷双机械端口电机，既有两个转子，又无集电环和电刷，通过电能变换器调节电机内转子传递的转差能量，克服无刷双馈电机原动机不能直接传递能量到负载；双机械端口电机采用电刷结构所导致的运行效率下降、可靠性降低、经常需要对电刷等部件进行维护等问题。
本发明的一种无刷双机械端口电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分包括由外向内依次装设的定子、外转子和内转子，外转子的内外表面分别贴装内侧永磁体和外侧永磁体，与定子通过轴承转动连接，内转子与外转子和定子通过轴承转动连接，内、外转子轴与机械机构相连，作为动力输出或者输入；电气部分包括定子绕组、内转子绕组和交—直—交电能变换器，其特征在于：
所述定子绕组包括定子功率绕组和定子感应绕组；所述内转子绕组包括转子功率绕组和转子感应绕组；
转子功率绕组与外转子的内侧永磁体对应，它们之间的磁场相互耦合；转子感应绕组与定子感应绕组对应，它们之间的磁场相互耦合；定子功率绕组与外转子的外侧永磁体对应，它们之间的磁场相互耦合；
定子的两套绕组通过交—直—交电能变换器相连接，内转子两套绕组直接内部串联。
所述的无刷双机械端口电机，其特征在于：所述交—直—交电能变换器包括整流器和逆变器，整流器交流侧与定子感应绕组电气连接，逆变器交流侧与定子功率绕组电气连接，整流器和逆变器的直流侧互相电气连接。
所述的无刷双机械端口电机，其特征在于：所述整流器和逆变器之间并联直流电源，调整电机输入和输出机械功率之间的不平衡，所述直流电源为蓄电池、超级电容或者直流电网中的一种。
当内、外转子旋转的时候，转子功率绕组与内侧永磁体，转子感应绕组与定子感应绕组，定子功率绕组与外侧永磁体构成三套电磁耦合关系，实现电机内部的机械能与电、磁能量转换。电机内转子的旋转使转子功率绕组与内侧永磁体产生电磁耦合，感应出电能，并且同时会将其部分机械能传递给外转子使其旋转，同时，转子感应绕组与定子感应绕组发生电磁耦合，将产生的电能传递给定子感应绕组，再经过电能变换器传递给定子功率绕组，然后定子功率绕组与外侧永磁体也存在电磁耦合关系，又将电能转化为机械能传递给外转子。内外转子转速差折合成频率，也就是转差频率是和内转子中感应电流的频率相等的，而这个频率又和定子感应绕组中感应的电流频率是有对应关系的，换言之，如果电能变换器能够改变定子感应绕组中电流的频率，也就可以改变内转子中电流的频率，如果原动机转速恒定，就可以改变外转子的转速，相当于对负载调速。这个原理同双馈调速的原理是类似的，区别在于这里调节的其实是转差。
本发明继承了双机械端口电机具有两个机械端口，两个电端口，四个端口均可作为能量的输入、输出，能量变换灵活，运行工况多种多样的优点，同时，在无电刷的情况下实现能量双馈，免去了对电刷等部件经常维护更换的麻烦，减小了机械损耗，提高了系统效率以及可靠性。
此外，本发明采用的电能变换器是交—直—交型电能变换器，在中间的直流环节再加入储能装置，则能量的变换受到的约束更少，变化情况更为多样，适合多种工况运行，满足复杂的运行要求。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明在混合动力电动汽车上应用的系统结构示意图；
图3是本发明在图2实施方式下的一种工况示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由机械部分和电气部分组成，机械部分包括由内向外依次装设的内转子1、外转子2和定子3，外转子的内表面贴装内侧永磁体10，外表面贴装外侧永磁体11，外转子2与定子3通过轴承转动连接，内转子1与外转子2和定子3通过轴承转动连接，内、外转子轴与机械机构相连，作为动力输出或者输入；
电气部分包括定子绕组及内转子绕组和电能变换器，所述定子绕组包括定子功率绕组8和定子感应绕组9；所述内转子绕组包括转子功率绕组6和转子感应绕组7；定子的两套绕组通过交—直—交电能变换器4相连接，内转子两套绕组直接内部串联。
交—直—交电能变换器4包括整流器4-1和逆变器4-2，整流器4-1交流侧与定子感应绕组9电气连接，逆变器4-2交流侧与定子功率绕组8电气连接，整流器和逆变器的直流侧互相电气连接。
整流器4-1和逆变器4-2之间可以并联直流电源5，调整电机输入和输出机械功率之间的不平衡。
图2所示为本发明在混合动力电动汽车上应用的系统结构图。其中，汽车内燃机16与内转子1相连，作为原动机输入，外转子2与汽车的驱动轮17相连，作为机械负载。同时，定子的两套绕组之间采用交—直—交电能变换器4、其中整流器4-1，逆变器4-2，在交—直—交电能变换器4的直流环节中，直流电源5为蓄电池，作为功率的补充。
如图3所示，当汽车内燃机16以恒定转速和功率旋转时，拖动内转子1同速旋转，转速为ωm1，输入的机械转矩为Tm1，原动机的输入功率为Pm1＝ωm1·Tm1。
外转子2的内外表面均贴装永磁体，当内转子旋转的时候，内转子中的转子功率绕组6与内侧永磁体10相互作用，在空间产生电磁转矩Tf1，电磁转矩Tf1相对于内转子是制动性质的，对于外转子是拖动性质的。由于电磁转矩Tf1的存在，内转子的旋转必定带动外转子同方向旋转，外转子的转速为ωm2，而且，ωm2＜ωm1，这样，内转子就将一部分机械功率直接传递给了外转子，由内转子直接传递给外转子的功率Pd＝ωm2·Tf1。
另一部分功率则转化为内转子绕组中的电功率Pe1。内转子中的转子感应绕组7与定子中的定子感应绕组9之间存在感应作用，将这部分电能通过感应的方式传递到定子感应绕组9中。在传递这部分电能的过程中，转子感应绕组7与定子感应绕组9相互作用，产生电磁转矩Tf3，电磁转矩Tf3相对于内转子来说也是制动性质的。
电功率Pe1经过整流器4-1，同蓄电池产生能量交换，电功率为Ps，这个功率可能是蓄电池吸收的，也可能是蓄电池发出的功率，电功率Pe1与电功率Ps经过逆变器4-2被送入到定子功率绕组8中，此时的电功率大小为Pe2。
定子功率绕组8同外侧永磁体11之间也存在电磁耦合，从而在定子3和外转子2之间也产生一个电磁转矩Tf2，外转子上就受到两个电磁转矩Tf1和Tf2的共同作用，而外转子2最终的输出机械转矩要同这两个电磁转矩相平衡，所以输出机械转矩Tm2＝Tf1+Tf2，外转子的转速为ωm2，所以总的输出机械功率为Pm2＝ωm2·Tm2。
如果不考虑损耗和与外界能量交换，在这套系统中，Pe1必然等于Pe2，从而Pm1＝Pm2，整个系统的出入机械能和输出机械能是平衡的，但是经过中间环节将部分机械能转化为电能，就改变了输入和输出之间的转速和转矩。
对于混合动力电动汽车来讲，内燃机经常因为受到负载工况的影响而频繁改变工作点，但大部分工作点又不是内燃机工作的高效率点，所以导致内燃机效率低下，能量损耗严重，但是采用无刷双机械端口电机作为传动系统，内燃机可以工作在一个固定的工作点，而负载的工况却可以任意调节，从而使输入和输出之间没有直接的机械联系，内燃机可以长期工作在高效率工作点，从而提高燃料利用率，降低损耗。而且在电能变换器中间直流环节加入蓄电池，更可以使输入功率和输出功率不一定要相等。由蓄电池弥补输入同输出之间的功率差，内燃机的功率也可以不需要随负载工况快速变化而变化，从而可以有效地保证负载工况频繁变动的情况下内燃机始终工作于高效区。

Claims (3)

1.一种无刷双机械端口电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分包括由外向内依次装设的定子、外转子和内转子，外转子的内外表面分别贴装内侧永磁体和外侧永磁体，与定子通过轴承转动连接，内转子与外转子和定子通过轴承转动连接，内、外转子轴与机械机构相连，作为动力输出或者输入；电气部分包括定子绕组、内转子绕组和交—直—交电能变换器，其特征在于：
所述定子绕组包括定子功率绕组和定子感应绕组；所述内转子绕组包括转子功率绕组和转子感应绕组；
转子功率绕组与外转子的内侧永磁体对应，它们之间的磁场相互耦合；转子感应绕组与定子感应绕组对应，它们之间的磁场相互耦合；定子功率绕组与外转子的外侧永磁体对应，它们之间的磁场相互耦合；
定子的两套绕组通过交—直—交电能变换器相连接，内转子两套绕组直接内部串联。
2.如权利要求1所述的无刷双机械端口电机，其特征在于：所述交—直—交电能变换器包括整流器和逆变器，整流器交流侧与定子感应绕组电气连接，逆变器交流侧与定子功率绕组电气连接，整流器和逆变器的直流侧互相电气连接。
3.如权利要求2所述的无刷双机械端口电机，其特征在于：所述整流器和逆变器之间并联直流电源，调整电机输入和输出机械功率之间的不平衡，所述直流电源为蓄电池、超级电容或者直流电网中的一种。
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PB01 Publication
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C14 Grant of patent or utility model
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: German motor (Zhejiang) Co. Ltd.

Assignor: Huazhong University of Science and Technology

Contract record no.: 2010330002264

Denomination of invention: Brushless dual-mechanical port motor

Granted publication date: 20100519

License type: Exclusive License

Open date: 20080514

Record date: 20101220

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100519

Termination date: 20130920