CN101286679A - 嵌套式永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本嵌套式永磁同步电机，包括定子、外转子和内转子，定子为绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子处于定子内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子与定子构成外电机。内转子为电枢，位于外转子内，外转子与内转子构成内电机。外转子轴为本电机输出轴，内转子轴为本电机动力输入轴。内转子与发动机同步转动，内转子的绕组得到电流矢量，对发动机施加负载扭矩。外转子则直接对外做功，将发动机的功率透过到负载侧。内外电机均可四象限运行，各配装伺服驱动装置根据运行要求对内外电机分别加载不同的扭矩，本嵌套式电机即可按功率透过、发电储能、用电做功、制动回馈电能的新型动力传递方法运行；调节发动机工作于最佳效率点。

Description

嵌套式永磁同步电机
(一)技术领域
本发明涉及永磁同步电机，具体为一种嵌套式永磁同步电机。
(二)背景技术
由于能源紧缺，油价不断攀升，纯燃油发动机驱动油耗大、污染大成为关注焦点，原因与其发动机不便调整工作点、效率低有关，各国都加快了电动车的研究。
多年的研究发现纯电动车存在很多问题，主要是目前的蓄电池性能不能满足驱动车辆的要求。蓄电池的能积比与汽油相比相差甚远，重量为一吨的充满电的蓄电池所具有的能量还不及发动机燃烧30公斤汽油输出的能量大，因此纯电动车的续航能力都很有限。此外是充电时间长，转换效率低，100焦耳的电能量充入蓄电池，蓄电池能放出来的电能量不到40焦耳。快速充电用时虽短，但蓄电池效率更加降低。特别是蓄电池反复充电的次数有限，使用时间越长，其容量越低，一般很快就报废了，大量的废旧电池将又造成环境污染。
目前研究表明油电混合动力车是比较现实可行的节能车，因此研究的重点转移到油电混合动力车。这种车配备了燃油发动机和蓄电池，同时还有发电机和电动机。设计原理是通过发动机、发电机/电动机、蓄电池参与调节发动机的工作点，使发动机的转速和扭矩匹配在其最佳效率曲线上，从而使燃油发动机间歇或持续高效运行以实现消耗等量燃油获得更大的动能。通常的方法是根据车辆行驶状况的需要，将燃油发动机的产生的机械动能一部分输出给驱动轴、使之获得一定的转矩和转速，其余的动能则用于驱动发电机发电存贮于蓄电池，当特定地段或蓄电池电量饱和时，蓄电池带动电动机驱动车辆行驶。也可使燃油发动机间歇运行于高效率状态，其动能由发电机转为电能直接传递给电动机或存储于蓄电池，电动机驱动汽车运行。这样，燃油发动机的运行效率有所提高。
现有油电混合动力车的动力结构方案有串联式、并联式和串并联混合式。虽然实现了不同程度的节能，但现有的动力结构均存在一定的局限性，直接影响整车制造成本和节能效果。目前的油电混合动力车的动力结构难以满足进一步改进性能和实用的要求。
永磁同步伺服电机的特点是效率高、体积小，一台20KW左右的电机在100％满载率下的效率可达93％，20％满载率下的效率达81％，并可由四象限驱动器控制切换到发电或电动的不同工作状态，若对其进行组合、改造，与发动机配合应用于油电混合动力车中，有可能达到既便于调整发动机工作点、改进传递效率，又便于简化结构和降低重量，实现进一步节能的目的。
(三)发明内容
本发明的目的是设计一种全新的嵌套式永磁同步电机，这种电机基于永磁同步电机工作原理，但具有两个转子、两个轴、两套绕组和两个磁路，构成两个分电机功率可合可分。
本发明设计的嵌套式永磁同步电机包括定子、外转子和内转子，定子为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子处于定子内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子外层磁极为定子提供磁场，外转子与定子构成外电机。内转子为电枢，位于外转子内，外转子内层磁极为内转子提供磁场，外转子与内转子构成内电机。外转子轴为本电机输出轴，内转子轴为本电机动力输入轴。
输出轴上安装输出齿轮，输出齿轮与外部负载连接。本嵌套式电机的内外电机均可四象限运行，内外电机各配装伺服驱动装置，按运行要求分别对内外电机的绕组加载不同的电流矢量，即可控制内外电机分别工作于发电机或电动机状态。
嵌套式电机内转子的轴与发动机连接。内转子绕组经安装在其轴上的滑环与A伺服驱动器连接；定子绕组直接与B伺服驱动器连接，A、B伺服驱动器均与公共直流母线连接，内外电机分别通过其伺服驱动器吸收电能或输出电能。
发动机运行的情况下，本电机内转子在与其直连的外部发动机的机械动能驱动下转动，A伺服驱动器对内转子的绕组加载电流矢量，对内电机进行扭矩伺服控制，使得电机内外转子之间产生电磁作用力，对发动机施加负载扭矩。电机外转子同时受到发动机轴的反作用力，该反作用力通过输出齿轮传递到外部负载、直接对外做功，此输出的功率为透过功率，即发动机的功率直接传递到负载侧。延着发动机的转动方向，如果外转子转动速度低于内转子的转速，则内电机处于发电机状态运行；如果外转子转动速度高于内转子的转速，则内电机处于电动机状态运行，它由A伺服驱动器吸取的电能转换为外转子的动能，与发动机透过来的能量一起送至输出轴。与此同时，B伺服驱动器对电机的定子绕组加载电流矢量对外电机进行伺服控制，当外转子从B伺服驱动器得到的扭矩方向与外转子旋转方向相同，外电机从B伺服驱动器吸取电能工作于电动机状态，外转子转动的动能也通过输出齿轮对外部负载做功；反之当定子的绕组得到的电流矢量使外转子得到的扭矩方向与其旋转方向相反，则外电机处于发电机状态运行，将输出轴上的机械能量转变为电能。
本发明嵌套式永磁同步电机的优点为：1、本嵌套式永磁电机配装伺服驱动装置后，伺服驱动装置根据运行要求对嵌套式电机的内外电机加载不同的扭矩，本嵌套式电机即可按功率透过、发电储能、用电做功、制动回馈电能的新型动力传递方法运行；2、本嵌套式电机可对发动机加载适当扭矩，使发动机工作于最佳效率曲线上，消耗等量燃油获得更大的动能；3、本嵌套式电机结构紧凑，适用于油电混合动力电动车；4、本嵌套式电机结构紧凑，便于安装使用；5、结构简单，便于加工，成本低，适合于推广应用。
(四)附图说明
图1为本嵌套式永磁同步电机实施例结构示意图。
1、发动机轴即输入轴，2、滑环，3、内转子，4、外转子，5、定子，6、A伺服驱动器，7、B伺服驱动器，8、输出轴，9、输出齿轮。
(五)具体实施方式
本发明设计的嵌套式永磁同步电机实施例结构如图1所示，包括定子5、外转子4和内转子3，定子5为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子4处于定子5内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子4外层磁极为定子5提供磁场，外转子4与定子5构成外电机。内转子3为电枢，位于外转子4内，外转子4内层磁极为内转子3提供磁场，外转子4与内转子3构成内电机。外转子4轴为本电机输出轴8，内转子3轴为本电机动力输入轴1。
内转子3与发动机的轴直连，即发动机的轴即为本电机的输入轴1。发动机通常为燃油发动机，也可为燃气发动机。外转子4的轴为本嵌套式电机输出轴8，其上安装输出齿轮9，输出齿轮9连接外负载。内转子3轴上安装有与其绕组连接的滑环2，通过滑环2内转子3绕组与A伺服驱动器6相连定子5的线圈绕组，直接与B伺服驱动器7相连。
A、B伺服驱动装置6、7通过公共母线相连。按运行要求分别对内外电机的绕组加载不同的电流矢量，对二电机进行扭矩控制，即可控制内外电机分别工作于发电机或电动机状态，当二电机工作于发电机状态通过其伺服驱动器向公共母线输出电能，工作于电动机则通过其伺服驱动器由公共母线吸取电能。

Claims (4)

1、 一种嵌套式永磁同步电机，其特征在于：
包括定子(5)、外转子(4)和内转子(3)，定子(5)为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子(4)处于定子(5)内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子(4)外层磁极为定子(5)提供磁场，外转子(4)与定子(5)构成外电机；内转子(3)为电枢，位于外转子(4)内，外转子(4)内层磁极为内转子(3)提供磁场，外转子(4)与内转子(3)构成内电机；外转子(4)轴为本电机输出轴(9)，内转子(3)轴为本电机动力输入轴(1)。
2、 根据权利要求1所述的嵌套式永磁同步电机，其特征在于：
所述电机内转子(3)的轴与发动机轴连接。
3、 根据权利要求1或2所述的嵌套式永磁同步电机，其特征在于：
内外电机各配装伺服驱动器，A、B伺服驱动器(6、7)通过公共母线相连；电机内转子(3)的绕组经安装在内转子(3)轴上的滑环(2)与A伺服驱动器(6)连接；定子(5)绕组直接与B伺服驱动器(7)连接。
4、 根据权利要求1或2所述的嵌套式永磁同步电机，其特征在于：
所述输出轴(8)上安装与外负载连接的输出齿轮(9)。
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