CN101388586B - 一种集成有双速比输出机构的电力无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种集成有双速比输出机构的电力无级变速器，包括双转子电机(25)和双速比输出机构(9)。双速比输出机构(9)位于双转子电机(25)和车辆驱动桥(26)之间，其输入轴与双转子电机(25)的输出轴即外转子(3)相连，其输出轴与车辆驱动桥(26)输入轴相连。这种双速比输出机构的特征在于，其输入轴和输出轴之间存在两个速度比。但是在任意时刻这个速度比是唯一的。使得与之相连的双转子电机可以通过两个不同的速度比驱动车辆。

Description

一种集成有双速比输出机构的电力无级变速器

技术领域

本发明涉及一种基于双转子电机的电力无级变速器，特别涉及用于深度混合动力车辆的驱动场合的集成有双速比输出机构的电力无级变速器。

背景技术

双转子电机是一种新型电机，具有两个可以独立旋转的转子。当这种电机的两个转子分别连接至发动机输出轴和车辆驱动轴时，可以把这种新型电机当作一种新型的变速器。由于这两个转子的转速和转矩等都是通过电力驱动和控制的，且它们之间的比例关系是连续可调的，因此把这种由双转子电机构成的变速装置称作电力无级变速器。这种变速器与现有的基于机械或者液压技术的变速器相比，具有明显的优势。首先，电力无级变速器的调速是连续的，平滑的。这种连续的变速可以使得发动机工作点与车辆运行状况解耦。达到发动机运行的优化，从而提高效率和降低排放。第二，电力无级变速器是有源的，其外部通过变频器与功率电池相连。因此，可以使用电力无级变速器启动发动机和启动车辆。这样可以取消发动机怠速工况，进一步降低系统的排放提升燃油经济性。第三，电力无级变速器可以在发动机动力不足的工况下补充能量，因此可以在提高车辆经济性的同时兼顾动力性。

但是，在另一方面，依靠电力进行变速的变速器与机械式或者液压式变速器相比具有一定的局限性。首先，纯机械或者液压机构的可靠性是最高的，电气系统的可靠性与之相比较低。第二、电气系统不适合实现大调速比变速，而机械式变速箱在此方面具有很大优势。可以在很紧凑的空间内实现很大的调速比。这些问题在一定程度上限制了纯电力无级变速器的应用前景。

发明专利CN1929243，CN1738163，CN1945939以及CN1694339中提出的都是只包含双转子电机的纯电力无级变速器。在应用中面临前述现实问题。为了解决纯电力无级变速器的上述问题，一些集成了机械辅助结构的电力无级变速器被提出。发明专利ZL2006100001974中提出了一种改进型电力无级变速器。这种电力无级变速器以双转子电机为基础，在此以外增加了一个齿轮箱，辅助双转子电机完成电力无级变速的功能。通过适当的选择齿轮箱中齿轮组的齿比，在系统总输出不变的前提下降低了双转子电机的体积和重量。但该方案存在三个比较突出的问题。第一个问题是：电力无级变速器的输出轴不再是外转子轴，而是与之平行的一根输出轴。这两根轴通过上述附加齿轮箱中的一对互相啮合的齿轮连接在一起。在专利ZL2006100001974中，齿轮箱位于发动机和双转子电机中间。为了防止出现干涉，前述输出轴和外转子轴之间的轴距至少要大于整个双转子电机的半径，而这个轴距远远超出了一般齿轮箱中输入轴和输出轴之间的合理轴距。这种结构使得该专利中涉及的改进型电力无级变速器体积重量都比较大，而且会造成车辆离地间隙较小通过性差。第二个问题是，这种改进型的电力无级变速器输入轴与发动机刚性连接。发动机输出转矩的脉动直接传递到双转子电机的内转子上。造成电机控制非常困难。第三个问题是，存在单独的离合器和锁止器。进一步增加了系统的重量和体积。除了上述问题以外，更为重要的是，这种改进型电力无级变速器仅仅在系统可靠性上进行了改进，并没有解决电力无级变速器不适用于大变速比场合的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提出一种双速比输出的电力无级变速器。

本发明变速器的核心依然是双转子电机。与现有电力无级变速器相同的是，本发明提出的变速器输入轴依然是双转子电机的内转子。与现有电力无级变速器不同的是，本发明提出的变速器不再是外转子通过单一速比进行输出，而是通过一种双速比输出机构进行输出。顾名思义，这种输出机构具有两个速比。在低速范围内时使用高速比输出，而进入高速范围内时使用低速比输出。这样，变速器整个输出平面根据速度范围不同被划分成两个区域，在每个区域内部变速是无级的。而两个区域之间的转换是通过切换前述双速比输出机构的速比实现的。这种输出方式的优势在于，电力无级变速只在一个较小的范围内进行，大范围的速度转换通过切换附加的速比实现。用以实现小范围内无级变速的电机容量也随着显著降低，系统效率得到了相应提升。

本发明提出的电力无级变速器由双转子电机和双速比输出机构组成。双速比输出机构位于双转子电机和车辆驱动桥之间。其输入轴与双转子电机的输出轴即外转子相连，其输出轴与车辆驱动桥的输入轴相连。这种双速比输出机构的基本特征在于，其输入轴和输出轴之间存在两个速度比。但是在任意时刻这个速度比是唯一的。使得与之相连的双转子电机可以通过两个不同的速度比驱动车辆。

能够实现前述双速比数据机构基本特征的具体结构是多种多样的，可以是机械式的，也可以是液压式的，甚至是混合了机械和液压的。在机械式内部，可以是基于定轴轮系的也可以是基于周转轮系的。两个速比的切换和控制方式更是多种多样的，可以是基于离合器的，也可以是基于制动器的。在本发明中，给出一种基于定轴轮系并用双离合器控制的双速比输出机构的具体实现方式。

前述基于定轴轮系并用双离合器控制的双速比输出机构包括输入轴和输出轴、两个离合器、两组常啮合齿轮和其他附属结构。输出轴和输入轴之间通过前述两组常啮合齿轮相连。这两组齿轮的状态是互补的，即在任意同一时刻只有一组齿轮同时与输入轴和输出轴相连。与此同时，另一组齿轮是自由旋转的，不对输入轴和输出轴的运动产生约束。通过两组齿轮状态的切换实现输入轴和输出轴之间速度比的选择。

所述的两组齿轮中的两个主动轮分别和双速比输出机构中的输入轴通过离合器相连。而两组齿轮中的两个被动轮分别和双速比输出机构中的输出轴固连。

所述的两组离合器的结合状态是互补的，即任意同一时刻只有一组离合器是结合的，而另一组离合器是脱开的。用以实现两组齿轮状态的切换。

本发明中，双转子电机的内转子轴是电力无级变速器的输入轴，与发动机通过离合器相连。双转子电机的外转子轴与双速比输出机构输入轴固连。双速比输出机构的输出轴是电力无级变速器的输出轴。

所述双转子电机的外转子轴是空心的，内转子轴从中穿过。滑环和电刷连接在内转子末端。

所述双转子电机的内转子和外转子之间通过离合器相连。在一般情况下，离合器是脱开的，内外转子之间运动独立。可以实现完整的电力无级变速功能，工作在混联混合动力状态。在车辆运行达到一定条件时，内外转子之间的离合器闭合。此时电力无级变速器进入到并联混合动力状态。

附图说明

图1是本发明的电力无级变速器结构示意图；图中：1发动机、2双转子电机的定子、3双转子电机的外转子、4双转子电机内转子、9双速比输出机、25双转子电机、26车辆驱动桥。

图2是本发明电力无级变速器与发动机连接后的示意图；图中：5第四离合器、6内转子轴，7碳刷，8滑环；

图3是双速比输出机构的放大图；图中：10外转子轴，11第一离合器压盘，12第一离合器主动盘，13第一离合器从动盘，14第二离合器压盘，15第二离合器主动盘，16第二离合器从动盘，17第三离合器压盘，18第三离合器主动盘，19第三离合器从动盘，20第一齿轮组主动齿轮，21第一齿轮组被动齿轮，22第二齿轮组主动齿轮，23第二齿轮组被动齿轮，24双速比输出机构的输出轴。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提出的集成有双速比输出机构的电力无级变速器主要包括由双转子电机25和双速比输出机构9。这两个部分相互级联构成电力无级变速器。其中双速比输出机构9是本发明的关键。如图1所示，双速比输出机构9中，A表示了一个位置，对应一个速比，B表示了另一个位置，对应另一个速比。当双转子电机的外转子3与双速比输出机构9的连接从A位置切换到B位置时就完成了速比的切换。图1还表示，这两个速度比在任意时刻只能存在唯一的一个。双速比输出机构9位于双转子电机25与车辆驱动桥26之间，可以把车辆的驱动需求通过其速比的切换进行变换。

如前所述，双速比输出机构的具体实现方式和控制方式是多种多样的，本发明专利只给出其中一种。如图2所示，本发明提出的集成有双速比输出机构的电力无级变速器主要由两部分构成：双转子电机25和双速比输出机构9。双转子电机25位于整个电力无级变速器的输入端，双速比输出机构9位于输出端。发动机1和双转子电机内转子4的通过第四离合器5连接。双转子电机25主要包括定子2、外转子3和内转子4。内转子4嵌套在外转子3内部，而外转子3和内转子4又作为一个整体嵌套在定子2内部。双速比输出机构9由两组齿轮、两根轴和两个离合器构成。这两根轴，即双速比输出机构的输入轴和输出轴平行偏移一定空间距离，在输入轴和输出轴上相隔一定距离的位置安装有前述的两组齿轮。两个离合器位于两组齿轮外侧。本发明提出的电力无级变速器还包括碳刷7和滑环8，以及绑定内外转子用的第一离合器等。碳刷7和滑环8位于电力无级变速器的末端。

如图3所示，双速比输出机构9的两个离合器是指第二离合器和第三离合器。第二离合器由第二离合器压盘14，第二离合器主动盘15和第三离合器从动盘16构成。第三离合器压盘17，第三离合器主动盘18和第三离合器从动盘19构成第三离合器。第二离合器和第三离合器的构成相同。以第二离合器为例，其中第二离合器压盘14、第二离合器主动盘15和第二离合器从动盘16都是圆环状物体。三个圆环状物体：第二离合器压盘14、第二离合器主动盘15和第二离合器从动盘16的轴线在同一条直线上，第二离合器主动盘15位于第二离合器压盘14和第二离合器从动盘16之间。外转子轴10，即双速比输出机构的输入轴从前述的三个圆环状物体：第二离合器压盘14、第二离合器主动盘15和第二离合器从动盘16的中间空洞中穿过。双速比输出机构9的两组齿轮中，第一齿轮组主动齿轮20和第一齿轮组被动齿轮21构成第一齿轮组。第二齿轮组主动齿轮22和第二齿轮组被动齿轮23构成第二齿轮组。两组齿轮的主动齿轮均与双速比输出机构9的输入轴，即双转子电机外转子轴10连接，两组齿轮的被动齿轮均与双速比输出机构9的输出轴24固连。双速比输出机构9的输出轴24同时也是整个电力无级变速器的输出轴。

双转子电机内转子4是电力无级变速器的输入轴，与发动机1相连。双速比输出机构9的输出轴24是电力无级变速器的输出轴，与车辆驱动桥26相连。外转子轴10同时也是双速比输出机构9的输入轴，外转子轴10是空心的，内转子轴6从外转子轴10中穿过。在内转子轴6的末端连接有滑环8。碳刷7和滑环8在旋转时相互摩擦传导电流。碳刷7和滑环8布置在整个电力无级变速器的末端，使得碳刷7和滑环8的更换以及其他维护工作十分方便。

在外转子轴10与双速比输出机构输出轴24之间有两组齿轮。分别是第一齿轮组和第二齿轮组。两组齿轮组具有不同的齿比，可以根据电力无级变速器的设计需求自由选择。第一齿轮组由第一齿轮组主动轮20和第一齿轮被动齿轮21构成。第二齿轮组由第二齿轮组主动齿轮22和第二齿轮组被动齿轮23构成。其中，两个被动齿轮：第一齿轮被动齿轮21和第二齿轮组被动齿轮23均与双速比输出机构输出轴24固连。而两个主动齿轮：第一齿轮组主动轮20和第二齿轮组主动轮22均通过轴承套在外转子轴10的外侧。

如图3所示，在本发明提出的电力无级变速器中，按照功能划分，有两组离合器。第一组离合器包括前述第一离合器，而第二组离合器包括前述第二离合器和第三离合器。第一组离合器由第一离合器压盘11、第一离合器主动盘12和第一离合器从动盘13构成。它的功能是绑定双转子电机的内转子4和外转子3，其中，第一离合器主动盘12与内转子轴6固连，第一离合器从动盘13与外转子轴10固连。当第一离合器压盘11接收到控制指令时发生轴向移动，压紧第一离合器的主动盘12和从动盘13，使得第一离合器的主动盘12和从动盘13以同一个速度转动。由于第一离合器的主动盘12与双转子电机内转子4固连，第一离合器从动盘13与双转子电机外转子3固连，因此双转子电机的内外两个转子也通过对第一离合器的控制实现同速度旋转，完成绑定的功能。本发明提出的电力无级变速器中的第二组离合器包括第二离合器和第三离合器，它们都由压盘、主动盘和从动盘构成。它们的功能与第一离合器不同，起到切换电力无级变速器输出速比的作用。集成有双速比机构的电力无级变速器的名称也由此得来。

第二离合器主动盘15和第三离合器主动盘18均与外转子轴10固连。而第二离合器从动盘16和第三离合器从动盘19分别与第一齿轮组主动齿轮20和第二齿轮组主动齿轮22固连。第二离合器和第三离合器的压盘控制着离合器主动盘和从动盘之间的结合状态。当第二离合器和第三离合器中任意一个压盘接收到结合的控制信号时，压盘发生轴向微小位移压向对应的主动盘。此时，主动盘便会在压盘的压力下与从动盘结合，使得三者(主动盘、从动盘和压盘)以同一个速度旋转。由于前述主动盘和从动盘分别与外转子轴和齿轮组主动齿轮相连，因此此时外转子轴会与某一个齿轮组中的主动齿轮以同一个速度旋转。由于齿轮组是常啮合的，因此当外转子轴与某一组齿轮中的主动齿轮结合时，则意味着外转子轴通过该组齿轮的速比输出。

本发明提出的第二离合器和第三离合器的控制是互补的，即同时只有一个离合器是结合的，而另一个是脱开的。这样的设计保证双转子电机的外转子轴10和双速比输出装置的输出轴24之间在任意同一时刻只有唯一的一个速度关系。

Claims (8)

1.一种集成有双速比输出机构的电力无级变速器，包括位于电力无级变速器输入端的双转子电机(25)，双转子电机包括定子(2)、外转子(3)和内转子(4)，内转子(4)嵌套在外转子(3)内部，外转子(3)和内转子(4)作为一个整体嵌套在定子(2)内部，其特征在于，该变速器还包括位于变速器输出端的双速比输出机构(9)；双速比输出机构(9)位于双转子电机(25)和车辆驱动桥(26)之间，双速比输出机构(9)的输入轴与双转子电机(25)的输出轴即外转子(3)相连，双速比输出机构(9)的输出轴与车辆驱动桥(26)输入轴相连；双速比输出机构(9)的输入轴和输出轴之间存在两个速度比，通过切换所述的双速比输出机构(9)的速度比，使与之相连的双转子电机(25)以两种不同的速度比驱动车辆。

2.根据权利要求1所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于所述的双转子电机内转子(4)是电力无级变速器的输入轴，与发动机(1)相连，双速比输出机构(9)的输出轴(24)是电力无级变速器的输出轴；发动机(1)和双转子电机内转子(4)通过第四离合器(5)相连；双速比输出机构(9)由两组齿轮——即第一齿轮组的主动齿轮(20)和第一齿轮组被动齿轮(21)，第二齿轮组的主动齿轮(22)和第二齿轮组被动齿轮(23)，输入轴和输出轴，以及两个离合器构成；双速比输出机构(9)的输入轴和输出轴平行偏移一定空间距离，在输入轴和输出轴上安装有所述的两组齿轮，输出轴与双转子电机外转子之间通过所述的两组齿轮连接；两个离合器位于所述的两组齿轮的外侧。

3.根据权利要求2所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于所述的双速比输出机构(9)通过对两个离合器的控制，实现只有唯一的一个速度比进行输出；所述的两个离合器：第二离合器和第三离合器的控制是互补的，即同一时刻只有一个离合器是结合的，而另一个是脱开的。

4.根据权利要求2或3所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于所述的双速比输出机构(9)的两个离合器，即第二离合器和第三离合器均由主动盘、从动盘和压盘构成；第二离合器主动盘(15)和第三离合器主动盘(18)均与外转子轴(10)固连；而第二离合器从动盘(16)和第三离合器从动盘(19)分别与第一齿轮组主动齿轮(20)和第二齿轮组主动齿轮(22)固连；第二离合器和第三离合器的压盘控制着离合器主动盘和从动盘之间的结合状态：当第二离合器和第三离合器中任意一个压盘接收到结合的控制信号时，压盘发生轴向微小位移压向对应的主动盘；此时，主动盘便会在压盘的压力下与从动盘结合，使得主动盘、从动盘和压盘这三者以同一个速度旋转。

5.根据权利要求3所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于所述的双速比输出机构的两组齿轮：第一齿轮组和第二齿轮组位于外转子轴(10)与双速比输出机构输出轴(24)之间；两组齿轮具有不同的齿比；第一齿轮组由第一齿轮组主动轮(20)和第一齿轮组被动齿轮(21)构成，第二齿轮组由第二齿轮组主动齿轮(22)和第二齿轮组被动齿轮(23)构成；第一齿轮组被动齿轮(21)和第二齿轮组被动齿轮(23)均与双速比输出机构输出轴(24)固连，第一齿轮组主动齿轮(20)和第二齿轮组主动齿轮(22)均通过轴承套在外转子轴(10)的外侧。

6.根据权利要求4所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于所述的外转子轴(10)同时也是双速比输出机构(9)的输入轴，外转子轴(10)是空心的，内转子轴(6)从外转子轴(10)中穿过。

7.根据权利要求1所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于电力无级变速器还包括绑定双转子电机内转子(4)和外转子(3)的第一离合器；所述的第一离合器包括：第一离合器压盘(11)、第一离合器主动盘(12)和第一离合器从动盘(13)；第一离合器主动盘(12)与内转子轴(6)固连，第一离合器从动盘(13)与外转子轴(10)固连；当第一离合器压盘(11)接收到控制指令时发生轴向移动，压紧第一离合器的主动盘(12)和从动盘(13)，使得二者以同一个速度转动；由于第一离合器的主动盘(12)与双转子电机内转子(4)固连，第一离合器从动盘(13)与双转子电机外转子(3)固连，因此双转子电机的内外两个转子也通过对第一离合器的控制实现同速度旋转，完成绑定的功能。

8.根据权利要求1所述的集成有双速比输出机构的电力无级变速器，其特征在于所述的电力无级变速器的末端布置有碳刷(7)和滑环(8)。

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