CN101976920B - 用于纯电动轿车的双转子发动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于纯电动轿车的双转子发动机及其控制方法，动力传输轴固定支撑在转子轴上且固定连接外转子，内转子固定连接转子轴，在内转子和外转子之间设置固定支撑在转子轴上的永磁铁，定子三相绕组固定连接在双转子发动机外壳内壁上，动力传输轴同轴固定连接输出轴一端，输出轴另一端固定连接飞轮；利用内转子的旋转使外转子产生感应电动势而旋转，控制单元根据各种传感器信号控制发动机的动力输出、起动、发电、制动及加速功能，将发动机与传动、发电装置合为一体，有效提高动力传输效率，延长纯电动轿车的行驶里程数。

Description

用于纯电动轿车的双转子发动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及纯电动轿车的新型动力装置和车载发电系统，尤其涉及双转子发动机结构和控制方法。

背景技术

随着能源与环境问题的日益突出，零污染、高效的电动汽车已成为当前汽车领域研究和发展的热点。电动汽车以大容量电池组作为动力源，以电动机作为动力装置，通过控制器控制获取电池组提供的动力。电动汽车在使用过程中，其行驶里程依赖于电池组的容量，而现有电动汽车的电池组充足一次电，能行驶的里程数多数不超过200公里，续航能力差；为此，具备不间断地向电池组及与电池组并联的超级电容器充电、有效控制汽车制动和回收制动能量、加速功能等的动力装置是解决电动汽车续航能力差最有效的解决办法。

具备车载发电及充电功能的汽车常见于混合动力汽车上，典型的混合动力汽车具有电动无级变速器，电动无级变速器有两个机械接口：一个是输入和输出接口，另一个是和电池相连的电力接口。电动无级变速器输入轴和发动机的输出轴相连，输出轴和汽车的驱动轴相连，电力接口和汽车的蓄电池相连接。

目前，无论是电动汽车还是混合动力汽车都是将发电装置与传动装置作为一体布置在发动机与变速器之间，这种布置方式不利于汽车底盘的结构设计，同时也造成了底盘结构过于复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、传输效率高的用于纯电动轿车的双转子发动机，在行驶过程中能使双转子发动机不间断地向电池组及超级电容器充电，延长电动汽车的行驶里程数。

本发明的另一目的是提供一种上述双转子发动机的控制方法，完成纯电动轿车的动力输出、起动、发电、制动及加速功能。

本发明用于纯电动轿车的双转子发动机采用的技术方案是：包括双转子发动机外壳、转子轴和控制单元，双转子发动机外壳固定支撑于转子轴，控制单元设置在双转子发动机外壳外部，双转子发动机外壳内部具有永磁铁、定子三相绕组、内转子、外转子和动力传输轴，动力传输轴固定支撑在转子轴上且固定连接外转子，内转子固定连接转子轴，在内转子和外转子之间设置固定支撑在转子轴上的永磁铁，定子三相绕组固定连接在双转子发动机外壳内壁上且位置对应于外转子；在动力传输轴与双转子发动机外壳之间的转子轴上设置滑环，滑环上固定连接碳刷；碳刷电连接内转子内部具有的励磁绕组；动力传输轴同轴固定连接输出轴一端，输出轴另一端固定连接飞轮；控制单元分别外接定子三相绕组和碳刷，控制单元具有嵌入式系统、变压整流器、1号继电器、2号继电器和大功率场效应管；外转子电连接变压整流器，嵌入式系统分别电连接1号继电器、2号继电器和大功率场效应管；变压整流器的输出分别电连接2号继电器和12V电压输出，大功率场效应管电连接内转子输入端。

本发明用于纯电动轿车的双转子发动机的控制方法采用的技术方案是：将电池组与超级电容器并联后分别电连接控制单元的1号继电器和2号继电器；当起动信号传至控制单元中，嵌入式系统输出电流至1号继电器使其常开触点闭合；控制单元控制大功率场效应管使内转子内部的励磁绕组通电，在永磁体所形成的磁场作用下内转子旋转，使外转子内部产生感应电流而随之旋转，带动动力传输轴同步旋转，动力经输出轴传至飞轮，实现双转子发动机的起动；双转子发动机正常运转后，控制单元内的嵌入式系统输出电流至2号继电器使其常开触点闭合，接通电池组和超级电容器，外转子旋转时使定子三相绕组产生感应电压并输出至控制单元上，经变压整流器后分别输出42V和12V直流电，实现双转子发动机的发电；当控制单元内部的嵌入式系统接收到制动信号后，切断1号继电器使其常开触点断开，内转子、外转子和飞轮的转速下降，实现电动机的制动；当控制单元内部的嵌入式系统在接收到加速信号后，对大功率场效应管的通断频率进行PWM调节，提高内转子内部的励磁绕组的通电电流强度，实现输出转速可调的加速。

本发明的有益效果是：

1、本发明融电动无级变速器技术于一体，将发动机与传动、发电装置合为一体，具备了起动、发电、制动及加速控制等功能，是一种全新的纯电动轿车发动机，同时减轻了整车重量。

2、控制单元可根据各种传感器信号控制发动机处于不同的运行工况。当出现起动信号时，控制电池组及超级电容器提供起动电流；正常起动后，控制单元又可及时向电池组和超级电容器充电；制动时，控制单元及时切断内转子的励磁绕组电流，并将外转子的动能转化为电池组及超级电容器的电能储存起来；加速信号出现时，控制单元通过PWM控制内转子的通电电流，达到控制发动机转速的目的。在控制单元控制下，双转子发动机处于最佳的工作状态。 

3、系统具备转子发动机的特点，布局合理，有效地提升了轿车底盘空间的利用率，有效提高了轿车动力传输效率；延长了纯电动轿车的行驶里程数，续航能力高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明双转子发动机的结构示意图。

图2是图1中控制单元1的结构连接图。

图中：1.控制单元；2.滑环；3.动力传输轴支撑轴承；4.永磁铁；5.定子三相绕组；

6.外转子；7.动力传输轴；8.双转子发动机外壳轴承；9.飞轮壳；10.飞轮；11.双转子发动机外壳；13.内转子；14.永磁铁支撑轴承；15.碳刷；16.超级电容器；17.电池组；18.转子轴；19.输出轴；20.法兰盘。

具体实施方式

参见图1，本发明主要包括双转子发动机外壳11、转子轴18、永磁铁4、定子三相绕组5、内转子13、外转子6、动力传输轴7和控制单元1。双转子发动机外壳11通过双转子发动机外壳轴承8固定支撑在转子轴18上。控制单元1设置在双转子发动机外壳11的外部，永磁铁4、定子三相绕组5、内转子13、外转子6、动力传输轴7均安装在双转子发动机外壳11的内部，其中，动力传输轴7的两端通过动力传输轴支撑轴承3固定支撑在转子轴18上，内转子13固定连接在转子轴18上，外转子6固定连接在动力传输轴7上，在内转子13和外转子6之间设置永磁铁4，永磁铁4通过永磁铁支撑轴承14固定支撑在转子轴18上。定子三相绕组5固定连接在双转子发动机外壳11内壁上，并且定子三相绕组5的位置对应于外转子6。 

在动力传输轴7与双转子发动机外壳11之间的转子轴18上设置滑环2，滑环2上固定连接碳刷15。内转子13的内部具有励磁绕组，该励磁绕组电连接碳刷15。

动力传输轴7通过紧固螺栓同轴固定连接输出轴19的一端，输出轴19的另一端通过法兰盘20固定连接飞轮10。飞轮10外围设置飞轮壳9，飞轮壳9固定连接在输出轴19上。

控制单元1分别外接定子三相绕组5和碳刷15，内转子13内部励磁绕组经过碳刷15后电连接控制单元1，分别对定子三相绕组5以及内转子13实现控制。控制单元1还分别电连接电动轿车的电池组17、超级电容器16以及电动轿车的起动信号、加速信号、制动信号、转速信号的输入；电池组17为3节12V蓄电池串联而成，超级电容器16可输出36-42V电压，将电池组17与超级电容器16并接在一起，电池组17与超级电容器16并联后通过导线与控制单元1连接。

参见图2，控制单元1具有嵌入式系统、变压整流器、1号继电器K1、2号继电器K2和大功率场效应管，电动轿车的起动信号、加速信号、制动信号、转速信号的输入电连接嵌入式系统，外转子6产生的三相电输入连接变压整流器，嵌入式系统分别电连接1号继电器K1、2号继电器K2和大功率场效应管。变压整流器的输出分别电连接2号继电器K2和12V电压输出，大功率场效应管接内转子13的输入端。电池组17与超级电容器16并联后分别电接1号继电器K1和2号继电器K2。

当双转子发动机的点火开关接通STA档位后，起动信号传至控制单元1中，控制单元1内的嵌入式系统输出电流至1号继电器K1的线圈，使1号继电器常开触点闭合；控制单元1通过控制与其连接的大功率场效应管的栅极，使其源极与漏极导通；电池组17及超级电容器16输出的电流依次经过1号继电器K1的常开触点、大功率场效应管、内转子13输入端、碳刷15、滑环2后，再经内转子13内部励磁绕组、滑环2、碳刷15、内转子13输出端子至负极。内转子13的内部励磁绕组通电后，在永磁体4所形成的磁场作用下，内转子13开始旋转，并使外转子6内部产生感应电流而随之旋转，由于动力传输轴7与外转子6紧固连接，因此当外转子6旋转时，带动动力传输轴7同步旋转，动力传输轴7的动力通过紧固螺栓传递到输出轴19，输出轴19经法兰盘20最终传至飞轮10，安装双转子发动机的汽车动力传递路线为：双转子发动机→飞轮→离合器→变速器，从而实现双转子发动机的起动。双转子发动机在起动过程中，内转子13内部的励磁绕组处于他励状态。

当双转子发动机正常运转后，控制单元1内的嵌入式系统输出电流至2号继电器K2的线圈，使2号继电器K2的常开触点闭合，接通电池组17和超级电容器16。由于定子三相绕组5与双转子发动机外壳11紧固连接，外转子6旋转时将使定子三相绕组5产生感应电压，并通过三相线输出至控制单元1上，随着外转子6转速的逐渐升高，定子三相绕组5所感应的三相交流电电压的有效值将越大，定子三相绕组5输出电压经过控制单元1内部的变压整流器后，分别输出42V和12V直流电。其中12V直流电可供汽车用电设备使用，而一部分42V直流电向电池组17和超级电容器16供电，另一部分分42V直流电继续向内转子13内部励磁绕组供电，从而实现双转子发动机的发电，维持汽车的正常行驶。汽车正常行驶后，内转子13内部的励磁绕组处于自励状态，通过控制单元1实现对内转子13的供电及自身的充电。

当驾驶员踩下制动踏板后，控制单元1内部的嵌入式系统在接收到制动信号后，切断1号继电器K1线圈电流，使1号继电器K1的常开触点断开，内转子13内部励磁绕组因无电流流经而转速下降，进而造成外转子6转速下降，最终使飞轮10转速降低，实现电动机的制动。制动过程中，外转子6经变压整流后所产生的42V直流电将全部向电池组17和超级电容器16供电。当制动信号消失后，控制单元1将重新控制1号继电器K1常开触点闭合，使发动机转速升高。

当驾驶员踩下加速踏板后，控制单元1内部的嵌入式系统在接收到加速信号后，对大功率场效应管的通断频率进行PWM调节，从而提高内转子13内部励磁绕组的通电电流强度，进而控制外转子6的转速，实现电动机输出转速可调的加速过程。

本发明利用内转子13的旋转使外转子6产生感应电动势而旋转，动力通过动力传输轴7输出至飞轮10；通过控制单元1的控制有效地向内转子13供电，维持汽车正常行驶；同时在制动过程中，能有效回收外转子6的动能向电池组17及超级电容器16充电；控制单元1通过控制大功率场效应管的通断频率，控制汽车的加速。可取代现有的燃料发动机，工作过程中，双转子发动机可以完成动力输出、起动、发电、制动及加速功能。

Claims (2)

1.一种用于纯电动轿车的双转子发动机，包括双转子发动机外壳(11)、转子轴(18)和控制单元(1)，其特征是：双转子发动机外壳(11)通过双转子发动机外壳轴承(8)固定支撑在转子轴(18)上，控制单元(1)设置在双转子发动机外壳(11)外部，双转子发动机外壳(11)内部具有永磁铁(4)、定子三相绕组(5)、内转子(13)、外转子(6)和动力传输轴(7)，动力传输轴(7)的两端通过动力传输轴支撑轴承(3)固定支撑在转子轴(18)上且固定连接外转子(6)，内转子(13)固定连接转子轴(18)，在内转子(13)和外转子(6)之间设置通过永磁铁支撑轴承(14)固定支撑在转子轴(18)上的永磁铁(4)，定子三相绕组(5)固定连接在双转子发动机外壳(11)内壁上且位置对应于外转子(6)；在动力传输轴(7)与双转子发动机外壳(11)之间的转子轴(18)上设置滑环(2)，滑环(2)上固定连接碳刷(15)；碳刷(15)电连接内转子(13)内部具有的励磁绕组；动力传输轴(7)同轴固定连接输出轴(19)一端，输出轴(19)另一端固定连接飞轮(10)；控制单元(1)分别外接定子三相绕组(5)和碳刷(15)，控制单元(1)具有嵌入式系统、变压整流器、1号继电器(K1)、2号继电器(K2)和大功率场效应管；外转子(6)电连接变压整流器，嵌入式系统分别电连接1号继电器(K1)、2号继电器(K2)和大功率场效应管；变压整流器的输出分别电连接2号继电器(K2)和12V电压输出，大功率场效应管电连接内转子(13)输入端。

2.一种如权利要求1所述的用于纯电动轿车的双转子发动机的控制方法，其特征是具有如下步骤：

A、将电池组(17)与超级电容器(16)并联后分别电连接控制单元(1)的1号继电器(K1)和2号继电器(K2)；当起动信号传至控制单元(1)中，嵌入式系统输出电流至1号继电器(K1)使其常开触点闭合；控制单元(1)控制大功率场效应管使内转子(13)内部的励磁绕组通电，在永磁体(4)所形成的磁场作用下内转子(13)旋转，使外转子(6)内部产生感应电流而随之旋转，带动动力传输轴(7)同步旋转，动力经输出轴(19)传至飞轮(10)，实现双转子发动机的起动；

B、双转子发动机正常运转后，控制单元(1)内的嵌入式系统输出电流至2号继电器(K2)使其常开触点闭合，接通电池组(17)和超级电容器(16)，外转子(6)旋转时使定子三相绕组(5)产生感应电压并输出至控制单元(1)，经变压整流器后分别输出42V和12V直流电，实现双转子发动机的发电；

C、控制单元(1)内部的嵌入式系统接收到制动信号后，切断1号继电器(K1)使其常开触点断开，内转子(13)、外转子(6)和飞轮(10)的转速下降，实现电动机的制动；

D、当控制单元(1)内部的嵌入式系统在接收到加速信号后，对大功率场效应管的通断频率进行PWM调节，提高内转子(13)内部的励磁绕组的通电电流强度，实现输出转速可调的加速。