CN102815199A - 双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于动力传动技术领域，涉及一种复合无级传动装置，特别涉及一种双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置。包括发动机、双转子电机、k1行星排、k2行星排、k3行星排、输出轴、双转子电机电缆、电机控制器、动力电池组和六个操纵元件；输入轴、输出轴、电机、离合器、制动器及行星排都可以同轴布置，节省空间，提高功率密度；只需要两层套轴结构，结构简单，工艺方便。可以通过合理的匹配，降低电机或者发动机的功率等级。

Description

双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置
技术领域
本发明属于动力传动技术领域，涉及一种复合无级传动装置，特别涉及一种双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置。
背景技术
在现有的技术中，机电复合无级传动可实现无级调速，优化发动机工作状态，使车辆获得最佳的动力性能及燃油经济性能，在动力电池组配合下，可实现多运行工况，如电动工况、复合驱动工况、制动能量回收工况、对外供电工况、电池辅助加速工况等。相对于小轿车，载重车辆需要更宽的传动比范围，以满足低速大转矩爬坡和高速公路行驶工况。发动机加双转子电机直接输出的机电复合传动在一定电机功率的前提下，所能实现的传动比调节范围难以满足载重车辆的要求。现有的解决途径是提高电机的功率等级，这会带来大体积重量及成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出了一种适用于20吨级载重轮式车辆用的多运行模式的机电复合无级传动装置，保持电机功率等级不变，通过离合器制动器等元件连接不同行星排，形成多运行模式衔接，扩大传动比范围，附带可实现多个机械挡位，可以发挥机械挡在不同工况行驶高效的优势。
本发明的技术方案是：双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，包括发动机、双转子电机、k1行星排、k2行星排、k3行星排、输出轴、双转子电机电缆、电机控制器、动力电池组和六个操纵元件；
其中，双转子电机由双转子电机内转子、双转子电机外转子和双转子电机定子组成；六个操纵元件分别是闭锁离合器、离合器a、离合器b、制动器a、制动器b和制动器c；k1行星排由k1行星排行星架、k1行星排齿圈、k1行星排行星轮、k1行星排太阳轮组成；k2行星排由k2行星排太阳轮、k2行星排行星轮、k2行星排行星架、k2行星排齿圈组成；k3行星排由k3行星排齿圈、k3行星排行星轮、k3行星排行星架、k3行星排太阳轮组成；
其位置关系在于：闭锁离合器、离合器a、离合器b依次并列位于双转子电机和k1行星排之间；
其连接关系在于：双转子电机内转子的两端分别与发动机和闭锁离合器相连，双转子电机外转子与闭锁离合器、离合器a、离合器b、k1行星排太阳轮连接，所述离合器a与k2行星排太阳轮、k3行星排太阳轮相连，离合器b与k2行星排行星架、k3行星排齿圈、制动器c相连，k1行星排齿圈和制动器a相连，k1行星排行星架与k2行星排齿圈、制动器b相连，双转子电机通过双转子电机电缆与电机控制器相连，动力电池组与电机控制器相连，k3行星排行星架和输出轴相连。
工作原理：整个传动装置以一个双转子电机、三个行星排、六个操纵元件组成。双转子电机将发动机与负载隔离，利用双转子电机的特性，根据负载的变化输出调节转矩与转速，使发动机工作于最佳燃油经济性工况或最佳动力性工况处。根据电机的运行特点，传动系统能够工作于纯电动工况、混合动力工况、纯机械工况、驻车充电工况；行星机构可以实现六个前进档和一个倒档，根据换挡原理，在各个工况内实现部分机械挡位，具有连续无级变速、良好的起步特性、高传动效率的特点，满足载重车辆高传动比范围的要求。
本发明的优点和有益效果：一、利用双转子电机作为传动构件，能够实现传统汽车的无级变速、离合器、起动及发电等功能，不仅简化了汽车动力传动系统的结构，而且兼具串联式HEV和并联式HEV的优点，又避免了混联式HEV结构复杂，成本高和控制策略不成熟的缺陷。二、双转子电机可以实现多种运行模式，而且串联一个机械变速箱，通过离合器或制动器的切换，扩大了传动比，实现了较大范围内的无级变速，充分利用电传动与机械传动的优点，同时结构简单。三、起步阶段可以利用双转子电机的助力，具有零速输出和较好的起步特性，无需起步离合器，起步性能好。四、通过离合器与制动器的操纵，可实现七个机械挡位，包括三个减速挡，一个直接挡，两个增速挡和一个倒档，可把机械挡位匹配到常用车速范围，可提高传动效率。此时双转子电机可用于助力输出或者制动能量回收。五、输入轴、输出轴、电机、离合器、制动器及行星排都可以同轴布置，节省空间，提高功率密度；只需要两层套轴结构，结构简单，工艺方便。六、可以通过合理的匹配，降低电机或者发动机的功率等级。
附图说明
图1三段式机电复合无级传动装置传动简图。
图中：1-发动机；2-双转子电机内转子；3-双转子电机外转子；4-双转子电机定子；5-闭锁离合器；6-离合器a；7-离合器b；8-制动器a；9-制动器b；10-制动器c；11-k3行星排齿圈；12-k3行星排行星轮；13-k3行星排行星架；14-k3行星排太阳轮；15-输出轴；16-k2行星排太阳轮；17-k2行星排行星轮；18-k2行星排行星架；19-k2行星排齿圈；20-k1行星排行星架；21-k1行星排齿圈；22-k1行星排行星轮；23-k1行星排太阳轮；24-双转子电机电缆；25-电机控制器；26-动力电池组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明具体实施的技术方案是：双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，包括发动机1、双转子电机、k1行星排、k2行星排、k3行星排、输出轴15、双转子电机电缆24、电机控制器25、动力电池组26和六个操纵元件；
其中，双转子电机由双转子电机内转子2、双转子电机外转子3和双转子电机定子4组成；六个操纵元件分别是闭锁离合器5、离合器a6、离合器b7、制动器a8、制动器b9和制动器c 10；k1行星排由k1行星排行星架20、k1行星排齿圈21、k1行星排行星轮22、k1行星排太阳轮23组成；k2行星排由k2行星排太阳轮16、k2行星排行星轮17、k2行星排行星架18、k2行星排齿圈19组成；k3行星排由k3行星排齿圈11、k3行星排行星轮12、k3行星排行星架13、k3行星排太阳轮14组成；
其位置关系在于：闭锁离合器5、离合器a6、离合器b7依次并列位于双转子电机和k1行星排之间；
其连接关系在于：双转子电机内转子2的两端分别与发动机1和闭锁离合器5相连，双转子电机外转子3与闭锁离合器5、离合器a6、离合器b7、k1行星排太阳轮23连接，所述离合器a6与k2行星排太阳轮16、k3行星排太阳轮14相连，离合器b7与k2行星排行星架18、k3行星排齿圈11、制动器c10相连，k1行星排齿圈21和制动器a8相连，k1行星排行星架20与k2行星排齿圈19、制动器b9相连，双转子电机通过双转子电机电缆24与电机控制器25相连，动力电池组26与电机控制器25相连，k3行星排行星架13和输出轴15相连。
采用电机控制器25对双转子电机的运行特性进行控制、利用闭锁离合器5实现双转子电机内转子2和双转子电机外转子3的闭锁，使得发动机1与双转子电机的协调工作，因而可以实现四种运行模式：纯电动模式、混合动力模式、纯机械模式、驻车充电模式等，同时在各种模式下可以实现部分机械档，以扩大传动比、提高传动效率和燃油经济性或者动力性。
纯电动模式用于起步及低速工况，当汽车燃油不足时作为主要的运行模式；发动机1不工作，功率由动力电池组26提供给双转子电机，电机控制器25控制双转子电机内转子2与双转子电机外转子3的转速，通过双转子电机外转子3输出功率，闭锁离合器5分离，通过k1行星排、k2行星排、k3行星排传递到输出轴。纯电动模式下采用固定档1、固定档2与固定档3。
混合动力模式用于起步、低速、爬大坡等工况，利用双转子电机的助力作用实现起步或者加速。发动机1工作，输出功率，双转子电机同时工作，当汽车起步或者加速时，需要双转子电机助力，此时双转子电机通过动力电池组26输出功率，当汽车制动时，双转子电机工作于发电机的状态，向动力电池组26回馈制动功率。混合动力模式采用固定档1、固定档2、固定档3。
纯机械模式用于高速工况，作为汽车的常用运行工况，主要利用机械传动的效率比电传动效率高的特点。纯机械模式下，发动机1工作，双转子电机不工作，闭锁离合器5接合，将双转子电机的双转子电机内转子2与双转子电机外转子3闭锁，发动机1发出的功率经k1行星排、k2行星排、k3行星排直接输出。纯机械模式采用固定档4、固定档5与固定档6。
倒挡采用纯电动工况，利用双转子电机的正反转有两种实现方式：方式一为离合器5分离，离合器a6接合，离合器b7分离，制动器a8分离，制动器b9分离，制动器c10接合，电机控制器25控制双转子电机的双转子电机外转子3反转；方式二为离合器5分离，离合器a6分离，离合器b7分离，制动器a8接合，制动器b9分离，制动器c10接合，电机控制器25控制双转子电机的双转子电机外转子3正转。
驻车充电模式是利用汽车驻车时，发动机1运转消耗燃料，双转子电机4工作，k1行星排、k2行星排、k3行星排空转，利用发动机1带动双转子电机运转发电，发动机1发出功率，双转子电机作为发电机工作吸收功率给动力电池组26充电。
固定档1、固定档2、固定档3、固定档4、固定档5与固定档6实现分别为：
固定档1：离合器a6接合、离合器b7分离，制动器a8分离，制动器b9分离，制动器c10接合。
固定档2：离合器a6接合、离合器b7分离，制动器a8分离，制动器b9接合，制动器c10分离。
固定档3：离合器a6接合、离合器b7分离，制动器a8接合，制动器b9分离，制动器c10分离。
固定档4：离合器a6接合、离合器b7接合，制动器a8分离，制动器b9分离，制动器c10分离。
固定档5：离合器a6分离、离合器b7接合，制动器a8接合，制动器b9分离，制动器c10分离。
固定档6：离合器a6分离、离合器b7接合，制动器a8分离，制动器b9接合，制动器c10分离。
本发明的机电复合传动方案牵引能力可满足轮式载重汽车或轮式特种车辆的使用要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，其特征在于：包括发动机(1)、双转子电机、k1行星排、k2行星排、k3行星排、输出轴(15)、双转子电机电缆(24)、电机控制器(25)、动力电池组(26)和六个操纵元件；
其中，双转子电机由双转子电机内转子(2)、双转子电机外转子(3)和双转子电机定子(4)组成；六个操纵元件分别是闭锁离合器(5)、离合器a(6)、离合器b(7)、制动器a(8)、制动器b(9)和制动器c(10)；k1行星排由k1行星排行星架(20)、k1行星排齿圈(21)、k1行星排行星轮(22)、k1行星排太阳轮(23)组成；k2行星排由k2行星排太阳轮(16)、k2行星排行星轮(17)、k2行星排行星架(18)、k2行星排齿圈(19)组成；k3行星排由k3行星排齿圈(11)、k3行星排行星轮(12)、k3行星排行星架(13)、k3行星排太阳轮(14)组成；
其位置关系在于：闭锁离合器(5)、离合器a(6)、离合器b(7)依次并列位于双转子电机和k1行星排之间；
其连接关系在于：双转子电机内转子(2)的两端分别与发动机(1)和闭锁离合器(5)相连，双转子电机外转子(3)与闭锁离合器(5)、离合器a(6)、离合器b(7)、k1行星排太阳轮(23)连接，所述离合器a(6)与k2行星排太阳轮(16)、k3行星排太阳轮(14)相连，离合器b(7)与k2行星排行星架(18)、k3行星排齿圈(11)、制动器c(10)相连，k1行星排齿圈(21)和制动器a(8)相连，k1行星排行星架(20)与k2行星排齿圈(19)、制动器b(9)相连，双转子电机通过双转子电机电缆(24)与电机控制器(25)相连，动力电池组(26)与电机控制器(25)相连，k3行星排行星架(13)和输出轴(15)相连。
2.根据权利要求1所述的双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，其特征在于：纯电动模式用于起步及低速工况，当汽车燃油不足时作为主要的运行模式；发动机(1)不工作，功率由动力电池组(26)提供给双转子电机，电机控制器(25)控制双转子电机内转子(2)与双转子电机外转子(3)的转速，通过双转子电机外转子(3)输出功率，闭锁离合器(5)分离，通过k1行星排、k2行星排、k3行星排传递到输出轴(15)；模式如下：
固定档1：离合器a(6)接合、离合器b(7)分离，制动器a(8)分离，制动器b(9)分离，制动器c(10)接合；
固定档2：离合器a(6)接合、离合器b(7)分离，制动器a(8)分离，制动器b(9)接合，制动器c(10)分离；
固定档3：离合器a(6)接合、离合器b(7)分离，制动器a(8)接合，制动器b(9)分离，制动器c(10)分离。
3.根据权利要求1所述的双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，其特征在于：混合动力模式用于起步、低速、爬大坡等工况，利用双转子电机的助力作用实现起步或者加速。发动机(1)工作，输出功率，双转子电机同时工作，当汽车起步或者加速时，需要双转子电机助力，此时双转子电机通过动力电池组(26)输出功率，当汽车制动时，双转子电机工作于发电机的状态，向动力电池组(26)回馈制动功率；模式如下：
固定档1：离合器a(6)接合、离合器b(7)分离，制动器a(8)分离，制动器b(9)分离，制动器c(10)接合；
固定档2：离合器a(6)接合、离合器b(7)分离，制动器a(8)分离，制动器b(9)接合，制动器c(10)分离；
固定档3：离合器a(6)接合、离合器b(7)分离，制动器a(8)接合，制动器b(9)分离，制动器c(10)分离。
4.根据权利要求1所述的双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，其特征在于：纯机械模式用于高速工况，作为汽车的常用运行工况，发动机(1)工作，双转子电机不工作，闭锁离合器(5)接合，将双转子电机的双转子电机内转子(2)与双转子电机外转子(3)闭锁，发动机(1)发出的功率经k1行星排、k2行星排、k3行星排直接输出；模式如下：
固定档4：离合器a(6)接合、离合器b(7)接合，制动器a(8)分离，制动器b(9)分离，制动器c(10)分离；
固定档5：离合器a(6)分离、离合器b(7)接合，制动器a(8)接合，制动器b(9)分离，制动器c(10)分离；
固定档6：离合器a(6)分离、离合器b(7)接合，制动器a(8)分离，制动器b(9)接合，制动器c(10)分离。
5.根据权利要求1所述的双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，其特征在于：倒挡采用纯电动工况，利用双转子电机的正反转有两种实现方式：方式一为离合器(5)分离，离合器a(6)接合，离合器b(7)分离，制动器a(8)分离，制动器b(9)分离，制动器c(10)接合，电机控制器(25)控制双转子电机的双转子电机外转子(3)反转；方式二为离合器(5)分离，离合器a(6)分离，离合器b(7)分离，制动器a(8)接合，制动器b(9)分离，制动器c(10)接合，电机控制器(25)控制双转子电机的双转子电机外转子(3)正转。
6.根据权利要求1所述的双转子电机的轮式载重车辆用机电复合无级传动装置，其特征在于：驻车充电模式是利用汽车驻车时，发动机(1)运转消耗燃料，双转子电机工作，k1行星排、k2行星排、k3行星排空转，利用发动机(1)带动双转子电机运转发电，发动机(1)发出功率，双转子电机作为发电机工作吸收功率给动力电池组(26)充电。
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