CN102897013A - 一种用双转子电机作动力的混合动力车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用双转子电机作动力的混合动力车，属于混合动力技术领域。它解决了现有普通混合动力车辆不能实现无级调速的问题。本用双转子电机作动力的混合动力车包括发动机、传动机构和与传动机构相连接的驱动轮，在发动机和传动机构之间连接有双转子电机，双转子电机的输入端与发动机连接，输出端与传动机构连接，在双转子电机上还连接有控制双转子电机转动以配合发动机发出不同功率的输出控制模块。该混合动力车能够实现无级调速，具有运行平稳，性能好等优点。

Description

一种用双转子电机作动力的混合动力车

技术领域

本发明属于电机及混合动力技术领域，涉及一种用双转子电机作动力的混合动力车。

背景技术

经过十几年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。普通的混联系统是通过特制的动力分配装置将来自发动机的动力分为机械和电力两条路径，可发挥串联式和并联式的优点，但是结构复杂，成本很高，同时过多的齿轮转动会降低效率。

在本领域中先进深度混合动力系统，行星齿轮机构将发动机、发电机和电动机连接在一起构成电力无级变速混合动力系统，无论车速如何变化，发动机总是工作在高效区域，提高了混合动力车辆的燃油经济性，但是，这种系统也存在结构复杂、体积较大的问题。现有人公开了一种双转子混合动力复合永磁电机,由内外两个径向式磁路结构的永磁电机组成，包括由输入轴、内转子电枢绕组、内转子铁心、外转子铁心和外转子永磁磁钢组成的内电机组件，和由定子绕组、定子铁心、外转子铁心和外转子永磁磁钢组成的外电机组件，其中内转子铁心被固定在输入轴上并与之一起旋转，定子铁心被固定在机壳上，外转子铁心和外转子永磁磁钢与输出轴刚性相连，并与输出轴一起旋转，其中外转子铁心和外转子永磁磁钢被内外电机所共用。另外，此结构还包括使冷却液由机壳和输入轴流经内转子铁心的冷却系统，但是这种结构的动力性能不够好，散热效果不好且该冷却系统操作不是很方便。

现在普通的混合动力车辆是由ISG电机、电动机和蓄电池来实现，并不能实现无级调速。

发明内容

本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种用双转子电机作动力的混合动力车，该混合动力车能够实现无级调速，具有运行平稳，性能好等优点。

本发明通过下列技术方案来实现：一种用双转子电机作动力的混合动力车，包括发动机、传动机构和与传动机构相连接的驱动轮，其特征在于，在发动机和传动机构之间连接有双转子电机，双转子电机的输入端与发动机连接，输出端与传动机构连接，在双转子电机上还连接有控制双转子电机转动以配合发动机发出不同功率的输出控制模块。

本混合动力车能够将双转子电机当做无级变速器来使用。启动时，输出控制模块控制双转子电机转动，带动发动机转动。发动机启动后，输出控制模块控制双转子电机，在发动机动力小于所需动力时，由双转子电机提供动力；在发动机等于所需动力时，双转子电机不输出；或者由双转子电机直接提供动力。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述的输出控制模块包括检测输入端转速的第一传感器、检测输出端转速的第二传感器，分别与定子绕组和转子绕组连接的电源电路和控制电源电路的电机控制单元，上述的第一传感器、第二传感器和电源电路均与电机控制单元连接，电机控制单元能接收第一传感器和第二传感器输送的电信号并进行分析处理，同时发送控制信号控制电源电路输出相应的电流控制上述的双转子电机工作。

第一传感器和第二传感器将电信号传送给电机控制单元，电机控制单元得到电信号后输出控制信号控制电源电路输出相应的电流控制双转子电机工作。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述的电源电路包括提供直流电源的蓄电池和与蓄电池连接的直流变换器，在直流变换器上分别连有第一逆变器和第二逆变器，所述的第一逆变器与定子绕组连接，所述的第二逆变器与转子绕组连接。

当发动机转矩等于驱动转矩，发动机转速小于、等于或者大于车速时，控制第一逆变器不输出电流，控制第二逆变器输出的励磁电流的大小，使所产生的转矩和发动机输出的转矩平衡。当发动机转矩小于驱动转矩，发动机转速等于、小于或者大于车速时，控制第一逆变器输出超前的同向旋转的电流矢量，控制第二逆变器输出励磁电流矢量使它产生的转矩和发动机输出转矩平衡。当发动机转矩大于驱动转矩，发动机转速小于、等于或者大于车速时，控制第一逆变器输出滞后的同向旋转的电流矢量，控制第二逆变器输出励磁电流矢量使它所产生的转矩和发动机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述的双转子电机包括壳体和设置在壳体内的定子，所述的壳体内设有外转子，所述的外转子两端连接于壳体内并与壳体周向转动连接，外转子的一部分位于定子内且在该部分的外周面上设有永磁体，外转子的另一部分为空心体且伸出所述的定子外，在空心体内周面上设有永磁体，在空心体内设有内转子，内转子的一端为输入端，该端伸出壳体并与壳体周向转动连接，内转子的另一端与空心体周向转动连接，内转子上设有与上述空心体永磁体相匹配的转子绕组。

本双转子电机由外转子和定子组成第一个电机结构，外转子和内转子组成第二个电机结构。内转子的输入端为本双转子电机的输入轴，外转子的输出端为本双转子电机的输出轴。在第一个电机结构中，外转子上的永磁体磁力线从永磁体N极出发，径向穿过外转子和定子之间的气隙，沿着定子的轭部到达另一相邻永磁体S体上方并径向穿过外转子和定子之间的气隙达到该永磁体的S极，再从这一永磁体的N极出发沿着转子的轭部回到原来的永磁体S极，形成一个闭合回路。外转子和内转子形成的第二个电机结构中，外转子的磁力先分布方式与第一个电机结构的分布方式相同。并分别通过控制转子绕组和定子的直流励磁电流矢量来控制励磁电流的大小，从而控制双转子电机的输出扭矩。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述的外转子为一体式结构，包括圆筒状结构的本体，其本体一端为伸出壳体外的输出端，本体的另一端通过轴承连接于壳体内。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述的外转子为分体式结构，包括转子轴和与转子轴连接的圆筒状空心体，转子轴位于定子内，转子轴的一端为伸出壳体外的输出端。这种分体式结构便于制造，能够将普通的电机改造成双转子电机，结构简化，成本降低，且散热效果好。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述内转子的外周面上沿着轴向开有齿槽，上述的转子绕组设置于齿槽内，所述空心体内的永磁体和内转子形成径向磁通结构。

在上述的用双转子电机作动力的混合动力车中，所述的定子上开设有齿槽，在齿槽内设有定子绕组，所述外转子上的永磁体和定子形成径向磁通结构。

将外转子和内转子的径向磁通结构分开，不仅能避免磁的相互干扰，同时能够降低永磁体的布置难度，便于制造。

现有技术相比，本双转子电机和用双转子电机作动力的混合动力车具有以下优点：

1、本双转子电机将外转子和内转子组成电机结构设置于定子和外转子组成的电机结构外，使得本双转子电机的散热效果改善，同时简化了永磁体的布置要求，便于制造，成本降低。

2、本混合动力车能够将双转子电机当做无级变速器来使用。控制第一逆变器和第二逆变器向定子和转子绕组输送的电流矢量，能够混合发动机的动力，具有动力性能好，散热性好。

附图说明

图1是具有一体式结构外转子的双转子电机的结构示意图；

图2是具有分体式结构外转子的双转子电机的结构示意图；

图3是双转子电机混合动力车原理示意图；

图4是外转子和定子组成电机结构的示意图；

图5是外转子和内转子组成电机结构的示意图；

图6是图4中磁力线分布示意图；

图7是图5中磁力线分布示意图；

图中，壳体1；定子2；齿槽021；定子绕组022；外转子3；本体031；空心体0312；转子轴032；输出端033；轴承4；永磁体5；内转子6；转子绕组061；齿槽062；输入端063；驱动轮7；第一传感器8；第二传感器9；电源电路10；蓄电池101；直流变换器102；第一逆变器103；第二逆变器104；电机控制单元11；发动机12。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本双转子电机包括壳体1和设置在壳体1内的定子2，定子2上开设有齿槽021，在齿槽021内设有定子绕组022，壳体1内的外转子3上的永磁体5和定子2形成径向磁通结构。外转子3为一体式结构的，两端连接于壳体1内并与壳体1周向转动连接，具体来说，外转子3包括圆筒状结构的本体031，其本体031一端为伸出壳体1外的输出端033，输出端033通过轴承4连接于壳体1上，本体031的另一端通过轴承4连接于壳体1内。外转子3的一部分位于定子2内且在该部分的外周面上设有永磁体5，外转子3的另一部分为空心体0312且伸出定子2外，在空心体0312内周面上设有永磁体5，在空心体0312内设有内转子6，内转子6的一端为输入端063，该端伸出壳体1并与壳体1周向转动连接，内转子6的另一端与空心体0312周向转动连接，即通过轴承4连接，内转子6上设有与空心体0312永磁体5相匹配的转子绕组061。具体来说，内转子6的外周面上沿着轴向开有齿槽062，转子绕组061设置于齿槽062内，空心体0312内的永磁体5和内转子6形成径向磁通结构。

如图2所示，作为另一种双转子电机，本双转子电机的外转子3为分体式结构，包括转子轴032和圆筒状空心体0312，圆筒状空心体0312与转子轴032通过联轴器034连接，转子轴032位于定子2内，转子轴032的一端为伸出壳体1外的输出端033。外转子3两端连接于壳体1内并与壳体1周向转动连接，即通过轴承4连接，外转子3的一部分位于定子2内且在该部分的外周面上设有永磁体5，外转子3的另一部分为空心体0312且伸出定子2外，在空心体0312内周面上设有永磁体5，在空心体0312内设有内转子6，内转子6的一端为输入端063，该端伸出壳体1并与壳体1周向转动连接，内转子6的另一端与空心体0312周向转动连接，内转子6上设有与空心体0312永磁体5相匹配的转子绕组061。

外转子3和定子2组成外电机，外转子3和内转子6组成内电机。如图6、7所示。永磁体5的N极和S极布置在外转子3的圆周方向上，相邻永磁体5的S极和N极相对应。在外电机中磁力线从永磁体5的N极出发，径向穿过外转子3和定子2之间的气隙，到达另一永磁体5的S极，再从这一永磁体5的N极出发，回到永磁体5的S极，形成一个闭合回路。在内电机中磁力线从永磁体5的N极出发，径向穿过外转子3和内转子6之间的气隙，到达另一永磁体5的S极，再从这一永磁体5的N极出发，回到永磁体5的S极，形成一个闭合回路。磁场在外转子3上只有径向的分布，没有圆周方向的分布。

如图3所示本双转子电机作动力的混合动力车，包括发动机12、传动机构和与传动机构相连接的驱动轮7，在发动机12和传动机构之间连接有双转子电机，双转子电机的输入端063与发动机12连接，输出端033与传动机构连接，在双转子电机上还连接有控制双转子电机转动以配合发动机12发出不同功率的输出控制模块。输出控制模块包括检测输入端063转速的第一传感器8、检测输出端033转速的第二传感器9，分别与定子绕组和转子绕组061连接的电源电路10和控制电源电路10的电机控制单元11，第一传感器8、第二传感器9和电源电路10均与电机控制单元11连接，电机控制单元11能接收第一传感器8和第二传感器9输送的电信号并进行分析处理，同时发送控制信号控制电源电路10输出相应的电流控制上述的双转子电机工作。电源电路10包括提供直流电源的蓄电池101和与蓄电池101连接的直流变换器102，在直流变换器102上分别连有与定子绕组连接的第一逆变器103和与转子绕组061连接的第二逆变器104。

如图4、5所示，在外转子3和内转子6之间形成的气隙为内气隙，即第二气隙；在外转子3的外围是由定子2轭部、轴向形成于定子2内圆周上的定子2齿槽021和位于齿槽021内的定子绕组022构成的定子2，在外转子3和定子2之间形成的气隙为外气隙，即第一气隙。内转子6、外转子3、定子2之间轴心重合。定子绕组022可以为三相或多相绕组，构成第一电气端口，与第一逆变器103连接；转子绕组061可以为三相或多相绕组，构成第二电气端口，与第二逆变器104连接。输入端063将机械能输入或者输出，输出端033通过轴将机械能输入或者输出。第一、二传感器和分别测量输入端063和输出端033的位置和转速。内转子6绕组通过轴2上的滑环引出。

本发明混合动力车驱动控制系统的控制方法如下：

本发明的双转子电机的运行工况一，当发动机12转矩等于驱动转矩，发动机12转速等于车速时，第一逆变器103目标电流给定为零，即不进行控制；第二逆变器104施加一个超前于外转子3磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩平衡。

本发明的双转子电机的运行工况二，当发动机12转矩等于驱动转矩，发动机12转速小于车速时，第一逆变器103目标电流给定为零，即不进行控制；第二逆变器104施加一个与输入端063同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡，控制它的转速等于输入端063转速和输出端033的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和输出端033转速之和与输入端063的转速相等，并且相位超前于气隙中内电机的磁场相位。

本发明的双转子电机的运行工况三，当发动机12转矩等于驱动转矩，发动机12转速大于车速时，第一逆变器103目标电流给定为零，即不进行控制；第二逆变器104施加一个与输入端063反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡，控制它的转速等于输入端063转速和输出端033的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和输入端063转速之和与输出端033的转速相等，并且相位超前于气隙中内电机的磁场相位。

本发明的双转子电机的运行工况四，当发动机12转矩小于驱动转矩，发动机12转速等于车速时，第一逆变器103施加一个与输入端063同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中外电机的磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙电机磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二逆变器104施加一个超前于内电机磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡。

本发明的双转子电机的运行工况五，当发动机12转矩小于驱动转矩，发动机12转速小于车速时，第一逆变器103施加一个与输入端063同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中外电机的磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二逆变器104施加一个与输入端063同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡，控制它的转速等于输入端063转速和输出端033的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和输出端033转速之和与输入端063的转速相等，并且相位超前于气隙中内电机的磁场相位。

本发明的双转子电机的运行工况六，当发动机12转矩小于驱动转矩，发动机12转速大于车速时，第一逆变器103施加一个与输入端063同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中外电机的磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二逆变器104施加一个与输入端063反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡，控制它的转速等于输入端063转速和输出端033的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和一机械端口转速之和与输出端033的转速相等，并且相位超前于气隙中内电机的磁场相位。

本发明的双转子电机的运行工况七，当发动机12转矩大于驱动转矩，发动机12转速等于车速时，第一逆变器103施加一个与输入端063同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中外电机的磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二逆变器104施加一个超前于内电机的磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡。

本发明的双转子电机的运行工况八，当发动机12转矩大于驱动转矩，发动机12转速小于车速时，第一逆变器103施加一个与输入端063同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中外电机的磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二逆变器104施加一个与输入端063同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡，控制它的转速等于输入端063转速和输出端033的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和输出端033转速之和与输入端063的转速相等，并且相位超前于气隙中内电机的磁场相位。

本发明的双转子电机的运行工况九，当发动机12转矩大于驱动转矩，发动机12转速大于车速时，第一逆变器103施加一个与输入端063同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中外电机的磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二逆变器104施加一个与输入端063反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和发动机12输出转矩平衡，控制它的转速等于输入端063转速和输出端033的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和一机械端口转速之和与输出端033的转速相等，并且相位超前于气隙中内电机的磁场相位。

Claims (8)

1.一种用双转子电机作动力的混合动力车，包括发动机（12）、传动机构和与传动机构相连接的驱动轮（067），其特征在于，在发动机（12）和传动机构之间连接有双转子电机，双转子电机的输入端（063）与发动机（12）连接，输出端（033）与传动机构连接，在双转子电机上还连接有控制双转子电机转动以配合发动机（12）发出不同功率的输出控制模块。

2.根据权利要求1所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述的输出控制模块包括检测输入端（063）转速的第一传感器（8）、检测输出端（033）转速的第二传感器（9），分别与定子（2）绕组和转子绕组（061）连接的电源电路（10）和控制电源电路（10）的电机控制单元（11），上述的第一传感器（8）、第二传感器（9）和电源电路（10）均与电机控制单元（11）连接，电机控制单元（11）能接收第一传感器（8）和第二传感器（9）输送的电信号并进行分析处理，同时发送控制信号控制电源电路（10）输出相应的电流控制上述的双转子电机工作。

3.根据权利要求2所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述的电源电路（10）包括提供直流电源的蓄电池（101）和与蓄电池（101）连接的直流变换器（102），在直流变换器（102）上分别连有第一逆变器（103）和第二逆变器（104），所述的第一逆变器（103）与定子（2）绕组连接，所述的第二逆变器（104）与转子绕组（061）连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述双转子电机包括壳体（1）和设置在壳体（1）内的定子（2），其特征在于，所述的壳体（1）内设有外转子（3），所述的外转子（3）两端连接于壳体（1）内并与壳体（1）周向转动连接，外转子（3）的一部分位于定子（2）内且在该部分的外周面上设有永磁体（5），外转子（3）的另一部分为空心体（0312）且伸出所述的定子（2）外，在空心体（0312）内周面上设有永磁体（5），在空心体（0312）内设有内转子（6），内转子（6）的一端为输入端（063），该端伸出壳体（1）并与壳体（1）周向转动连接，内转子（6）的另一端与空心体（0312）周向转动连接，内转子（6）上设有与上述空心体（0312）永磁体（5）相匹配的转子绕组（061）。

5.根据权利要求4所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述的外转子（3）为一体式结构，包括圆筒状结构的本体（031），其本体（031）一端为伸出壳体（1）外的输出端（033），本体（031）的另一端通过轴承（4）连接于壳体（1）内。

6.根据权利要求4所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述的外转子（3）为分体式结构，包括转子轴（032）和与转子轴（032）连接的圆筒状空心体（0312），转子轴（032）位于定子（2）内，转子轴（032）的一端为伸出壳体（1）外的输出端（033）。

7.根据权利要求6所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述内转子（6）的外周面上沿着轴向开有齿槽（062），上述的转子绕组（061）设置于齿槽（062）内，所述空心体（0312）内的永磁体（5）和内转子（6）形成径向磁通结构。

8.根据权利要求7所述的用双转子电机作动力的混合动力车，其特征在于，所述的壳体（1）上开设有齿槽（021），在齿槽（021）内设有定子绕组（022），所述外转子（3）上的永磁体（5）和定子（2）形成径向磁通结构。

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