CN103036379B - 无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，包括机壳、外转子和内转子，外转子包括外转轴，外转轴的内端设置在机壳内部，外转轴的内端上沿圆周方向交错设置永磁体，外转轴的内端端部设有端盖，外转轴的外端伸出机壳的第一端外；内转子包括内转轴，内转轴的内端设置在外转子内部，内转轴的内端上设有内转子铁芯以及嵌入内转子铁芯的内转子绕组，内转轴的外端伸出与机壳第一端相对的第二端外，内转轴的外端上靠近端部处设有三个滑环，三个滑环上分别连接有电刷，电刷上连接有逆变器。本发明结构简单，突破了一般电机只有一个旋转轴的限制，并省去了定子部分，可应用于多种场合。

Description

无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体是一种无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机。

背景技术

双转子电机具有两个转速彼此独立的转子及转轴，可实现双轴独立驱动，因此在多种场合具有广阔的应用前景，例如混合动力汽车的电驱动系统、汽车和风力发电机的电无级变速器以及现代机床数控转台等。

目前国内外已经公发的双转子永磁电机是由外转子永磁电机和一台内转子永磁电机套在一起并共用一个定子的新型电机。但因其可以看成两个独立的普通电机，所以必须要有两个控制器，使得控制机构比较复杂，并且对于电机本体，因为结构上还存在定子部分，因此体积较大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供了一种无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，包括机壳、外转子和内转子，所述外转子包括外转轴，所述外转轴的内端设置在机壳内部，所述外转轴的内端上沿圆周方向交错设置永磁体，所述外转轴的内端端部设有端盖，所述外转轴的外端伸出机壳的第一端外；所述内转子包括内转轴，所述内转轴的内端设置在外转子内部，内转轴的内端上与永磁体相对应处设有内转子铁芯以及嵌入内转子铁芯的内转子绕组，所述内转轴的外端伸出与机壳第一端相对的第二端外，内转轴的外端上靠近端部处设有三个滑环，所述三个滑环上分别连接有电刷，所述电刷上连接有逆变器。

所述逆变器输出端通过三个电刷分别与固定在内转轴上的三个滑环相连，用于向内转子绕组提供可控的三相交流电。

所述无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机还包括蓄电池，所述蓄电池输出端与逆变器的输入端相连接。

所述逆变器将蓄电池的直流电变成所需的交流控制电压，通过电刷和滑环传递给内转子绕组，用于调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差。

所述无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机包括以下能量双向流动：

-电动状态，能量由蓄电池经逆变器、电刷和滑环送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经滑环、电刷和逆变器送到蓄电池，机械能转化为电能。

所述内转子铁芯为圆环形，其外圆周表面沿轴向开有若干个槽，所述若干个槽的开口中心线围绕内转轴均匀分布，内转子绕组分别嵌入所述槽内形成三相绕组。

所述内转轴的外端通过内转子-机壳间轴承与机壳转动连接，所述内转轴的内端通过内转子-外转子间轴承与外转轴转动连接，形成内转子独立转动；所述外转子通过外转子轴承与机壳转动连接，其端盖通过端盖轴承与机壳转动连接，形成外转子独立转动。

所述内转轴为输入轴，相应地，所述外转轴为输出轴；或

所述内转轴为输出轴，相应地，所述外转轴为输入轴。

所述内转轴的内端端部与外转轴之间设有气隙。

本发明提供的无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，只设有外转子和内转子，取消了固定在机壳上的定子，因此电机制作复杂程度得到很大的降低，同时电机本体体积能得到减小。

另外，由于本发明只需一个控制器，控制比较方便。控制器将直流蓄电池的电压电流进行变换，产生所需的交流控制电压和电流，经过电刷和滑环送给本发明电机的内转子绕组，以控制磁场的变化来达到控制电机输出转速与输出转矩的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体结构示意图；

图中，1为机壳；2为外转子轴承；3为外转轴；4为内转轴；5为内转子-外转子间轴承；6为永磁体；7为内转子铁芯；8为内转子绕组；9为端盖；10为端盖轴承；11为滑环；12为电刷；13为蓄电池；14为逆变器；15为内转子-机壳间轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包括：机壳1、外转子和内转子，外转子包括外转轴3，外转轴3的内端设置在机壳1内部，外转轴3的内端上沿圆周方向交错设置永磁体6，外转轴3的内端端部设有端盖9，外转轴3的外端伸出机壳1的第一端外；内转子包括内转轴4，内转轴4的内端设置在外转子内部，内转轴4的内端上与永磁体6相对应处设有内转子铁芯7以及嵌入内转子铁芯7的内转子绕组8，内转轴4的外端伸出与机壳第一端相对的第二端外，内转轴4的外端上靠近端部处设有三个滑环11，三个滑环11上分别连接有电刷12，电刷12上连接有逆变器14。

进一步地，逆变14器输出端通过三个电刷12分别与固定在内转轴上的三个滑环11相连，用于向内转子绕组8提供可控的三相交流电。

进一步地，本实施例还包括蓄电池13，蓄电池13输出端与逆变器14的输入端相连接。

进一步地，逆变器14将蓄电池13的直流电变成所需的交流控制电压，通过电刷12和滑环11传递给内转子绕组8，用于调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差。

进一步地，本实施例包括以下能量双向流动：

-电动状态，能量由蓄电池经逆变器、电刷和滑环送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经滑环、电刷和逆变器送到蓄电池，机械能转化为电能。

进一步地，内转子铁芯7为圆环形，其外圆周表面沿轴向开有若干个槽，该若干个槽的开口中心线围绕内转轴均匀分布，内转子绕组8分别嵌入上述槽内形成三相绕组。

进一步地，内转轴4的外端通过内转子-机壳间轴承15与机壳1转动连接，内转轴4的内端通过内转子-外转子间轴承5与外转轴3转动连接，从而形成内转子独立转动；外转轴3通过外转子轴承2与机壳1转动连接，端盖9通过端盖轴承10与机壳1转动连接，从而形成外转子独立转动。

进一步地，内转轴4和外转轴3均可以为输入轴，相应地，另一转轴为输出轴。

进一步地，内转轴4的内端端部与外转轴3之间设有微小气隙。

本实施例的工作原理为：蓄电池13为逆变器14提供恒定的直流电，逆变器14根据电机所需的输出信息(负载转矩或者转速值)和传感器反馈回来的电机运行状况(输出转矩或转速值)，生成所需的三相交流电，通过电刷12和滑环11送到内转子绕组8，在绕组中产生旋转磁场，与永磁体6产生的磁场相互作用，从而实现电机增速(增矩)或者减速(减矩)的控制要求。

本实施例的具体控制方法如下：

当要求输出轴转速与输入轴转速相等时，通过控制逆变器14，将蓄电池13的直流电变成三相电，使其电频率为0，即控制内转子电流为直流，调节其大小使气隙磁场作用下所产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡。

当要求输出轴转速大于输入轴转速时，逆变器14施加给内转子绕组8一个与输入轴同方向旋转的电流矢量，控制此电流的大小，使气隙磁场的作用下产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡，控制电流矢量对应的机械转速等于输入输出轴的转速差，即控制励磁电流矢量对应的转速与输入轴转速之和与输出轴转速相等。

当要求输出轴转速小于输入轴转速时，逆变器14施加给内转子绕组8一个与输入轴反方向旋转的电流矢量，控制此电流的大小，使气隙磁场的作用下产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡，控制电流矢量对应的机械转速等于输入输出轴的转速差，即控制励磁电流矢量对应的转速与输出轴转速之和与输入轴转速相等。

本实施例只需一个控制器，控制机构比较简单。控制器将直流蓄电池的电压进行变换，产生所需的三相交流控制电压，经电刷12和滑环11送给本实施例的内转子绕组8，以控制磁场的变化来达到控制电机输出转速与输出转矩的目的。

因逆变器的输出功率只与内外转子的转速差和电磁转矩有关，即使内外转子转速都很高但功率却很小，因此逆变器模块体积小、重量轻，对于输入轴转动惯量的影响很小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，包括机壳、外转子和内转子，其特征在于，所述外转子包括外转轴，所述外转轴的内端设置在机壳内部，所述外转轴的内端上沿圆周方向交错设置永磁体，所述外转轴的内端端部设有端盖，所述外转轴的外端伸出机壳的第一端外；所述内转子包括内转轴，所述内转轴的内端设置在外转子内部，内转轴的内端上与永磁体相对应处设有内转子铁芯以及嵌入内转子铁芯的内转子绕组，所述内转轴的外端伸出与机壳第一端相对的第二端外，内转轴的外端上靠近端部处设有三个滑环，所述三个滑环上分别连接有电刷，所述电刷上连接有逆变器；

还包括蓄电池，所述蓄电池输出端与逆变器的输入端相连接；

所述逆变器输出端通过三个电刷分别与固定在内转轴上的三个滑环相连，用于向内转子绕组提供可控的三相交流电；

所述内转轴为输入轴，相应地，所述外转轴为输出轴；或

所述内转轴为输出轴，相应地，所述外转轴为输入轴；

当要求输出轴转速与输入轴转速相等时，通过控制逆变器，将蓄电池的直流电变成三相电，使三相电的电频率为0，即控制内转子电流为直流，调节内转子电流大小使气隙磁场作用下所产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡；

当要求输出轴转速大于输入轴转速时，逆变器施加给内转子绕组一个与输入轴同方向旋转的电流矢量，控制电流矢量的大小，使气隙磁场的作用下产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡，控制电流矢量对应的机械转速等于输入输出轴的转速差，即控制励磁电流矢量对应的转速与输入轴转速之和与输出轴转速相等；

当要求输出轴转速小于输入轴转速时，逆变器施加给内转子绕组一个与输入轴反方向旋转的电流矢量，控制电流矢量的大小，使气隙磁场的作用下产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡，控制电流矢量对应的机械转速等于输入输出轴的转速差，即控制励磁电流矢量对应的转速与输出轴转速之和与输入轴转速相等；

所述逆变器将蓄电池的直流电变成所需的交流控制电压，通过电刷和滑环传递给内转子绕组，用于调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差；

包括以下能量双向流动：

-电动状态，能量由蓄电池经逆变器、电刷和滑环送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经滑环、电刷和逆变器送到蓄电池，机械能转化为电能。

2.根据权利要求1所述的无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，所述内转子铁芯为圆环形，其外圆周表面沿轴向开有若干个槽，所述若干个槽的开口中心线围绕内转轴均匀分布，内转子绕组分别嵌入所述槽内形成三相绕组。

3.根据权利要求1所述的无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，所述内转轴的外端通过内转子-机壳间轴承与机壳转动连接，所述内转轴的内端通过内转子-外转子间轴承与外转轴转动连接，形成内转子独立转动；所述外转子通过外转子轴承与机壳转动连接，其端盖通过端盖轴承与机壳转动连接，形成外转子独立转动。

4.根据权利要求1所述的无定子的三电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，所述内转轴的内端端部与外转轴之间设有气隙。