CN103051124B - 无定子的两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两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两个滑环，两个滑环上分别连接电刷；机壳内部机壳第二端与内转子铁芯之间的内转轴上设有逆变器。本发明结构简单，突破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

无定子的两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两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。同时其逆变器在电机外固定，逆变器输出端与电机输入端的连接基本都采用三电刷的连接方式，电刷数的增加会导致磨损故障概率的增加。

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两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。

一种无定子的两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，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两个滑环，所述两个滑环上分别连接电刷；所述机壳内部机壳第二端与内转子铁芯之间的内转轴上设有逆变器。

所述逆变器与内转轴固定连接并一起旋转，逆变器输出端通过三相线缆与内转子绕组连接。

所述无定子的两电刷双转子外圈永磁体同步电机，还包括蓄电池，所述蓄电池输出端直接与电刷相连接。

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

所述无定子的两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，能量由蓄电池经电刷、滑环和逆变器送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经逆变器、滑环和电刷送到蓄电池，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内转轴转动连接，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。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的无定子的两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，电机本体体积能得到减小。

同时，本发明将逆变器置于电机机壳内，与内转轴固定，随着内转轴一起旋转，蓄电池通过电刷与滑环连接，为逆变器提供直流电，因此本发明的电机只需用到2个电刷和滑环，缓解了一般三电刷双转子电机在运行稳定性和使用寿命方面存在的问题。

另外，由于本发明只需一个控制器，控制比较方便。控制器将经电刷和滑环传递过来的蓄电池的直流电压电流进行变换，产生所需的交流控制电压和电流，直接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15。

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，其端部设有端盖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，其上与永磁体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1第一端相对的第二端外，其上靠近端部处设有两个滑环11，所述两个滑环11上分别连接电刷12；在机壳内部的内转轴4上，机壳1第二端与内转子铁芯7之间设有逆变器14。

进一步地，本实施例还包括蓄电池13，蓄电池13输出端直接与电刷12相连接。

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4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，从而形成内转子的独立转动；外转子为中空结构，其通过外转子轴承2与机壳1转动连接，其端盖9通过端盖轴承10与内转轴4转动连接，从而形成外转子的独立转动。

本实施例内转轴和外转轴均可以作为输入轴，相应地，另一转轴为输出轴。

进一步地，逆变器14与内转轴4固定连接并一起旋转，其输出端通过三相线缆与内转子绕组8连接。

进一步地，逆变器14将经电刷12和滑环11传递过来的蓄电池13的直流电变成所需的交流控制电压，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，内转轴4的内端端部与外转轴3之间设有气隙。

本实施例的工作原理是：蓄电池13通过电刷12和滑环11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，送到内转子绕组8，在内转子绕组8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。

进一步地，本实施例包括以下能量双向流动：

-电动状态，能量由蓄电池经电刷、滑环和逆变器送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经逆变器、滑环和电刷送到蓄电池，机械能转化为电能。

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，控制内转子绕组8的电流为直流，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。

本实施例将逆变器14置于电机机壳内，与内转轴4固定，随着内转轴4一起旋转，蓄电池13通过电刷12与滑环11连接，为逆变器4提供直流电，因此本实施例的电机只需用到2个电刷和滑环，缓解了一般三电刷双转子电机在运行稳定性和使用寿命方面存在的问题。

本实施例只需一个控制器，控制机构比较简单。控制器将经电刷12和滑环11传递过来的蓄电池的直流电压电流进行变换，产生所需的交流控制电压和电流，直接送给本实施例电机的内转子绕组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 (8)

1.一种无定子的两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，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两个滑环，所述两个滑环上分别连接电刷；所述机壳内部机壳第二端与内转子铁芯之间的内转轴上设有逆变器；还包括蓄电池，所述蓄电池输出端直接与电刷相连接；

蓄电池通过电刷和滑环为逆变器提供恒定的直流电，逆变器根据电机所需的负载转矩或转速值以及输出的转矩或转速值，生成三相交流电，送到内转子绕组，在内转子绕组中产生旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，从而实现电机增矩或者减矩的控制要求。

2.根据权利要求1所述的无定子的两电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，所述逆变器与内转轴固定连接并一起旋转，逆变器输出端通过三相线缆与内转子绕组连接。

3.根据权利要求1所述的无定子的两电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，所述逆变器将经电刷和滑环传递过来的蓄电池的直流电变成所需的交流控制电压，用于调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差。

4.根据权利要求3所述的无定子的两电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，包括以下能量双向流动：

电动状态，能量由蓄电池经电刷、滑环和逆变器送到电机，电能转化为机械能；

放电状态，能量由电机经逆变器、滑环和电刷送到蓄电池，机械能转化为电能。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的无定子的两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。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的无定子的两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内转轴转动连接，形成外转子独立转动。

7.根据权利要求6所述的无定子的两电刷双转子外圈永磁体同步电机，其特征在于，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。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的无定子的两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。