CN103640470B

CN103640470B - 用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构及其动力传递模式

Info

Publication number: CN103640470B
Application number: CN201310659506.9A
Authority: CN
Inventors: 何仁; 倪赟磊
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Suzhou Xingzhe Power Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103640470A

Abstract

本发明公开一种用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构及其动力传递模式，双转子电机的输出侧设置行星齿轮机构，外转子的输出端与齿圈相连且中间设置第一、第三离合器，内转子轴与行星齿轮机构的太阳轮同轴且两者中间设置第二离合器，齿圈外侧有第三、第五制动器，太阳轮外侧有第四制动器，动力输出轴与行星架同轴固定；结合了双转子电机和行星齿轮机构的优点，具有驱动、制动、制动能量回收和在车发电四种模式，驱动模式下内转子和定子形成驱动电机，能量回收模式下外转子和定子形成发电机，同时还能具有电机制动和在车发电的功能。

Description

用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构及其动力传递模式

技术领域

本发明属于电动汽车驱动电机及其控制技术领域，具体涉及一种兼有驱动、制动、在车发电与能量回收的双转子电机，应用于轮毂电机驱动的电动汽车上。

背景技术

汽车能源供应和环境问题极为突出，新能源汽车技术的研究开发迫在眉睫。纯电动汽车动力驱动效率高、能够实行零排放而受到关注。轮毂电机驱动是纯电动汽车中一种新的驱动结构方案，目前电动车辆轮毂电机主要采用感应电动机和永磁电动机，其中永磁电动机功率密度较大，它们皆由一个转子和一个定子同轴心布置，根据负载驱动需求，控制电机转子输出相应的转矩。但是这两类电机的控制器成本都较高，并且用作轮毂电机驱动汽车运行时绕组一直处于通电状态，能量利用率低，对电机的冷却系统要求也较高。

双转子电机由一个定子和两个转子同轴心布置而成，定子固定在内外转子之间，内外转子可以独立的绕定子转动，由电机控制器分别给内外转子独立提供驱动电流，实现双转子电机内外转子两个独立的转动模式。

发明内容

为了使车辆具有较高的驱动性能，同时又能够实现高效的驱动模式和制动能量回收模式，达到节能减排的目的，本发明提出一种新型的双转子电机作为车辆轮毂驱动的电机结构以及该电机结构的动力传送模式，既能实现电机驱动，又能实现制动、在车发电与能量回收的功能，显著提高了车辆的能量利用率，电机控制策略简单。

本发明所述用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构采用的技术方案是：所述双转子电机外层是外转子，中间是定子，内层是内转子，内转子固设在内转子轴上，内转子外侧装有内转子绕组，外转子内侧都装有外转子绕组，外转子外侧有第一、第二制动器，内转子绕组与直流/交流主转换器相连，外转子绕组与直流/交流副转换器相连，直流/交流主转换器和直流/交流副转换器均与复合电源储能装置相连；双转子电机的输出侧设置行星齿轮机构，行星齿轮机构由太阳轮、行星轮、行星架和齿圈组合而成；外转子的输出端与齿圈相连且中间设置第一、第三离合器，内转子轴与行星齿轮机构的太阳轮同轴且两者中间设置第二离合器，齿圈外侧有第三、第五制动器，太阳轮外侧有第四制动器，动力输出轴与行星架同轴固定。

本发明所述用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构的动力传送模式采用的技术方案是：A、驱动模式：第一、第二、第三、第五制动器制动，第四制动器松开，外转子绕组线圈不通电，内转子绕组通电，第一、第三离合器松开，第二离合器结合，内转子旋转，动力直接传递给太阳轮和动力输出轴。B、制动模式：第一、第二、第三、第五制动器松开，第四制动器制动，外转子绕组闭合，内转子绕组不工作，第二离合器松开，第一、第三离合器结合，太阳轮固定不动，动力输出轴的动力通过行星架传递给齿圈，齿圈带动外转子旋转。C、制动能量回收模式：第一、第二、第三、第五制动器松开，第四制动器制动，内转子绕组不工作，第二离合器松开，第一、第三离合器结合，动力输出轴的动力通过行星架传递给齿圈，齿圈带动外转子旋转，外转子和定子组成发电机，发电电流通过外转子绕组传递给直流/交流副转换器后存在复合电源储能装置中。D、在车发电模式：第一、第二、第三、第五制动器制动；第四制动器松开，内转子绕组通电，第一、第三离合器松开，第二离合器结合，控制外转子绕组发电和内转子处于驱动状态，旋转的磁场在外转子绕组中产生感应电流，将多余能量通过外转子回收到复合电源储能装置中。

本发明结合了双转子电机和行星齿轮机构的优点，驱动模式下内转子和定子形成驱动电机，能量回收模式下外转子和定子形成发电机，同时还能具有电机制动和在车发电的功能。本发明的主要优点如下：

第一，该电机有正常永磁电机的驱动和制动能量回收等功能，输出转矩经过行星齿轮机构作用后输出，完成驱动。

第二，该电机的驱动模式通过内转子和定子实现、电机制动/制动能量回收通过外转子和定子实现，行星齿轮机构配合实现模式的切换，完成内外转子分别用于驱动和电机制动/制动能量回收的设计思路，简化了电机的控制策略，提高了电机性能。

第三，该电机在驱动、制动能量回收模式下分别有内转子绕组和外转子绕组交替电流流过，各绕组不再时刻处于通电发热状态下。

第四，该电机在储能装置的储存能量达到上限不再回收能量的情况下，可以进入电机制动模式，实现缓速制动，提高了车辆的制动稳定性。

第五，该电机拥有在车发电模式，在车辆驱动需求转矩小于电机驱动转矩时将多余的能量通过外转子绕组储存到复合电源储能装置(电池/超级电容器组)中，提高了车辆能量利用效率，本发明可以用于轮毂电机驱动汽车。

附图说明

图1是本发明所述一种用于车辆轮毂驱动的双转子电机的结构构示意图；

图2是图1中的双转子电机在驱动模式下的动力传递图；

图3是图1中的双转子电机在制动模式下的动力传递图；

图4是图1中的双转子电机在制动能量回收模式下的动力传递图；

图5是图1中的双转子电机在车发电模式下的动力传递图。

图中：1.电机壳体；2.第一制动器；3.外转子；4.定子；5.定子支架；6.永磁

体；7.内转子绕组；8.内转子；9.内转子轴；10.轴承；11.外转子绕组；12.第二制动器；13.直流/交流主转换器；14.直流/交流副转换器；15.储能装置；16.第三制动器；17.第一离合器；18.齿圈；19.行星轮；20.行星架；21.太阳轮；22.第四制动器；23.第二离合器；24动力输出轴；25.第三离合器；26.第五制动器。

具体实施方式

如图1所示，本发明包含双转子电机和行星齿轮机构。

双转子电机是同轴心布置的三层结构，最外层是外转子3，中间是定子4，最内层是内转子8。外转子3外侧安装第一制动器2和第二制动器12，用以控制外转子3的旋转。定子4外层镶有永磁体，内转子8和外转子3侧都装有电枢绕组，内转子8外侧装有内转子绕组7，外转子3内侧都装有外转子绕组11。定子4固定在定子支架5上，外转子3通过轴承支撑在定子支架5上，确保外转子3相对于定子支架5可以相对旋转。同样，内转子8通过轴承支撑在支架5上，确保内转子8可以相对于支架旋转。内转子8同轴固定在内转子轴9上，外转子3、定子4、定子支架5等均与内转子轴9同轴。内转子绕组7与直流/交流主转换器13通过导线相连，外转子绕组11与直流/交流副转换器14通过导线相连，用于传递能量，直流/交流主转换器13和直流/交流副转换器14均与复合电源储能装置15相连，复合电源储能装置15即为电池/超级电容器组。

在双转子电机的输出侧设置行星齿轮机构，行星齿轮机构由太阳轮21、行星轮19、行星架20和齿圈18组合而成。太阳轮21与内转子轴9同轴，太阳轮21在中间，齿圈18在最外侧，行星轮19在两者之间，其中太阳轮21与行星轮19外啮合，行星轮19与齿圈18内啮合，行星轮19固定在行星架20上。太阳轮21、齿圈18和行星架20三者同轴心转动。

外转子3的输出端与齿圈18相连，两者中间设置第一离合器17、第三离合器25，第一离合器17、第三离合器25的主动片固定在外转子3上，从动片固定在齿圈18上，用于控制同轴心转动的外转子3与齿圈18传递动力的通断。内转子8的输出内转子轴9与行星齿轮机构的太阳轮21同轴且相连，两者中间设置第二离合器23，第二离合器23的主动片固定在内转子轴9上，从动片固定在行星齿轮机构的太阳轮21上，用于控制同轴心转动的内转子8与行星齿轮机构太阳轮21传递动力的通断。齿圈18外侧装有第三制动器16和第五制动器26，用于控制齿圈18是否做旋转运动。太阳轮21外侧装有第四制动器22，用于控制太阳轮21是否做旋转运动。动力输出轴24与行星齿轮架20同轴固定，绕同轴心转动，行星架20与动力输出轴24通过花键固定连接，动力输出轴24向外界传递动力。

本发明具有驱动、制动、制动能量回收和在车发电四种模式，通过行星齿轮机构的配合使用，使双转子电机实现内转子绕组7用于驱动模式、外转子绕组11用于能量回收模式，各动力模式间可以互相切换，满足电动车辆不同工况对电机的不同需求。具体如下：

参见图2，箭头走线方向为电机驱动模式能量输出路线，具体路线如下：能量经复合电源储能装置15、直流/交流主转换器13、内转子绕组7、内转子轴9、行星齿轮的太阳轮21、行星齿轮的行星轮19、行星齿轮的行星架20至动力输出轴24，驱动车辆。具体控制方法：第一制动器2、第二制动器12制动，即控制外转子3固定不动，外转子绕组11线圈不通电；第一离合器17、第三离合器25松开，确保外转子3和齿圈18没有动力传递；第三制动器16和第五制动器26制动，控制行星齿轮机构齿圈18固定不动；第四制动器22松开，太阳轮21可以旋转，第二离合器23结合，即内转子8的动力可以直接传递给太阳轮21。给双转子电机的内转子绕组7通电，内转子8旋转，动力传递给太阳轮21。假设为行星齿轮机构中齿圈18的齿数,为行星齿轮机构中太阳轮21的齿数,那么内转子8产生的动力通过减速比为的减速机构作用后传递给动力输出轴24,该模式下,该动力总成即为减速驱动型内转子电机。

参见图3，箭头走线方向为电机制动模式能量传递路线，即在系统的复合电源储能装置无法储存额外电能时，具体能量路线如下：动力经动力输出轴24、行星齿轮行星架20、行星齿轮行星轮19、行星齿轮齿圈18、外转子4，旋转外转子绕组11在定子磁场下产生热量，排入空气，实现电机制动。具体控制方法：第一制动器2、第二制动器12松开，外转子3处于旋转的自由状态；第一离合器17、第三离合器25结合，确保外转子3和齿圈18可以传递动力；第三制动器16和第五制动器26松开，行星齿轮机构齿圈18可以旋转；第四制动器22制动，太阳轮21固定不动，第二离合器23松开，确保内转子8与太阳轮21没有动力传递，内转子绕组7线圈不参与工作。动力输出轴24的动力通过行星架20传递给齿圈18，齿圈18带动外转子3旋转，控制外转子绕组11闭合，外转子3受到电磁阻力矩，汽车动能转化成外转子绕组11产生的热量，经电机冷却风道排入空气，实现电机制动。

参见图4，箭头走线方向为制动能量回收路线，即在系统的复合电源储能装置可以储存额外电能时，具体能量传递路线如下：动力经动力输出轴24、行星齿轮行星架20、行星齿轮行星轮19、行星齿轮齿圈18、外转子4，由旋转的外转子绕组11在定子磁场下产生感应电流，感应电流经直流/交流副转换器14后储存到复合电源储能装置15，实现制动能量回收。具体控制方法是：第一制动器2、第二制动器12松开，外转子3可以旋转；第一离合器17、第三离合器25结合，确保外转子和齿圈可以传递动力；第三制动器16和第五制动器26松开，行星齿轮机构齿圈18可以旋转；第四制动器22制动，太阳轮21固定不动，第二离合器23松开，确保内转子8与太阳轮21没有动力传递，内转子绕组7的线圈不工作。动力输出轴24的动力通过行星架20传递给齿圈18，齿圈18带动外转子3旋转，外转子3和定子4组成发电机，控制电机以设定转矩输出发电，发电电流通过外转子绕组11传递给直流/交流转换器，储存在复合电源储能装置15中，实现制动能量回收。

参见图5，箭头走线方向为能量传递路线，具体能量传递路线如下：能量经复合电源储能装置15、直流/交流主转换器13、内转子绕组7、内转子轴9、行星齿轮太阳轮21、行星齿轮行星轮19、行星齿轮行星架20至动力输出轴24；当电机的输出功率大于车辆行驶的需求功率时，闭合的外转子绕组11在旋转的内转子磁场下产生感应电流，感应电流经直流/交流副转换器14后储存到复合电源储能装置(电池/超级电容器组)15，实现在车发电模式。具体控制方法：第一制动器2、第二制动器12制动；第一离合器17、第三离合器25松开，确保外转子和齿圈没有动力传递；第三制动器16和第五制动器26制动，控制行星齿轮机构齿圈18固定不动；第四制动器22松开，太阳轮21可以旋转，第二离合器23结合，即内转子8的动力可以直接传递给太阳轮21，通过行星架传递给动力输出轴24。给双转子电机的内转子绕组7通电，内转子8旋转，动力传递给太阳轮21，若为行星齿轮机构中齿圈18的齿数,为行星齿轮机构中太阳轮21的齿数,那么内转子8产生的动力通过减速比为的减速机构作用后传递给动力输出轴24。同时，若在行车过程中，电机的输出功率大于车辆驱动的需求功率，控制外转子绕组11发电,内转子8处于驱动状态,旋转的磁场在外转子绕组11中产生感应电流，由此将电机提供的多余的能量通过外转子3回收到复合电源储能装置15中,即在车发电模式。

Claims

1.一种用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构，外层是外转子（3），中间是定子（4），内层是内转子（8），内转子（8）固设在内转子轴（9）上，内转子（8）外侧装有内转子绕组（7），外转子（3）内侧装有外转子绕组（11），其特征是：外转子（3）外侧有第一、第二制动器（2、12），内转子绕组（7）与直流/交流主转换器（13）相连，外转子绕组（11）与直流/交流副转换器（14）相连，直流/交流主转换器（13）和直流/交流副转换器（14）均与复合电源储能装置（15）相连；双转子电机的输出侧设置行星齿轮机构，行星齿轮机构由太阳轮（21）、行星轮（19）、行星架（20）和齿圈（18）组合而成；外转子（3）的输出端与齿圈（18）相连且中间设置第一、第三离合器（17、25），内转子轴（9）与行星齿轮机构的太阳轮（21）同轴且两者中间设置第二离合器（23），齿圈（18）外侧有第三、第五制动器（16、26），太阳轮（21）外侧有第四制动器（22），动力输出轴（24）与行星架（20）同轴固定。

2.根据权利要求1所述用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构，其特征是：定子（4）固接于定子支架（5），内转子（8）和外转子（3）均通过轴承支撑在定子支架（5）上。

3.一种如权利要求1所述用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构的动力传递模式，其特征是：

A、驱动模式：第一、第二、第三、第五制动器（2、12、16、26）制动，第四制动器（22）松开，外转子绕组（11）线圈不通电，内转子绕组（7）通电，第一、第三离合器（17、25）松开，第二离合器（23）结合，内转子（8）旋转，动力直接传递给太阳轮（21）和动力输出轴（24）；

B、制动模式：第一、第二、第三、第五制动器（2、12、16、26）松开，第四制动器（22）制动，外转子绕组（11）闭合，内转子绕组（7）不工作，第二离合器（23）松开，第一、第三离合器（17、25）结合，太阳轮（21）固定不动，动力输出轴（24）的动力通过行星架（20）传递给齿圈（18），齿圈（18）带动外转子（3）旋转；

C、在车发电模式：第一、第二、第三、第五制动器（2、12、16、26）制动，第四制动器（22）松开，内转子绕组（7）通电，第一、第三离合器（17、25）松开，第二离合器（23）结合，控制外转子绕组（11）发电，内转子（8）处于驱动状态，旋转的磁场在外转子绕组（11）中产生感应电流，将多余能量通过外转子（3）回收到复合电源储能装置（15）中。

4.根据权利要求3所述用于车辆轮毂驱动的双转子电机结构的动力传递模式，其特征是：

模式B中，第一、第二、第三、第五制动器（2、12、16、26）松开，第四制动器（22）制动，内转子绕组（7）不工作，第二离合器（23）松开，第一、第三离合器（17、25）结合，动力输出轴（24）的动力通过行星架（20）传递给齿圈（18），齿圈（18）带动外转子（3）旋转，外转子（3）和定子（4）组成发电机，发电电流通过外转子绕组（11）传递给直流/交流副转换器（14）后存在复合电源储能装置（15）中，实现制动能量回收。