CN103904846B - 一种混合动力汽车用定子永磁型双转子电机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于混合动力汽车的定子永磁型双转子电机结构，外定子铁心单元由6个沿圆周方向均匀布置的相同结构的凹槽铁心单元和6个相同结构的等腰三角形铁心单元组成，每个凹槽铁心单元的中间开有一个开口朝向轴心线的外定子凹槽，相邻的两个凹槽铁心单元之间形成底面朝向轴心线的V形间隙，在每个V形间隙中固定嵌有一个V形外定子永磁体，V形外定子永磁体的正中间具有开口朝向轴心线的V形槽，等腰三角形铁心单元固定嵌满在V形槽中，6个V形外定子永磁体由12块单永磁体组成，这12块单永磁体沿切向交替充磁；内转子及外转子上均无永磁体，提高工作的可靠性，通过内外电机的控制满足混合动力汽车不同工况需求，效率及功率密度较大。
Description
技术领域
[0001] 本发明是一种应用于混合动力汽车的定子永磁式双转子电机，属于电机设计的 领域。
背景技术
[0002] 混合电动汽车的驱动部件是电机，电机的性能对混合电动汽车的性能起着至关重 要的影响。用于混合电动汽车的电机有:开关磁阻双转子电机、定子永磁式双转子电机、永 磁磁通切换电机。开关磁阻双转子电机的外定子及内转子上有绕组，外转子为双凸极结构 且无绕组无永磁体，结构简单，具有恒功率范围宽的特点，但是其效率低于永磁电机，而混 合动力汽车应用中要求高功率密度及小型轻量化。定子永磁式双转子电机可参见公开号为 CN101106308的专利文献提出的定子永磁式双转子电机，永磁体及绕组位于外定子和内转 子上，双凸极外转子上无永磁体无绕组，结构简单，避免了外转子上由于永磁体带来的散热 及永磁体固定的问题，内外电机磁场耦合远小于外转子上有永磁体的双转子电机，效率及 功率密度高于开关磁阻双转子电机，但是由于内转子上有永磁体，内转子的散热和固定仍 然是个问题，应用于混合动力汽车系统时其工作的可靠性无法保证。永磁磁通切换电机在 定子上采用切向交替充磁永磁体，使其具有聚磁效应，可将气隙磁场设计得很大（可达到 2.5T)，具有高转矩密度及高功率密度的特点，另一方面由于永磁磁通切换电机上的永磁磁 链和绕组磁链在空间上是并联关系，从而具有一定的抗去磁性和较好的耐温性，因此适用 于混合电动汽车中出力大、小型轻量化及可靠性好的要求，但是永磁磁通切换电机中永磁 体用量大，利用率不高。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提出一种应用于混合动力汽车的高可靠性、高效率及较高永磁体 利用率的定子永磁型双转子电机结构，应用时能实现同功率要求下的小型轻量化，有较好 动力性能及平稳运行特性。
[0004] 实现本发明目的采用的技术方案是:本发明所述定子永磁型双转子电机结构包括 同轴的外定子铁心单元、外转子、内转子铁心单元及转轴，内转子铁心单元固定套在转轴 上，内转子铁心单元外有间隙地套有外转子，外转子外有间隙地套有外定子铁心单元，外定 子铁心单元由6个沿圆周方向均匀布置的相同结构的凹槽铁心单元和6个相同结构的等腰 三角形铁心单元组成，每个凹槽铁心单元的中间开有一个开口朝向轴心线的外定子凹槽， 相邻的两个凹槽铁心单元之间形成底面朝向轴心线的V形间隙，在每个V形间隙中固定嵌有 一个V形外定子永磁体，V形外定子永磁体的正中间具有开口朝向轴心线的V形槽，等腰三角 形铁心单元固定嵌满在V形槽中，形成6个外定子磁极，每个外定子磁极上布置一个位于外 定子凹槽内的外电机线圈；6个V形外定子永磁体由12块单永磁体组成，这12块单永磁体沿 切向交替充磁；内转子铁心单元具有12个在圆周上均勾分布的内转子磁极，每个内转子磁 极上布置一个内电机线圈。
[0005] 本发明采用上述技术方案后，具有以下优点：
[0006] 1、本发明的内转子及外转子上均无永磁体，因此避免了永磁体固定及永磁体高温 易退磁问题，提高电机工作的可靠性;外转子与内转子构成的内电机采用12/10极开关磁阻 电机结构，使之具有宽调速范围及较好的动态性能。
[0007] 2、本发明应用于混合动力汽车时，并通过内外电机的控制，满足不同工况需求;可 实现内外电机多功率流耦合输出，简化传动装置，使发动机运行在最佳效率区，实现无级变 速，效率及功率密度较大，提高燃油经济性，减少排放。
[0008] 3、本发明的外定子每个磁极是由3个定子齿和间隔其中的两块开口朝向轴心的V 形相对充磁的永磁体组成，具有聚磁效应和更大的转矩输出能力及更高的永磁体利用率。
附图说明
[0009] 图1是本发明提出的混合动力汽车用定子永磁型双转子电机结构主视图；
[0010]图2是图1中外定子铁心单元结构及其上线圈绕组布置和永磁体充磁方式图；
[0011] 图3是图1中外转子的结构图；
[0012] 图4是图1中内转子铁心单元结构及其上线圈绕组布置和永磁体充磁方式图；
[0013] 图5是绕组连接方式图，（a)图是图2中绕组连接方式图，（b)图是图3中绕组连接方 式图；
[0014] 图6是本发明提出的定子永磁式双转子电机应用于混合动力汽车时的连接结构示 意图；
[0015] 图中：1.外定子铁心单元;2.外定子永磁体;3.外转子;4.内转子铁心单元;5.外定 子凹槽;6.转轴；
[0016] 7、8、9、10、11、12.外电机线圈；13.凹槽铁心单元;14.等腰三角形铁心单元；
[0017] 15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26.内转子线圈；
[0018] 27 .本发明定子永磁型双转子电机;28.发动机;29.滑环;30.输入轴;31.输出轴； 32.驱动桥;33.驱动器;34.储能装置;35.车轮；
[0019] 36、37、38、39.侧面；
[0020] 40、41、42、43、44、45、46、47、48、49.外转子外侧转极；
[0021 ] 50、51、52、53、54、55、56、57、58、59 ·外转子内侧转极；
[0022] 60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71·内转子磁极；
[0023] 72 .外定子外圆周面；73 .外定子内圆周面；74.内转子外圆周面；75 .圆面；76 .圆 面；78.外侧圆；79.内侧圆。
具体实施方式
[0024] 本发明提出的混合动力汽车用定子永磁型双转子电机结构如图1所示，包括同轴 的外定子铁心单元1、外定子永磁体2、外转子3、内转子铁心单元4、转轴6等。内转子铁心单 元4固定套在转轴6上，在内转子铁心单元4外有间隙地套有外转子3,外转子3外有间隙地套 有外定子铁心单元1。
[0025]如图1-2所示，外定子铁心单元1由6个相同结构的凹槽铁心单元13和6个相同结构 的等腰三角形铁心单元14组成。每个凹槽铁心单元13的中间开有一个外定子凹槽5,6个外 定子凹槽5的开口均朝向轴心线，外定子凹槽5的槽底尺寸大于槽口尺寸，槽口较小且靠近 轴心线，槽底较大且远离轴心线。6个凹槽铁心单元13沿圆周方向均匀布置，6个凹槽铁心单 元13的外表面在同一个外定子外圆周面72上，6个凹槽铁心单元13的内表面在同一个外定 子内圆周面73上。相邻的两个凹槽铁心单元13之间形成V形间隙，V形间隙的底面朝向轴心 线，在每个V形间隙中固定嵌有一个V形的外定子永磁体2，每个V形的外定子永磁体2的两个 侧面分别紧贴在相邻两个凹槽铁心单元13的两个侧面上，外定子永磁体2的底面在外定子 内圆周面73上，外定子永磁体2的顶面在外定子外圆周面72上。V形的外定子永磁体2的正中 间具有V形槽，V形槽的开口朝向轴心线，等腰三角形铁心单元14固定嵌满在V形槽中，所有 的凹槽铁心单元13、外定子永磁体2、等腰三角形铁心单元14形成了6个外定子磁极，每个外 定子磁极实际上是由3个定子齿和间隔其中的两块开口朝向轴心线的V形的相对充磁的永 磁体组成。等腰三角形铁心单元14的底面在外定子内圆周面73上且朝向轴心线。
[0026]凹槽铁心单元13的同一个定子齿侧壁的两个侧面相互平行，也即外定子凹槽5的 同一个侧壁的两个侧面相互平行，参见图2中的侧面36和侧面37相平行，侧面38及侧面39相 平行。
[0027]在外定子磁极上布置外电机线圈，外电机线圈放置在外定子凹槽5内，6个外电机 线圈分别是图2中附图标记为7至12的6个外电机线圈。外定子铁心单元1、外定子永磁体2及 外电机线圈7-12组成外定子。本发明中的6个V形的外定子永磁体2实际上是12块单永磁体， 这12块单永磁体沿切向交替充磁。每块单永磁体外端的切向宽度小于内端的切向宽度，每 块单永磁体在远离轴心线的方向上其切向宽度逐渐变小，使之不仅具有聚磁效应，可提高 转矩密度，还可以提高永磁体利用率，减少永磁材料，降低成本。
[0028]如图3所示，外转子3内外均为凸极结构，外侧有10个外转子外侧转极在圆周上均 匀分布，即附图标记为40至49的10个外转子外侧转极均在外侧圆78上均匀分布；内侧有10 个外转子内侧转极50-59在圆周上均匀分布，即附图标记为50至59的10个外转子内侧转极 均在内侧圆79上均匀分布。
[0029] 一个外转子外侧转极与一个外转子内侧转极在径向相对布置，即转极40与50,转 极41与51，转极42与52,转极43与53,转极44与54,转极45与55,转极46与56,转极47与 57,转极48与58,转极49与59分别径向相对布置。外转子外侧转极和外转子内侧转极均采 用梯形结构，外转子外侧转极的梯形顶面背离轴心线，且外转子外侧转极的所有的梯形顶 面均在同一个圆面75上;外转子内侧转极的梯形顶面朝向轴心线，且外转子内侧转极的梯 形顶面均在同一个圆面76上，外转子内侧转极的这种结构可以减小磁路饱和，并增强转子 的机械强度。
[0030]如图4所示的内转子铁心单元4的结构，内转子铁心单元4具有12个在圆周上均匀 分布的内转子磁极，即附图标记为60至71的12个内转子磁极，每个内转子磁极上布置有一 个内电机线圈，即附图标记为15至26的12个内电机线圈，由内转子铁心单元4和内电机线圈 15-26组成内转子。所有的内转子磁极的顶面均位于同一个内转子外圆周面74上。
[0031 ] 外定子铁心单元1和外转子3之间有0.5mm的外气隙，内转子铁心单元4与外转子3 之间有0.5mm的内气隙。
[0032]外定子铁心单元1及内转子铁心单元4均采用硅钢片叠压而成，外转子3采用实心 钢材料，外电机线圈7-12及内电机线圈15-26均采用铜材料，转轴6采用非导磁铝合金材料， 外定子永磁体2采用汝铁硼永磁材料。
[0033] 参见图2和图5(a)所示，在外定子上，由相对磁极上的外电机线圈7和10、外电机线 圈8和11、外电机线圈9和12串联成三相集中绕组A-A '、B-B '、C-C '，永磁磁通与电枢反应磁 通在空间上互相垂直，在磁路上是并联关系，因此使本发明具有抗去磁性及较好的耐温性。
[0034] 参见图4和图5(b)所示，在内转子上，由相对磁极上的内电机线圈15与21、内电机 线圈16与22、内电机线圈17与23、内电机线圈18与24、内电机线圈19与25、内电机线圈20与 26串联成六相集中绕组a_a'、b_b'、c_c'、d_d'、e_e'、f_f '，通过米用两相或二相混合起动 方式，可实现大转矩输出及小转矩脉动。
[0035] 参见图6所示，混合动力汽车中采用本发明提出的定子永磁型双转子电机27来驱 动，双转子电机27可看做由同心布置的定子永磁式外电机和外转子式开关磁阻内电机组 成，内转子铁心单元4、内电机线圈15-26和外转子铁心单元3构成内电机，外转子铁心单元 3、外定子铁心单元1、外定子永磁体2和外定子上的外电机线圈7-12构成外电机，内转子（内 转子铁心单元4、内电机线圈15-26)与输入轴30相连，外转子铁心单元3与输出轴31相连，成 为双转子电机27的两个机械端口。内转子通过输入轴30接收混合动力汽车的发动机28输出 的机械功率，内电机线圈15-26通过电磁感应产生电功率，可通过整流向储能装置34充电， 或向通过输出轴31及驱动桥32驱动车轮35的外转子铁心单元3传递机械功率。内转子和外 定子分别通过导线滑环29、驱动器33与储能装置34相连，成为双转子电机27的两路双向电 气端口，储能装置34通过驱动器33与内电机线圈15-26及外电机线圈7-12相连，向双转子电 机27传输电能，转换为机械输出，或在汽车制动时向储能装置34充电，将机械能转换为电 能。
[0036] 本发明双转子电机27应用于混合动力汽车中，可实现无级变速，并能替代离合器、 变速箱、起动机和发电机;相对于现有定子永磁式双转子电机，它解决了内转子散热问题， 具有坚固、可靠、宽调速范围、较好的起动性能、更高的效率及高功率密度的优点。
[0037] 应用于混联式混合动力系统，双转子电机27代替了离合器、变速箱、启动器、发电 机和行星齿轮等。既具有串联模式优点，即发动机可独立于汽车工况运行于高效线;又可克 服串联局限，即发动机28输出能量仅提供一部分电磁功率经机械能-电能-机械能输出，大 部分由电磁力直接传递给输出轴31，大大提高了效率，并使得电机及储能装置容量大幅度 减小。
[0038] 应用于混合动力汽车中时，同时可实现混合驱动时多种工作模式的转换，并在任 何负荷下都能使发动机28工作在最佳工作区（内电机提供转速差，外电机提供转矩差）。 [0039]在忽略传输损耗的理想情况下，发动机28工作时，若发动机28输出转速即内转子 的转速IPi大于外转子的转速:1¾，则从发动机28输入的机械功率巧的一部分作为内电机输 出的机械功率^通过外转子3直接传递给输出轴31，剩下的作为内电机输出的电功率卷由 内外转子转速差切割磁力线感应产生，并通过驱动器33给储能装置34充电，或再通过驱动 器33传递给外电机，转换为外转子3的附加转矩，此时汽车相当于低档行驶；当*^ = :*¾ 时，内电机输出的电功率尤为〇，发动机28的转矩、转速通过内电机直接传递给输出轴31，内 电机电动堵转，外电机则不工作；当: 1¾:小于竭*时，外电机处发电状态，内电机处电动状 态，汽车相当于高档行驶。由于发动机28高效工作时转速通常较车速高，故双转子电机27常 工作于第一种情况，此时内外转子转速的比值等于外转子输出轴31输出转矩与内 转子输入轴传递转矩的比值，因此在忽略传输损耗的理想情况下，能量是等功率传输，并可 实现无级变速的目的。
[0040] 混合动力汽车可工作于以下模式：
[0041] 汽车起步或低速时，储能装置34内储存的电能向外定子线圈7-12供电提供动力， 外电机工作，此时外转子3旋转并通过输出轴31驱动汽车车轮35转动，内转子静止即发动机 28不工作，零排放;在这种模式下，汽车的起动转矩由外电机提供。经有限元仿真结果显示 本发明中的外电机结构（改进FSPM)相对于常规12/10极永磁磁通切换结构(FSPM)电机，在 相等线负荷及定子内外径时平均输出转矩较大，在额定负载时，平均输出转矩提高了 22.8%，转矩/永磁材料体积比值提高了 26.3%，说明本发明中的外电机不仅提高了永磁体利 用率，而且可满足大转矩输出需求。
[0042]汽车正常行驶时，可根据具体工况采用发动机28提供动力，储能装置34不提供动 力，或发动机28不工作，储能装置34提供动力；当发动机28提供动力时，内电机工作，内转子 由发动机28带动以转速:*¾旋转，外转子3在内电机电动驱动下，遵循磁阻最小原则以转速 螂转动，此时储能装置34不向外电机提供电能，在这种模式下，内电机由于内转子上无永 磁体避免了散热问题，继承了开关磁阻结构电机调速范围宽、较好动力性能及工作可靠等 优点；当发动机28不工作，储能装置34提供动力时，同样可实现零排放，减少污染。
[0043]汽车全负荷行驶，发动机28与储能装置34均提供动力，此时内外电机均工作，外转 子3转速由内电机调节，外转子3输出转矩由外电机进行调节，可实现大功率输出。
[0044]汽车减速时，外电机处于发电状态，回收电能于储能装置34。
Claims (1)
1. 一种混合动力汽车用定子永磁型双转子电机结构，包括同轴的外定子铁心单元（1)、 外转子(3)、内转子铁心单元(4)及转轴(6)，内转子铁心单元(4)固定套在转轴(6)上，内转 子铁心单元(4)外有间隙地套有外转子（3)，外转子（3)外有间隙地套有外定子铁心单元 (1 )，外定子铁心单元（1)由6个沿圆周方向均匀布置的相同结构的凹槽铁心单元(13 )和6个 相同结构的等腰三角形铁心单元（14)组成，每个凹槽铁心单元（13)的中间开有一个开口朝 向轴心线的外定子凹槽(5)，相邻的两个凹槽铁心单元（13)之间形成底面朝向轴心线的V形 间隙，在每个V形间隙中固定嵌有一个V形外定子永磁体(2 )，V形外定子永磁体(2 )的正中间 具有开口朝向轴心线的V形槽，等腰三角形铁心单元(14)固定嵌满在V形槽中，形成6个外定 子磁极，每个外定子磁极上布置一个位于外定子凹槽(5)内的外电机线圈;6个V形外定子永 磁体(2)由12块单永磁体组成，这12块单永磁体沿切向交替充磁；内转子铁心单元(4)具有 12个在圆周上均匀分布的内转子磁极，每个内转子磁极上布置一个内电机线圈，其特征是： 外转子(3)的内侧具有10个在圆周上均匀分布的梯形的内侧转极、外侧具有10个在圆周上 均匀分布的梯形的外侧转极，1 〇个内侧转极和1 〇个外侧转极在径向相对布置。
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