CN104009602B - 磁齿轮功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互补结构的磁齿轮功率分配器，定子(1)，其具有定子本体(11)、定子隔磁块(12)和定子端部(13)；内转子(2)，其具有内转子本体(21)、内转子隔磁块(22)和内转子轴(23)；外转子(3)，其具有外转子本体(31)、外转子隔磁块(32)和外转子轴(33)；所述内转子(2)、所述外转子(3)同轴设置形成定转子；所述定子(1)与所述内转子(2)之间有内层气隙(4)；所述定子(1)与所述外转子(3)之间有外层气隙(5)。本发明中的对称结构使得内外转子的定位力矩到明显抑制，绕组中磁链呈现对称的正弦波形；本发明实现了能量在内转子、外转子与电枢绕组三者之间的转换，这种工作方式特别适合用于混合动力驱动场合；本发明中的能量转换完全由电磁场实现，属于永磁电机的范畴，避免了机械磨损。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机领域，尤其涉及一种适用于混合动力驱动场合的磁齿轮功率分配器。
背景技术
目前常规混合动力汽车采用以行星齿轮组为核心的功率分配器，辅以两台电机与一台发动机共同组成混合动力系统的结构。由于齿轮组在运行中存在齿间的接触和间隙，容易产生噪声和磨损。
现有技术中，还有提出利用同轴磁齿轮结构形成差动装置取代传统的机械行星齿轮。但是传统结构的磁齿轮复合电机中，调磁环转子没有轭部支撑，因此作为高速旋转机构存在风险；且一侧转子往往采用较多极对数的永磁体，这就造成了绕组工作频率过高，从而损耗增大；如果采用较少极对数，则会造成严重的定位力矩问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是针对现有技术存在一个或多个的问题提出了一种磁齿轮功率分配器，以减小系统运行中的磨损和噪声，使系统的结构精简，运行可靠，转矩波动减小，且便于生产制造。
为解决上述技术问题，本发明提出一种磁齿轮功率分配器，其包括：定子(1)，其具有定子本体(11)、定子隔磁块(12)和定子端部(13)；内转子(2)，其具有内转子本体(21)、内转子隔磁块(22)和内转子轴(23)；外转子(3)，其具有外转子本体(31)、外转子隔磁块(32)和外转子轴(33)；其中，所述内转子(2)、所述外转子(3)同轴设置在所述定子(1)的内、外两侧形成双转子；所述定子(1)与所述内转子(2)之间有内层气隙(4)；所述定子(1)与所述外转子(3)之间有外层气隙(5)。
优选地，所述定转子具有沿轴向重复并列排列的三个单元，其中，所述三个单元的定子沿轴向叠压成一体，且所述三个单元的所述内转子彼此之间旋转120度电角度后再沿轴向叠压成一体，所述三个单元的所述外转子彼此之间旋转120度电角度后再沿轴向叠压成一体；所述三个单元之间用隔磁块隔开一定距离。
优选地，还包括多个定子齿(111)，所述定子齿(111)沿圆周均匀固定在定子端部(13)上，且所述定子齿(111)之间采用联桥(114)相联接；定子槽(112)，其分布在两所述定子齿之间，所述定子槽(112)中布置定子绕组(113)，在槽口处采用槽楔(115)以固定绕组(113)。
优选地，所述内转子(2)还具有轭部(211)，在所述内转子(2)的所述轭部(211)的外表面布置凸极(212)，其中，所述内转子的所述轭部(211)固定在内转子轴(23)上。
优选地，所述外转子(3)还具有轭部(311)，所述外转子(3)的所述轭部(311)内侧布置永磁磁极(312)，外转子轭部(311)固定在外转子轴(33)上。
优选地，所述外转子(3)的所述永磁磁极(312)的极对数Nor与所述定子绕组(113)极对数Nsw之和等于所述内转子(2)的所述凸极(312)的极数Nir，即：Nir＝Nor+Nsw。
优选地，还包括外壳(6)、且所述外壳(6)、所述内转子轴(23)和所述外转子轴(33)之间采用轴承(7)滑动联接，所述定子端部(13)固定在所述外壳(6)上。
本发明实施例还提出了一种串并联混合动力系统，其中，所述内转子轴与所述发动机曲轴联接用于机械能输入，所述外转子轴与所述驱动电机同轴输出至车轮减速机构，且所述电枢绕组由逆变器驱动。
本发明与现有技术相比，有如下显著优点：(1)采用磁齿轮双转子结构，系统运行时避免了动力耦合过程中的齿轮磨损和噪声；(2)内外转子都具有轭部支撑，运行可靠；(3)在转子极对数较少的情况下，定位力矩得到明显抑制，更适合高速运行情况；(4)绕组磁链波形高度对称，正弦度良好，运行平稳。
附图说明
图1A为本发明磁齿轮功率分配器的平面结构示意图；
图1B为本发明磁齿轮功率分配器的剖面结构示意图；
图2为本发明磁齿轮功率分配器的转子部分沿轴向立体结构示意图；
图3为本发明磁齿轮功率分配器的定子绕组展开示意图；
图4是本发明串并联混合动力系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1A为本发明磁齿轮功率分配器的平面结构示意图，图1B为本发明磁齿轮功率分配器的剖面结构示意图。沿图1B的A-A方向的右视平面图1A所示，本发明提供一种磁齿轮功率分配器，其包括：定子1，其具有定子本体11、定子隔磁块12和定子端部13；内转子2，其设置在所述定子1的内侧，且其具有内转子本体21、内转子隔磁块22和内转子轴23；外转子3，其设置在所述定子1的外侧，其具有外转子本体31、外转子隔磁块32和外转子轴33；优选的，磁齿轮功率分配器的内转子结构与外转子结构可以互换。优选地，内转子材料可以是永磁体转子、外转子材料可以是调磁环转子或是外转子材料可以是永磁体转子、内转子材料可以是调磁环转子。
其中，所述内转子2、所述外转子3同轴设置在所述定子1的内、外两侧形成定转子；所述定子1与所述内转子2之间可以有内层气隙4；所述定子1与所述外转子3之间可以有外层气隙5。
在具体的实行中，在定子13上还可以设置有多个定子齿111，所述定子齿111沿圆周均匀固定在定子端部13上，且所述定子齿111之间采用联桥114相联接；在两两所述定子齿之间设置有定子槽112，所述定子槽112中布置定子绕组113，在槽口处采用槽楔115以固定绕组113。优选地，在定子上没有轭部。
在具体的实行中，所述内转子2还可以具有轭部211，在所述内转子2的所述轭部211的外表面布置凸极212，其中，所述内转子的所述轭部211固定在内转子轴23上。
在具体的实行中，所述外转子3还可以具有轭部311，所述外转子3的所述轭部311内侧布置永磁磁极312，外转子轭部311固定在外转子轴33上。
在具体的实行中，磁齿轮功率分配器还可以包括外壳6、且所述外壳6、所述内转子轴23和所述外转子轴33之间采用轴承7滑动联接，所述定子端部13固定在所述外壳6上。优选的，外壳上的定子端部、内转子轴和外转子轴之间采用轴承滑动联接。
图2为本发明磁齿轮功率分配器的转子部分沿轴向立体结构示意图。如图2所示，磁齿轮功率分配器可以采用定转子具有沿轴向重复并列排列的三个单元形成，其中，所述三个单元的定子沿轴向与隔磁块叠压成一体，为提高叠压强度，优选地，采用铆接或者焊接工艺以固定；所述三个单元的所述内、外转子彼此之间旋转120度电角度后再沿轴向与转子隔磁块叠压成一体，为提高叠压强度，优选地，应当采用铆接或者焊接工艺以固定；所述三个单元之间定子采用定子隔磁块12隔开一定距离，内转子采用内隔磁块22隔开一定距离，外转子采用外隔磁块32隔开一定距离。
在具体的实行中，相邻的两组转子沿圆周相距120度电角度，具体地，内转子本体21相邻单元之间沿圆周错开17.14度机械角，其中，由于凸极个数为7，那么120度电角度对应机械角度为：120度/7＝17.14度，凸极齿在内转子外侧形成齿槽，齿根部比齿顶部宽以提高凸极齿强度，齿顶部的弧度为π/7，这种配置有利于转矩的传递；外转子永磁体极对数Nor＝5，外转子本体31相邻单元之间沿圆周错开24度机械角，其中，由于永磁体极对数为5，那么120度电角度对应机械角度为：120度/5＝24度。例如，永磁体采用铷铁硼材料，极弧系数取0.83，以减少漏磁。
优选地，所述外转子(3)的所述永磁磁极(312)的极对数Nor与所述定子绕组(113)极对数Nsw之和等于所述内转子(2)的所述凸极(312)的极数Nir，即：Nir＝Nor+Nsw。
本发明的优点在于，内转子的凸极起到了传统磁齿轮中调磁块的作用，对磁场进行了调制，之所以将调磁块设计成凸极转子，是因为在高速旋转中，传统的调磁块不能可靠固定，而设计成转子以后就可以依靠转子的轭部进行支撑。因此更加适合高速旋转的场合。
本发明的优点还在于，转子沿轴向分成三个并列单元，且相邻单元彼此错开120度电角度，其意义有两个：第一，根据轴向的对称性，三组对称转子可以相互抵消定位力矩，实现了在极对数较少的情况下减弱定位力矩，同时由于有效磁场没有削弱，因此不会减弱电机出力，这是与斜极斜槽技术完全不同的地方，这对于高速旋转的应用场合具有重大意义；第二，由于磁路的不对称性，即永磁体极对数与绕组磁场极对数不相等造成的磁路不对称，造成绕组磁链中含有大量谐波，而轴向旋转以后，无效的磁场会被削弱，有效磁场，即与绕组极对数相同的磁场会保留，从而优化了电机性能。
图3为本发明磁齿轮功率分配器的定子绕组展开示意图，如图3所示，是其定子绕组展开图，采用短距分布式单层绕组(节距τ＝5)，A、B、C为三相接线端，绕组采用星型接法(X、Y、Z连接到中性点N)。
定子槽数为24，绕组采用2对极(定子绕组极对数Nsw＝2)的分布式绕组，定子槽为开口槽；内转子凸极的极数Nir＝7，内转子相邻单元之间沿圆周错开17.14度机械角(由于凸极个数为7，那么120度电角度对应机械角度为：120度/7＝17.14度)，凸极齿在内转子外侧形成齿槽，齿根部比齿顶部宽以提高凸极齿强度，齿顶部的弧度为π/7，这种配置有利于转矩的传递；外转子永磁体极对数Nor＝5，外转子相邻单元之间沿圆周错开24度机械角(由于永磁体极对数为5，那么120度电角度对应机械角度为：120度/5＝24度)，永磁体采用铷铁硼材料，极弧系数取0.83，以减少漏磁。以上极槽数配合满足：Nir＝Nor+Nsw，根据“磁齿轮原理”，可以获得与行星齿轮速比类似的关系：外转子转速Ωor、内转子转速Ωir、电枢绕组同步磁场转速Ωsw与电枢绕组工作频率fw满足：
Nir×Ωir＝Nor×Ωor+Nsw×Ωsw (i)
fw＝|Nsw×Ωsw| (ii)
即：一旦极槽数配置确定，则外转子、内转子和电枢绕组同步磁场的转速必须满足(i)的规定，三者之间有稳定的转矩传递，这个过程与机械齿轮传递转矩的过程相似。
根据以上配置，有：Nor/Nsw＝2.5，这个配置很接近传统串并联混合动力功率分配器上常用的速比，因而可以比较方便地应用于混合动力系统。
图4是本发明串并联混合动力系统的结构示意图，如图4所示，对于典型的串并联混合动力系统，内转子轴与发动机曲轴联接用于机械能输入，外转子轴与驱动电机同轴输出至车轮减速机构，电枢绕组由逆变器驱动。本发明中的功率分配器与发动机和驱动电机共同组成了一套完整的串并联混合动力总成。
以串并联混合动力汽车经济运行模式为例：发动机可以运行在恒转速状态下，通过内转子将机械能输入至功率分配器中；电枢通过磁场将机械能的一部分转化为电能(或者将电能转化为机械能，叠加输出至外转子)存储在电池中或者由驱动电机输出至车轮；剩余部分机械能(或者叠加以后的机械能)由外转子输出。
功率分配器中能量转化的方向由内转子、外转子和电枢同步磁场三者的转速关系决定，而电枢电流的幅值和相位则可以用来控制功率流的大小。其中，内转子的功率流是单向的，必须由发动机将机械能输入；而电枢绕组的功率流可以是双向的，这由负荷需求决定；外转子的功率流是双向的，可以对车辆输出机械能以实现驱动，也可以将车辆动能向功率分配器输入以实现能量回收。
作为本发明的又一实施例，与上述实施方式不同的是，磁齿轮功率分配器可以采用定转子具有沿轴向重复并列排列的六个重复单元形成，其中，所述六个单元的定子沿轴向叠压成一体，且所述六个单元的所述内、外转子彼此之间旋转60度电角度后再沿轴向叠压成一体；所述六个单元之间内转子采用内隔磁块隔开一定距离，外转子采用外隔磁块隔开一定距离。
采用该结构的磁齿轮功率分配器，具有以下优点：采用磁齿轮双转子结构，系统运行时避免了动力耦合过程中的齿轮磨损和噪声；内外转子都具有轭部支撑，运行可靠；在转子极对数较少的情况下，定位力矩得到明显抑制，更适合高速运行情况；绕组磁链波形高度对称，正弦度良好，运行平稳。
作为本发明的另一实施例，与上述各实施方式不同的是，所述内转子(2)、所述外转子(3)不限定于同轴设置在所述定子(1)的内、外两侧，所述内转子(2)、所述外转子(3)可以设置在所述定子的同一侧，当定子置于最外侧或者最内侧的时候，定子可以包含定子轭部，这种情况下，由轭部支撑定子齿槽，所以定子端部可以通过固定定子轭部来实现固定定子的目的，使得制造更加方便。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (7)
1.一种磁齿轮功率分配器，其包括：
定子(1)，其具有定子本体(11)、定子隔磁块(12)和定子端部(13)；
内转子(2)，其具有内转子本体(21)、内转子隔磁块(22)和内转子轴(23)；
外转子(3)，其具有外转子本体(31)、外转子隔磁块(32)和外转子轴(33)；
其中，所述内转子(2)、所述外转子(3)同轴设置形成双转子；
所述定子(1)与所述内转子(2)之间有内层气隙(4)；
所述定子(1)与所述外转子(3)之间有外层气隙(5)；
所述定转子具有沿轴向重复并列排列的三个单元，其中，所述三个单元的定子沿轴向叠压成一体，且所述三个单元的所述内转子彼此之间旋转120度电角度后再沿轴向叠压成一体，所述三个单元的所述外转子彼此之间旋转120度电角度后再沿轴向叠压成一体；所述三个单元之间用隔磁块隔开一定距离。
2.根据权利要求1所述的磁齿轮功率分配器，其特征在于：还包括多个定子齿(111)，所述定子齿(111)沿圆周均匀固定在定子端部(13)上，且所述定子齿(111)之间采用联桥(114)相联接；定子槽(112)，其分布在两所述定子齿之间，所述定子槽(112)中布置定子绕组(113)，在槽口处采用槽楔(115)以固定定子绕组(113)。
3.根据权利要求2所述的磁齿轮功率分配器，其特征在于：所述内转子(2)还具有轭部(211)，在所述内转子(2)的所述轭部(211)的外表面布置凸极(212)，其中，所述内转子的所述轭部(211)固定在内转子轴(23)上。
4.根据权利要求3所述的磁齿轮功率分配器，其特征在于：所述外转子(3)还具有轭部(311)，所述外转子(3)的所述轭部(311)内侧布置永磁磁极(312)，外转子轭部(311)固定在外转子轴(33)上。
5.根据权利要求4所述的磁齿轮功率分配器，其特征在于：所述外转子(3)的所述永磁磁极(312)的极对数Nor与所述定子绕组(113)极对数Nsw之和等于所述内转子(2)的所述凸极(312)的极数Nir，即：Nir＝Nor+Nsw。
6.根据权利要求4所述的磁齿轮功率分配器，其特征在于：还包括外壳(6)，所述定子端部(13)固定在所述外壳(6)上，且所述外壳(6)上的定子端部(13)、所述内转子轴(23)和所述外转子轴(33)之间采用轴承(7)滑动联接。
7.一种串并联混合动力系统，其包括：如权利要求2-6任一项所述的功率分配器，以及发动机和驱动电机，其中，所述内转子轴与所述发动机曲轴联接用于机械能输入，所述外转子轴与所述驱动电机同轴输出至车轮减速机构，且所述绕组由逆变器驱动。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |