CN104393726A - 轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器 - Google Patents

Abstract

轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，属于汽车电机领域，本发明为解决现有串联式、并联式和混联式驱动装置中发动机和系统其他部件不能简单高效配合，从而使系统体积笨重、结构复杂、性能受限，不能有效将动力输出的问题。本发明将壳体分两部分，分别设置轴向双转子电机和轴径向转矩调节电机，轴向双转子电机中带有q个突起单元的调磁转子由原动机驱动，其定子形成2p极磁场，由其2n极数永磁转子的输出轴输出所需转速，且p＝|hn+kq|，其输出转速不依赖输入转速，实现无级变速；轴径向转矩调节电机根据实际负载需要，输入驱动转矩或者制动转矩，满足负载的实际转矩需求，使得永磁转子输出轴输入和输出的能量相平衡。

Description

轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器

技术领域

本发明涉及一种复合结构电机，属于电机领域。

背景技术

传统内燃机汽车的燃油消耗和尾气排放污染是举世关注的热点问题。使用电动汽车可实现低能耗、低排放，但由于作为电动汽车的关键部件之一的电池其能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡，在这种情况下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车发展迅速，成为新型汽车开发的热点。

现有串联式驱动装置的特点是：可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区稳定运行，并可选用功率较小的发动机，但需要功率足够大的发电机和电动机，发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的效率较低，使得燃油能量的利用率比较低；并联式驱动装置能量利用率相对较高，但发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于变化频繁的行驶工况，相比于串联式结构，需要较为复杂的变速装置和动力复合装置以及传动机构；混联式驱动装置融合了串联式和并联式的优点，由于整个驱动系统的能量流动更加灵活，因此发动机、发电机、电动机等部件能够进一步得到优化，从而使整个系统效率更高。但是仍然需要较为复杂的变速装置和动力复合装置以及传动机构。

在上述驱动装置中，存在发动机和系统其他部件不能协调配合的问题，使整个系统存在体积笨重、结构复杂、耗能大、尾气排放量大的问题，而不能有效的将动力输出。

发明内容

本发明目的是为了解决现有串联式、并联式和混联式驱动装置中发动机和系统其他部件不能简单高效配合，从而使整个系统存在体积笨重、结构复杂、成本偏高、性能受限，而不能有效地将动力输出的问题，提供了一种轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器。

本发明轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的第一种结构：

本发明所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的壳体通过分隔件被分成左右两部分，轴向双转子电机和轴径向转矩调节电机分别设置在壳体的左右两部分内，所述轴向双转子电机包括两个第一定子、第一永磁转子、调磁转子、调磁转子输出轴和永磁转子输出轴，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子和第二永磁转子，永磁转子输出轴同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，

轴径向转矩调节电机的第二定子固定在壳体右部分的内圆表面，第二永磁转子固定在永磁转子输出轴上，第二定子与第二永磁转子之间存在径向气隙L3和两个轴向气隙L4；

轴向双转子电机的两个第一定子各有一个外圆环端面分别固定在壳体左端盖内壁上和分隔件左侧壁上，调磁转子固定在调磁转子输出轴上，调磁转子输出轴的一端通过第二轴承和第四轴承与第一永磁转子转动连接，调磁转子输出轴的另一端从壳体左端盖伸出，并通过第一轴承与壳体的左端盖转动连接；

第一永磁转子位于两个第一定子之间、调磁转子的外部，永磁转子输出轴的一端固定在第一永磁转子上，永磁转子输出轴的另一端依次从分隔件及壳体的右端盖伸出，并通过第三轴承与分隔件转动连接，通过第五轴承与壳体的右端盖转动连接；第一永磁转子和两个第一定子的圆环端面之间存在均轴向气隙L1；第一永磁转子与内部的调磁转子之间存在两个轴向气隙L2，调磁转子输出轴和永磁转子输出轴的轴线重合；

第一定子由第一定子铁心和m相第一定子绕组构成，第一定子绕组通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

第一永磁转子为对称结构，两侧均为极对数为n的转子，n为正整数；

调磁转子由调磁转子铁心和2q个突起单元构成，调磁转子铁心为圆盘形，该圆盘的两侧端面均设置q个突起单元，该q个突起单元沿圆周方向均匀排布，q为正整数；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

本发明轴向轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的第二种结构：

本发明所述轴向轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的壳体通过分隔件被分成左右两部分，轴径向转矩调节电机和轴向双转子电机分别设置在壳体的左右两部分内，所述轴向双转子电机包括第一定子、第一永磁转子、调磁转子、调磁转子输出轴和永磁转子输出轴，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子和第二永磁转子，永磁转子输出轴同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，

轴径向转矩调节电机的第二定子固定在壳体右部分的内圆表面，第二永磁转子固定在永磁转子输出轴上，第二定子与第二永磁转子之间存在径向气隙L3和两个轴向气隙L4；

轴向双转子电机的第一定子的外圆环端面固定在分隔件右侧壁上，调磁转子固定在调磁转子输出轴上，调磁转子输出轴的力矩输出端从壳体的右端盖伸出，并通过第三轴承与壳体的右端盖转动连接；

第一永磁转子位于第一定子与调磁转子之间，第一永磁转子固定在永磁转子输出轴上，永磁转子输出轴的一端通过第二轴承与调磁转子转动连接，永磁转子输出轴的另一端依次从分隔件和壳体的左端盖伸出，并通过第一轴承与分隔件转动连接，通过第四轴承与壳体的左端盖转动连接；第一永磁转子和第一定子之间存在轴向气隙L1；第一永磁转子与调磁转子之间存在轴向气隙L2，调磁转子输出轴和永磁转子输出轴的轴线重合；

第一定子由第一定子铁心和m相第一定子绕组构成，第一定子绕组通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

第一永磁转子为极对数为n的转子，n为正整数；

调磁转子由调磁转子铁心和q个突起单元构成，调磁转子铁心为圆盘形，q个突起单元设置在调磁转子铁心面向第一永磁转子的端面上，该q个突起单元沿圆周方向均匀排布，q为正整数；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

本发明的优点：本发明所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器为复合结构的电机，具有两个转轴，这两个转轴的转速彼此独立且转速可调，两个转轴输出的转矩彼此独立且转矩可调，这样可以使一个转轴实现高速小转矩运行，另一个转轴实现低速大转矩运行。

本发明在与内燃机结合使用时，能使内燃机不依赖于路况，始终运行在最高效率区，从而降低了燃油消耗和尾气排放，实现节能降耗；它同时也能取代汽车中变速箱，离合器和飞轮等部件，使汽车结构简化，成本降低。它能通过电子器件实现汽车的速度驾驶控制、宽范围平稳调速；同时还具有不需要复杂的冷却装置、结构简单、体积小、成本低廉的优点。它还可应用在不同转速的两个机械转轴同时工作的工业装置中。

本发明属于无刷结构，克服了有刷复合结构电机因采用电刷滑环馈电结构而导致的运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。

附图说明

图1是实施方式二所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的C-C剖视图；

图5是图1的D-D剖视图；

图6是图1的E-E剖视图；

图7是实施方式三所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；

图8是图7的G-G剖视图；

图9是实施方式五所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；

图10是图9的I-I剖视图；

图11是图9的J-J剖视图；

图12是图9的K-K剖视图；

图13是实施方式六所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；

图14是图13的P-P剖视图；

图15是中国专利CN101924436A所述轴向磁场调制型无刷双转子电机的磁路示意图；

图16是实施方式二的轴向双转子电机的磁路示意图；

图17是中国专利CN101924436A所述轴向磁场调制型无刷双转子电机的外气隙磁场波形示意图；

图18是中国专利CN101924436A所述轴向磁场调制型无刷双转子电机的内气隙磁场波形示意图；

图19是实施方式二的轴向双转子电机的外气隙磁场波形示意图；

图20是实施方式二的轴向双转子电机的内气隙磁场波形示意图；

图21是中国专利CN101924436A和实施方式二的轴向双转子电机的反电势波形对比示意图；图中实线波形为实施方式二的轴向双转子电机的反电势波形，虚线波形为中国专利CN101924436A的反电势波形。

图22是中国专利CN101924436A和实施方式二的轴向双转子电机的调磁转子的电磁转矩波形对比示意图；图中实线波形为实施方式二的轴向双转子电机的调磁转子的电磁转矩波形，虚线波形为中国专利CN101924436A的调磁转子的电磁转矩波形。

图23是中国专利CN101924436A和实施方式二的轴向双转子电机的永磁转子的电磁转矩波形对比示意图，图中实线波形为实施方式二的轴向双转子电机的永磁转子的电磁转矩波形，虚线波形为中国专利CN101924436A的永磁转子的电磁转矩波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，壳体4通过分隔件被分成左右两部分，轴向双转子电机和轴径向转矩调节电机分别设置在壳体4的左右两部分内，所述轴向双转子电机包括两个第一定子5、第一永磁转子6、调磁转子7、调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子11和第二永磁转子12，永磁转子输出轴9同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，

轴径向转矩调节电机的第二定子11固定在壳体4右部分的内圆表面，第二永磁转子12固定在永磁转子输出轴9上，第二定子11与第二永磁转子12之间存在径向气隙L3和两个轴向气隙L4；

轴向双转子电机的两个第一定子5各有一个外圆环端面分别固定在壳体4左端盖内壁上和分隔件左侧壁上，调磁转子7固定在调磁转子输出轴1上，调磁转子输出轴1的一端通过第二轴承3和第四轴承10与第一永磁转子6转动连接，调磁转子输出轴1的另一端从壳体4左端盖伸出，并通过第一轴承2与壳体4的左端盖转动连接；

第一永磁转子6位于两个第一定子5之间、调磁转子7的外部，永磁转子输出轴9的一端固定在第一永磁转子6上，永磁转子输出轴9的另一端依次从分隔件及壳体4的右端盖伸出，并通过第三轴承8与分隔件转动连接，通过第五轴承13与壳体4的右端盖转动连接；第一永磁转子6和两个第一定子5的圆环端面之间存在均轴向气隙L1；第一永磁转子6与内部的调磁转子7之间存在两个轴向气隙L2，调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9的轴线重合；

第一定子5由第一定子铁心5-2和m相第一定子绕组5-1构成，第一定子绕组5-1通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

第一永磁转子6为对称结构，两侧均为极对数为n的转子，n为正整数；

调磁转子7由调磁转子铁心7-2和2q个突起单元7-1构成，调磁转子铁心7-2为圆盘形，该圆盘的两侧端面均设置q个突起单元7-1，该q个突起单元7-1沿圆周方向均匀排布，q为正整数；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

第一定子铁心5-2为圆环形，第一定子铁心5-2的外圆环端面固定在壳体4的端盖内壁上，第一定子铁心5-2的内圆环端面上沿径向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线以永磁转子输出轴9为中心呈放射线状均匀分布，第一定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕组，m为正整数。

本实施方式中的轴向双转子电机为双边对称结构，左右两侧都设置一个n对极转子与一个第一定子5相对。本实施方式所述的轴向双转子电机是轴向对称式结构，它可以避免轴向产生不对称的磁场拉力。

具体实施方式二：下面结合图1至图6、图15至图23说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一永磁转子6包括转子支架6-3、2n个第一永磁体单元6-1和2n个第二永磁单元6-2，转子支架6-3面向两个第一定子5的两个端面上均设置n个第一永磁体单元6-1和n个第二永磁单元6-2，n个第一永磁体单元6-1和n个第二永磁单元6-2沿圆周方向交错设置，n个第一永磁体单元6-1的充磁方向相同，n个第二永磁单元6-2的充磁方向相同，第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2充磁方向相反；第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2的充磁方向为轴向充磁。

轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器从可实现的功能上分为两部分：一部分是轴向双转子电机；另一部分是轴径向转矩调节电机。轴向双转子电机主要实现的功能是使永磁转子输出轴9的转速不依赖于调磁转子输出轴1的转速，并且使永磁转子输出轴9能够实现无级变速，同时永磁转子输出轴9根据调磁转子输出轴1的输入的转矩按照一定的比例输出相对应的转矩。轴径向转矩调节电机的作用是根据实际负载的需要，输入驱动转矩或者制动转矩，使永磁转子输出轴9最终输出到负载的转矩不依赖于调磁转子输出轴1所输入的转矩，实现了转矩的灵活调节。

下面先详细分析一下轴向双转子电机的工作原理：

本实施方式轴向双转子电机结构中存在两个气隙L1，这两个气隙中磁场作用机理是相同的；本实施方式轴向双转子电机结构中存在两个气隙L2，这两个气隙中磁场作用机理也是相同的。该实施方式为左右对称结构，下面以左侧的定子、第一永磁转子的左侧端面和调磁转子的左侧面为例说明该实施方式的工作原理，右侧作用机理与左侧相同。

首先原动机通过调磁转子输出轴1以驱动转矩T驱动调磁转子7逆时针旋转，其旋转速度为Ω_m，从第一定子5向调磁转子7方向看，下面说明中的视图方向相同；

为了使调磁转子7所受力矩平衡，此时将第一定子5的第一定子绕组5-1中通入m相对称交流电流，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生2p极数的定子旋转磁场，所述定子旋转磁场的旋转速度为Ω_s；

所述定子旋转磁场通过调磁转子7的磁场调制作用，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生与第一永磁转子6相同极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的永磁转矩T_PM作用在第一永磁转子6上，且永磁转矩T_PM的方向为逆时针方向；同时永磁转子输出轴9以永磁转矩T_PM驱动负载；

又根据作用力与反作用力的原理可知，存在与永磁转矩T_PM大小相等且方向相反的力矩T'_PM同时作用在调磁转子7上，T'_PM的方向为顺时针方向；

同时，以速度Ω_PM旋转的第一永磁转子6产生的永磁转子旋转磁场通过调磁转子7的磁场调制作用，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转磁场相互作用，可产生定子转矩T_s，并作用在第一定子5上，且定子转矩T_s方向为逆时针方向；

根据作用力与反作用力的原理可知，存在与定子转矩T_s大小相等且方向相反的力矩T'_s同时作用在调磁转子7上，且方向为顺时针方向；

因此，调磁转子7的转矩T_m满足条件：T_m＝T'_s+T'_PM＝-(T_s+T_PM)，且方向为顺时针方向；由上述分析可知，作用在调磁转子7上的转矩T_m与驱动转矩T的方向是相反的；当二者大小相等时，调磁转子7处于稳定状态。

由此可以看出，调磁转子7的转矩T_m是永磁转矩T_PM与定子转矩T_s的合成转矩。因此，调磁转子7的转矩T_m将大于第一永磁转子6的输出转矩T_PM，并且二者具有一定的变比。

本发明的双转子结构电机是根据磁场调制原理工作的，由磁场调制原理可推导出，第一定子5旋转磁场的旋转速度Ω_s、调磁转子7的旋转速度Ω_m和第一永磁转子6的旋转速度Ω_PM满足关系式(1)：

${\mathrm{\Ω}}_s=\frac{\mathrm{hn}}{\mathrm{hn}+\mathrm{kq}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{PM}}+\frac{\mathrm{kq}}{\mathrm{hn}+\mathrm{kq}}{\mathrm{\Ω}}_m---\left(1\right)$

第一定子5旋转磁场的旋转速度Ω_s是由通入第一定子绕组5-1的电流频率f决定的，因此，可以通过调节通入第一定子绕组5-1的电流频率f来调节双转子电机转速，下面具体分析几种特殊情况及其产生的原理：

1、在第一永磁转子6静止不动的情况下，即Ω_PM＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：

${\mathrm{\Ω}}_s=\frac{\mathrm{kq}}{\mathrm{hn}+\mathrm{kq}}{\mathrm{\Ω}}_m---\left(2\right)$

其产生的原理为：

在第一永磁转子6静止不动的情况下，此时第一定子绕组5-1通m相对称交流电流产生定子旋转磁场以旋转速度Ω_s旋转，而调磁转子7在原动机的驱动下以旋转速度Ω_m旋转，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及第一定子旋转磁场的极对数p、第一永磁转子6的旋转磁场极对数n和调磁转子7中铁心突起单元数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：当第一永磁转子6静止不动时，则第一定子旋转磁场的旋转速度Ω_s和调磁转子7的旋转速度Ω_m满足关系式(2)，由此可知第一定子旋转磁场的旋转速度Ω_s与调磁转子7的旋转速度Ω_m具有一定的变比关系，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化。

2、通入第一定子绕组5-1的电流的频率f＝0，即第一定子绕组5-1通入直流电流时，产生的定子磁场为恒定磁场，不旋转，Ω_s＝0，代入公式(1)，则存在以下关系式成立：

${\mathrm{\Ω}}_m=\frac{-\mathrm{hn}}{\mathrm{kq}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{PM}}---\left(3\right)$

其产生的原理为：

当第一定子绕组5-1通入直流电流时，产生恒定磁场，同时调磁转子7在原动机的驱动下以旋转速度为Ω_m的转子旋转磁场，而此时并不对第一永磁转子6进行固定，这种工作模式可以等效看成磁性齿轮的另一种工作模式。根据磁性齿轮的工作原理，及第一定子旋转磁场的极对数p、第一永磁转子6的旋转磁场极对数n和调磁转子7中铁心突起单元数q满足的关系式：p＝|hn+kq|，可知：第一永磁转子6将会以一定的速度进行旋转，第一永磁转子6旋转速度Ω_PM和调磁转子7的旋转速度Ω_m将满足关系式(3)，由此可知第一永磁转子6的旋转速度Ω_PM与调磁转子7的旋转速度Ω_m具有一定的变比，调节二者中任何一方的转速都会使另一方的转速发生变化；

下面进行说明公式(1)的产生原理，若此时使第一定子5产生的恒定磁场“旋转起来”，即当第一定子绕组5-1通入对称交流电流产生定子旋转磁场时，根据磁场调制原理可推导出，第一定子旋转磁场的旋转速度Ω_s与第一永磁转子6的旋转速度Ω_PM和调磁转子7的旋转速度Ω_m满足关系式(1)。因此，当内层调磁转子7的速度Ω_m不变的情况下，调节第一定子旋转磁场的旋转速度Ω_s，可以实现第一永磁转子6的旋转转速Ω_PM的调节。由此可以看出，第一永磁转子6的旋转速度Ω_PM是由调磁转子7的旋转速度Ω_m和第一定子旋转磁场的旋转速度Ω_s共同决定的。

综上，本发明所述的轴向双转子电机根据公式(1)调节通入第一定子绕组5-1的电流的频率f来调节转速。

通过上述分析可知，轴向双转子电机的两个转子可实现变速功能，做为轴向磁场电磁行星齿轮变速器。此外，式(1)可表示成

$\frac{{\mathrm{\Ω}}_s-{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{PM}}}{{\mathrm{\Ω}}_s-{\mathrm{\Ω}}_m}=-\frac{\mathrm{hn}}{\mathrm{kq}}---\left(4\right)$

而在传统的机械行星齿轮中有如下关系，

$\frac{{\mathrm{\Ω}}_c-{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{SG}}}{{\mathrm{\Ω}}_c-{\mathrm{\Ω}}_r}=-\frac{R}{S}---\left(5\right)$

式(5)中，Ω_SG、Ω_c和Ω_r分别是机械行星齿轮中太阳轮转速、行星架转速和齿圈转速；R和S分别是齿圈齿数和太阳轮齿数。通过式(4)和式(5)对比可知，轴向双转子电机可实现机械行星齿轮的调速功能(只需通过设定h、k、n、q参数即可实现)，而且轴向双转子电机是通过电磁能量转换方式实现的行星齿轮调速功能，它不存在机械行星齿轮中因齿轮接触导致的磨损、定期维护、机械故障等问题。

中国专利CN101924436A所述轴向磁场调制型无刷双转子电机与本实施方式的电机采用的工作原理有一定的相似性，但两个方案在机械结构、磁路结构、电机性能方面是不同的，表现如下：

1.在机械结构上，CN101924436A方案的调制环转子位于定子和永磁转子之间，而且调制环转子是由导磁块和非导磁块间隔构成，相邻两个导磁块之间不允许通过导磁材料做成一体使其连通，这样才能实现磁场调制功能，进而保证电机的电磁性能。因此，现有方案面临的重要问题是如何兼顾电机电磁性能同时又保证调制环转子因间隔设置导磁块和非导磁块带来的机械强度问题。

本申请方案，调磁转子位于最里层，多个导磁功能的突起单元7-1同样实现了磁场调制功能，而且磁路上这些突起单元7-1需要用导磁材料使其连接才能更有利于电机主磁路磁通闭合(见图16中主磁路路径)，从而保证电机电磁性能。因此，从结构上，只需要采用同样的导磁材料做成具有多个突起单元7-1的一体化调磁转子，即可实现调磁转子7的调磁功能。而且更重要的是，这样的结构使调磁转子7的机械强度显著增强，从而解决了现有方案中的电机性能和机械强度不能兼顾的问题。

根据本实施方式之前的原理描述可知，调磁转子7的转矩T_m将大于第一永磁转子6的输出转矩T_PM；CN101924436A中也记载了“调制环转子6的输出转矩T₃将大于永磁转子7的输出转矩T₁”这一技术特征，即二者均要求调磁的转矩大于永磁的转矩，这就要求调磁转子的强度要大于永磁转子的强度，电机的结构才合理，效率才会更高，本实施方式的电机结构恰恰符合这一特征，因此本实施方式的电机结构更合理，效率更高。

2.在磁路结构上，CN101924436A的永磁体漏磁路只经过了一层气隙(内层气隙L2)即可闭合(参见图15)，相比之下，本实施方式的永磁体漏磁路需要经过两层气隙(内层气隙L2和外层气隙L1)才能闭合(参见图16)，因此，本实施方式的电机比CN101924436A漏磁少。以同样极对数关系的CN101924436A和本实施方式为例(CN101924436A：定子极对数为4，永磁体极对数为17，导磁块数为21；本实施方式：定子极对数为4，永磁体极对数为17，导磁突起单元7-1数为21)，两个方案中的内外层气隙L2中的磁场波形分别如图17-图20，对比这4张图，可以看出由于两个方案中的漏磁路径不同，使得本实施方式中外层气隙的磁场波形明显不同于CN101924436A中外层气隙的磁场波形，而且本实施方式中外层气隙的磁场幅值也明显大于CN101924436A中外层气隙的磁场幅值。因此，基于本实施方式在磁路方面的优势，本实施方式比CN101924436A有更优越的电磁性能。仍以上述的两个具体模型为例，对CN101924436A和本实施方式的关键技术指标(反电势、电磁力矩)进行了仿真分析，仿真结果如图21-图23。从仿真结果可以看出，本实施方式的反电势幅值明显大于CN101924436A的反电势幅值；本实施方式中调磁转子的平均电磁转矩明显大于CN101924436A中调制环转子的平均电磁转矩；本实施方式中永磁转子的平均电磁转矩明显大于CN101924436A中调制环转子的平均电磁转矩。因此，相比CN101924436A，本实施方式可以获得更高的转矩密度和功率密度。

下面详细分析一下轴径向转矩调节电机的工作原理：

因为第二永磁转子12固定在永磁转子输出轴9上，所以第二永磁转子12以永磁转子输出轴9的转速旋转。第二定子绕组11-2通入多相交流电流时，在空间产生与第二永磁转子12磁场极数相同的旋转磁场，通过磁场的相互作用产生转矩并作用到第二永磁转子12上，同时传递到永磁转子输出轴9上。

当轴向双转子电机输入到永磁转子输出轴9上的转矩大于负载需要的转矩时，通过控制输入第二定子绕组11-2的电流，使轴径向转矩调节电机工作在发电制动状态，此时轴径向转矩调节电机产生制动转矩作用在永磁转子输出轴9上，因此，保证了永磁转子输出轴9输入和输出的转矩相平衡。这时，轴向双转子电机输入到永磁转子输出轴9上的能量一部分用来驱动负载，另一部分用来驱动轴径向转矩调节电机使其发电，从而使永磁转子输出轴9输入和输出的能量相平衡。

当轴向双转子电机输入到永磁转子输出轴9上的转矩小于负载需要的转矩时，通过控制输入第二定子绕组11-2的电流，使轴径向转矩调节电机工作在电动驱动状态，此时轴径向转矩调节电机产生驱动转矩作用在永磁转子输出轴9上，因此，保证了永磁转子输出轴9输入和输出的转矩相平衡。这时，驱动负载的能量一部分来源于轴向双转子电机输入到永磁转子输出轴9上的能量，另一部分来源于轴径向转矩调节电机输入的能量，从而使永磁转子输出轴9输入和输出的能量相平衡。

当轴向双转子电机输入到永磁转子输出轴9上的转矩与负载需要的转矩相等时，此时轴径向转矩调节电机不工作。这时，驱动负载的能量全部来源于轴向双转子电机输入到永磁转子输出轴9上的能量，从而使永磁转子输出轴9输入和输出的能量相平衡。

通过上述分析可知，在发动机和车轮负载分别工作在不同的转速转矩状态下，轴向双转子电机实现的是发动机和车轮负载之间的调速功能；轴径向转矩调节电机实现的是发动机和车轮负载之间的调矩功能。从能量分配角度看，发动机传递到轴向双转子电机一个转子的机械能，一部分机械能通过另一个转子传递给车轮负载，另一部分机械能通过定子转换成电能传递出去，同时这部分电能又经过轴径向转矩调节电机转换成机械能传递给车轮负载。本实施方式这种电机结构可以作为电磁行星齿轮功率分配器。

具体实施方式三：下面结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一永磁转子6包括转子支架6-3、2n个第一永磁体单元6-1和2n个第一永磁转子铁心6-4，转子支架6-3面向两个第一定子5的两个端面上均设置n个第一永磁体单元6-1和n个第一永磁转子铁心6-4，n个第一永磁体单元6-1和n个第一永磁转子铁心6-4沿圆周方向交错设置，n个第一永磁体单元6-1的充磁方向相同。

本实施方式的轴向双转子电机在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。

具体实施方式四：下面结合图9至图14说明本实施方式，本实施方式所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，壳体4通过分隔件被分成左右两部分，轴径向转矩调节电机和轴向双转子电机分别设置在壳体4的左右两部分内，所述轴向双转子电机包括第一定子5、第一永磁转子6、调磁转子7、调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子11和第二永磁转子12，永磁转子输出轴9同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，

轴径向转矩调节电机的第二定子11固定在壳体4右部分的内圆表面，第二永磁转子12固定在永磁转子输出轴9上，第二定子11与第二永磁转子12之间存在径向气隙L3和两个轴向气隙L4；

轴向双转子电机的第一定子5的外圆环端面固定在分隔件右侧壁上，调磁转子7固定在调磁转子输出轴1上，调磁转子输出轴1的力矩输出端从壳体4的右端盖伸出，并通过第三轴承8与壳体4的右端盖转动连接；

第一永磁转子6位于第一定子5与调磁转子7之间，第一永磁转子6固定在永磁转子输出轴9上，永磁转子输出轴9的一端通过第二轴承3与调磁转子7转动连接，永磁转子输出轴9的另一端依次从分隔件和壳体4的左端盖伸出，并通过第一轴承2与分隔件转动连接，通过第四轴承10与壳体4的左端盖转动连接；第一永磁转子6和第一定子5之间存在轴向气隙L1；第一永磁转子6与调磁转子7之间存在轴向气隙L2，调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9的轴线重合；

第一定子5由第一定子铁心5-2和m相第一定子绕组5-1构成，第一定子绕组5-1通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

第一永磁转子6为极对数为n的转子，n为正整数；

调磁转子7由调磁转子铁心7-2和q个突起单元7-1构成，调磁转子铁心7-2为圆盘形，q个突起单元7-1设置在调磁转子铁心7-2面向第一永磁转子6的端面上，该q个突起单元7-1沿圆周方向均匀排布，q为正整数；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

本实施方式所给出的复合电机中，轴向双转子电机为单边结构，其原理与实施方式一至三所述的双边对称结构相同。

具体实施方式五：下面结合图9至图12说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，第一永磁转子6包括转子支架6-3、n个第一永磁体单元6-1和n个第二永磁单元6-2，转子支架6-3为圆环形，其端面上沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2，n个第一永磁体单元6-1的充磁方向相同，n个第二永磁单元6-2的充磁方向相同，第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2充磁方向相反；第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2的充磁方向为轴向充磁。

具体实施方式六：下面结合图13和图14说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，第一永磁转子6包括转子支架6-3、n个第一永磁体单元6-1和n个第一永磁转子铁心6-4，转子支架6-3为圆环形，其端面沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元6-1和第一永磁转子铁心6-4，n个第一永磁体单元6-1的充磁方向相同；第一永磁体单元6-1的充磁方向为轴向充磁。

本实施方式的轴向双转子电机在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，调磁转子铁心7-2和2q个突起单元7-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式七作进一步说明，调磁转子铁心7-2和2q个突起单元7-1为一体件。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式一作进一步说明，调磁转子铁心7-2和q个突起单元7-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。

具体实施方式十：本实施方式对实施方式九作进一步说明，调磁转子铁心7-2和q个突起单元7-1为一体件。

具体实施方式十一：本实施方式对实施方式一至九任一实施方式作进一步说明，第一定子铁心5-2为圆环形，第一定子铁心5-2的外圆环端面固定在分隔件右侧壁上，第一定子铁心5-2的内圆环端面上沿径向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线以永磁转子输出轴9为中心呈放射线状均匀分布，第一定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕组，m为正整数。

具体实施方式十二：本实施方式对实施方式一至九任一实施方式作进一步说明，第二定子11由第二定子铁心11-1和m′相第二定子绕组11-2构成，第二定子铁心11-1为圆环形，第二定子铁心11-1的外环表面固定在壳体4左部分的内侧壁上，第二定子铁心11-1的外侧壁开有多个环形凹槽，所述多个环形凹槽以永磁转子输出轴9为中心均匀分布，第二定子绕组11-2分别嵌入所述环形凹槽内形成m′相绕组，m′为正整数；

第二永磁转子由第二永磁转子铁心12-2和多组永磁体单元构成，第二永磁转子铁心12-2为厚圆盘形，固定在永磁转子输出轴9上，第二永磁转子铁心12-2的外圆周侧壁上开有圆环形凹槽，凹槽的径向截面为方形，在所述凹槽内侧面上设置有多组第二永磁体单元，每组永磁体单元由底面永磁体12-1和两块侧面永磁体12-3构成，多组第二永磁体单元以永磁转子输出轴9为中心沿圆周方向均匀分布，永磁体单元设置在第二永磁转子铁心12-2表面上或嵌入第二永磁转子铁心12-2表面内，每组永磁体单元形成指向凹槽开口或者背离凹槽开口的磁场，相邻两组永磁体单元的充磁方向相反，

底面永磁体12-1沿径向充磁或沿径向平行充磁，侧面永磁体12-3轴向充磁,同组永磁体单元中的两块侧面永磁体12-3的充磁方向相反。

以上实施方式中，轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的轴向双转子电机与轴径向转矩调节电机的左右设置方式也可以互换，此时调磁转子输出轴1作为轴径向转矩调节电机的转子轴。

Claims (10)

1.轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，壳体(4)通过分隔件被分成左右两部分，轴向双转子电机和轴径向转矩调节电机分别设置在壳体(4)的左右两部分内，所述轴向双转子电机包括两个第一定子(5)、第一永磁转子(6)、调磁转子(7)、调磁转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子(11)和第二永磁转子(12)，永磁转子输出轴(9)同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，

轴径向转矩调节电机的第二定子(11)固定在壳体(4)右部分的内圆表面，第二永磁转子(12)固定在永磁转子输出轴(9)上，第二定子(11)与第二永磁转子(12)之间存在径向气隙L3和两个轴向气隙L4；

轴向双转子电机的两个第一定子(5)各有一个外圆环端面分别固定在壳体(4)左端盖内壁上和分隔件左侧壁上，调磁转子(7)固定在调磁转子输出轴(1)上，调磁转子输出轴(1)的一端通过第二轴承(3)和第四轴承(10)与第一永磁转子(6)转动连接，调磁转子输出轴(1)的另一端从壳体(4)左端盖伸出，并通过第一轴承(2)与壳体(4)的左端盖转动连接；

第一永磁转子(6)位于两个第一定子(5)之间、调磁转子(7)的外部，永磁转子输出轴(9)的一端固定在第一永磁转子(6)上，永磁转子输出轴(9)的另一端依次从分隔件及壳体(4)的右端盖伸出，并通过第三轴承(8)与分隔件转动连接，通过第五轴承(13)与壳体(4)的右端盖转动连接；第一永磁转子(6)和两个第一定子(5)的圆环端面之间存在均轴向气隙L1；第一永磁转子(6)与内部的调磁转子(7)之间存在两个轴向气隙L2，调磁转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)的轴线重合；

第一定子(5)由第一定子铁心(5-2)和m相第一定子绕组(5-1)构成，第一定子绕组(5-1)通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

第一永磁转子(6)为对称结构，两侧均为极对数为n的转子，n为正整数；

调磁转子(7)由调磁转子铁心(7-2)和2q个突起单元(7-1)构成，调磁转子铁心(7-2)为圆盘形，该圆盘的两侧端面均设置q个突起单元(7-1)，该q个突起单元(7-1)沿圆周方向均匀排布，q为正整数；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

2.根据权利要求1所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永磁转子(6)包括转子支架(6-3)、2n个第一永磁体单元(6-1)和2n个第二永磁体单元(6-2)，转子支架(6-3)面向两个第一定子(5)的两个端面上均设置n个第一永磁体单元(6-1)和n个第二永磁体单元(6-2)，n个第一永磁体单元(6-1)和n个第二永磁体单元(6-2)沿圆周方向交错设置，n个第一永磁体单元(6-1)的充磁方向相同，n个第二永磁体单元(6-2)的充磁方向相同，第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)充磁方向相反；第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)的充磁方向为轴向充磁。

3.根据权利要求1所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永磁转子(6)包括转子支架(6-3)、2n个第一永磁体单元(6-1)和2n个第一永磁转子铁心(6-4)，转子支架(6-3)面向两个第一定子(5)的两个端面上均设置n个第一永磁体单元(6-1)和n个第一永磁转子铁心(6-4)，n个第一永磁体单元(6-1)和n个第一永磁转子铁心(6-4)沿圆周方向交错设置，n个第一永磁体单元(6-1)的充磁方向相同。

4.轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，壳体(4)通过分隔件被分成左右两部分，轴径向转矩调节电机和轴向双转子电机分别设置在壳体(4)的左右两部分内，所述轴向双转子电机包括第一定子(5)、第一永磁转子(6)、调磁转子(7)、调磁转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)，所述轴径向转矩调节电机包括第二定子(11)和第二永磁转子(12)，永磁转子输出轴(9)同时作为轴径向转矩调节电机的转子轴，

轴径向转矩调节电机的第二定子(11)固定在壳体(4)右部分的内圆表面，第二永磁转子(12)固定在永磁转子输出轴(9)上，第二定子(11)与第二永磁转子(12)之间存在径向气隙L3和两个轴向气隙L4；

轴向双转子电机的第一定子(5)的外圆环端面固定在分隔件右侧壁上，调磁转子(7)固定在调磁转子输出轴(1)上，调磁转子输出轴(1)的力矩输出端从壳体(4)的右端盖伸出，并通过第三轴承(8)与壳体(4)的右端盖转动连接；

第一永磁转子(6)位于第一定子(5)与调磁转子(7)之间，第一永磁转子(6)固定在永磁转子输出轴(9)上，永磁转子输出轴(9)的一端通过第二轴承(3)与调磁转子(7)转动连接，永磁转子输出轴(9)的另一端依次从分隔件和壳体(4)的左端盖伸出，并通过第一轴承(2)与分隔件转动连接，通过第四轴承(10)与壳体(4)的左端盖转动连接；第一永磁转子(6)和第一定子(5)之间存在轴向气隙L1；第一永磁转子(6)与调磁转子(7)之间存在轴向气隙L2，调磁转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)的轴线重合；

第一定子(5)由第一定子铁心(5-2)和m相第一定子绕组(5-1)构成，第一定子绕组(5-1)通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；

第一永磁转子(6)为极对数为n的转子，n为正整数；

调磁转子(7)由调磁转子铁心(7-2)和q个突起单元(7-1)构成，调磁转子铁心(7-2)为圆盘形，q个突起单元(7-1)设置在调磁转子铁心(7-2)面向第一永磁转子(6)的端面上，该q个突起单元(7-1)沿圆周方向均匀排布，q为正整数；

且满足p＝|hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。

5.根据权利要求4所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永磁转子(6)包括转子支架(6-3)、n个第一永磁体单元(6-1)和n个第二永磁体单元(6-2)，转子支架(6-3)为圆环形，其端面上沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)，n个第一永磁体单元(6-1)的充磁方向相同，n个第二永磁体单元(6-2)的充磁方向相同，第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)充磁方向相反；第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)的充磁方向为轴向充磁。

6.根据权利要求4所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永磁转子(6)包括转子支架(6-3)、n个第一永磁体单元(6-1)和n个第一永磁转子铁心(6-4)，转子支架(6-3)为圆环形，其端面沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元(6-1)和第一永磁转子铁心(6-4)，n个第一永磁体单元(6-1)的充磁方向相同；第一永磁体单元(6-1)的充磁方向为轴向充磁。

7.根据权利要求1或4所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一定子铁心(5-2)为圆环形，第一定子铁心(5-2)的外圆环端面固定在分隔件右侧壁上，第一定子铁心(5-2)的内圆环端面上沿径向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线以永磁转子输出轴(9)为中心呈放射线状均匀分布，第一定子绕组(5-1)分别嵌入所述槽内形成m相绕组，m为正整数。

8.根据权利要求1或4所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，调磁转子铁心(7-2)和突起单元(7-1)选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。

9.根据权利要求8所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，调磁转子铁心(7-2)和突起单元(7-1)为一体件。

10.根据权利要求1或4所述轴向-轴径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第二定子(11)由第二定子铁心(11-1)和m′相第二定子绕组(11-2)构成，第二定子铁心(11-1)为圆环形，第二定子铁心(11-1)的外环表面固定在壳体(4)左部分的内侧壁上，第二定子铁心(11-1)的外侧壁开有多个环形凹槽，所述多个环形凹槽以永磁转子输出轴(9)为中心均匀分布，第二定子绕组(11-2)分别嵌入所述环形凹槽内形成m′相绕组，m′为正整数；

第二永磁转子由第二永磁转子铁心(12-2)和多组永磁体单元构成，第二永磁转子铁心(12-2)为厚圆盘形，固定在永磁转子输出轴(9)上，第二永磁转子铁心(12-2)的外圆周侧壁上开有圆环形凹槽，凹槽的径向截面为方形，在所述凹槽内侧面上设置有多组第二永磁体单元，每组永磁体单元由底面永磁体(12-1)和两块侧面永磁体(12-3)构成，多组第二永磁体单元以永磁转子输出轴(9)为中心沿圆周方向均匀分布，永磁体单元设置在第二永磁转子铁心(12-2)表面上或嵌入第二永磁转子铁心(12-2)表面内，每组永磁体单元形成指向凹槽开口或者背离凹槽开口的磁场，相邻两组永磁体单元的充磁方向相反，

底面永磁体(12-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁，侧面永磁体(12-3)轴向充磁,同组永磁体单元中的两块侧面永磁体(12-3)的充磁方向相反。