CN104617723A - 用于增程式电动汽车的同步电机及动力系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于增程式电动汽车的同步电机，包括：壳体；第一定子和第二定子，位于所述内腔中，且固定在壳体上；第一定子包围着第二定子，且两者之间具有间隙，该间隙中设有冷却水道；永磁体外转子；电励磁内转子；电机输入轴，直接与内燃机的输出轴连接；电机输出轴，与减速器连接；霍尔传感器；电机输入轴、内转子和第二定子构成了一个电励磁同步电机，这是发电机；第一定子、外转子和电机输出轴构成了一个内置式永磁同步电机，这是驱动电机。本申请实现了将增程式电动汽车中的发电机和驱动电机一体化设置制造，从而大幅减小体积，节省发动机舱内空间；同时具有发电机和驱动电机之间无干扰、抗振性佳、散热好、成本低等特点。

Description

用于增程式电动汽车的同步电机及动力系统

技术领域

本申请涉及一种增程式电动汽车，特别是涉及其中的永磁同步电机。

背景技术

新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、增程式电动汽车等。纯电动汽车始终以电动机驱动车轮，由于电池容量有限，需要经常进行充电。混合动力汽车在不同工况下以电动机和/或内燃机驱动车轮。增程式电动汽车也始终以电动机驱动车轮，当电池的蓄电量不足时，可以通过内燃机为电池充电。

请参阅图1，这是一种现有的增程式电动汽车的动力系统，其中包括内燃机101、发电机102、驱动电机103、双电机控制器104、高压电池105、减速器106。通常来说，发电机102与驱动电机103为两台独立电机，有各自的电机壳体、定子、转子。双电机控制器104也可以改为两个独立的电机控制器。发电机102与内燃机101的曲轴刚性连接作为第一部分，驱动电机103与减速器106直连作为第二部分，这两部分之间无任何机械连接，仅通过高压电池105传递能量，即为串联方式。

增程式电动汽车具有两种工作模式，分别是纯电动模式、增程模式。

当高压电池105的电量（通常用荷电状态SOC来描述）较高时，由双电机控制器104从高压电池105处获取能量，通过驱动电机103输出动力，经减速器106传递至驱动轮，驱动车辆前行。这就是纯电动模式。

当高压电池105的电量较低时，先由发电机102起动内燃机101，随后内燃机101通过燃烧燃油获取能量，并带动发电机102运行。发电机102通过双电机控制器104向高压电池105充电。这样便可以维持驱动电机103的持续工作。这就是增程模式。

图1所示的增程式电动汽车的动力系统包含的组件较多，占用体积较大，这为其在发动机舱中的布置带来了困难。尤其是对于国内占有量最大的紧凑型轿车，其发动机舱中的安装空间非常有限。目前一种较为可行的方法是将发电子系统（内燃机101、发电机102及其控制器）与驱动子系统（驱动电机103及其控制器）分别放置于前舱和后舱中。然而，若是发电子系统置于前舱，则该增程式电动汽车为后驱系统，驱动轴、整车配重、整车控制策略等均要进行相应调整。若是发电子系统置于后舱，则动力系统与传统汽车相比差异过大，整车底盘、悬挂系统的调整工作量也相当大。无论哪种布置方式均会挤占部分后备箱空间甚至高压电池的空间。

为了减小增程式电动汽车的动力系统的体积，已有一些改进方案。申请公布号为CN102386734A、申请公布日为2012年3月21日的中国发明专利申请（以下简称为A申请）就公开了一种用于增程式电动汽车的永磁同步电机，如图2所示。其在同一个定子的内、外分别具有内转子、外转子，内转子电机作为发电机，外转子电机作为驱动电机。然而，A申请仍具有如下缺点：

其一，定子叠片26上具有内绕组26a和外绕组26b，两套定子绕组距离过短，容易相互耦合，发生干涉。

其二，外转子电机采用了一个外转子旋转变压器（resolver）13。目前国内外主流供应商的外转子旋转变压器均无批产产品，而定制产品价格很高，且产能不足。

其三，外转子电机（驱动电机）中的第一永磁体6采用表贴式磁钢，这使其抗振动能力相对较弱，不适合较复杂的车内工作环境；且最高转速较低，使得整车最高车速受限。

其四，内转子电机（发电机）也采用永磁同步电机，其转子直径过小，因此电机效率不高，且永磁材料价格也较昂贵，磁钢利用率不高。

其五，无冷却水道设计，而是采用第一油封15、第二油封1、第三油封14等将润滑油密封于整个永磁同步电机内部，实现对内转子、外转子、定子等结构的冷却。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种用于增程式电动汽车的同步电机，既具有较小的体积便于布置，又能克服A申请的种种不足之处。为此，本申请还要提供一种包含所述同步电机在内的用于增程式电动汽车的动力系统。

为解决上述技术问题，本申请用于增程式电动汽车的同步电机包括：

——壳体，围出了一个内腔；

——第一定子，位于所述内腔中，且固定在壳体上；

——第二定子，位于所述内腔中，且固定在壳体上；第一定子包围着第二定子，且两者之间具有间隙，该间隙中设有冷却水道；

——外转子，可转动地包围着第一定子，这是一个永磁体部件；

——内转子，可转动地被第二定子所包围，这是一个电励磁部件；

——电机输入轴，可转动地固定于壳体，直接与内燃机的输出轴连接；

——电机输出轴，也可转动地固定于壳体，与减速器连接；

——霍尔传感器，设置在外转子、或电机输出轴、或两者的结合部上；

电机输入轴、内转子和第二定子构成了一个电励磁同步电机，这是发电机；

第一定子、外转子和电机输出轴构成了一个内置式永磁同步电机，这是驱动电机。

本申请用于增程式电动汽车的动力系统包括内燃机、同步电机、双电机控制器、高压电池、减速器和油箱；在同步电机中包含有发电机和驱动电机；

一种情况下，由双电机控制器从高压电池获取能量，通过同步电机中的驱动电机输出动力，经减速器传递至驱动轮；

另一种情况下，先由同步电机中的发电机通过双电机控制器从高压电池处获取能量，起动内燃机；随后内燃机通过燃烧油箱中的燃油获取能量，并带动同步电机中的发电机运行；同步电机中的发电机通过双电机控制器向高压电池充电；双电机控制器仍从高压电池处获取能量，通过同步电机中的驱动电机输出动力，经减速器传递至驱动轮。

本申请实现了将增程式电动汽车中的发电机和驱动电机一体化设置制造，从而大幅减小体积，节省发动机舱内空间；同时具有发电机和驱动电机之间无干扰、抗振性佳、散热好、成本低等特点。

附图说明

图1是一种现有的增程式电动汽车的动力系统的结构示意图；

图2是A申请公开的用于增程式电动汽车的永磁同步电机的结构示意图；

图3是本申请用于增程式电动汽车的同步电机的结构示意图；

图4是本申请增程式电动汽车的动力系统的能量走向示意图（纯电动模式）；

图5是本申请增程式电动汽车的动力系统的能量走向示意图（增程模式）。

图中附图标记说明：

101为内燃机；102为发电机；103为驱动电机；104为双电机控制器；105为高压电池；106为减速器；107为油箱；1为第二油封；6为第一永磁体；13为外转子旋转变压器；14为第三油封；15为第一油封；26为定子叠片；26a为内绕组；26b为外绕组；200为本申请的同步电机；201为电机壳体；202.为外转子；203为第一定子；204为第二定子；205为内转子；206为电机输入轴；207为轴承；208为固定螺栓；209为霍尔传感器；210为冷却水道；211为电机输出轴。

具体实施方式

请参阅图3，这是本申请用于增程式电动汽车的同步电机的一个实施例。壳体201围出了一个内腔，该内腔中设置有外转子202、第一定子203、第二定子204和内转子205。所述壳体例如为铸铝材料。第一定子203和第二定子204通过固定螺栓208固定在壳体201上。第一定子203包围着第二定子204，并且两者之间具有一定间隙，冷却水道210就设置在该间隙中。外转子可转动地设置在第一定子203的外围，这是一个永磁体部件。内转子205可转动地设置在第二定子204的内部，这是一个电励磁部件。电机输入轴206通过轴承207可转动地固定于壳体201，电机输出轴211也通过轴承207可转动地固定于壳体201。轴承207例如为滚珠深沟球轴承。霍尔传感器209设置在外转子202、或电机输出轴211、或两者的结合部上。优选地，在壳体201内放置多个霍尔传感器209，例如三个以上，以提高检测精度。

其中，电机输入轴206、内转子205和第二定子204主要构成了发电机，这是一个电励磁同步电机。所述第二定子204又包括第二定子铁芯及内绕组。电机输入轴206直接与内燃机的输出轴（曲轴）连接。由于发电机直径较小，采用电励磁设计可有效避免永磁磁钢利用率较低的缺陷。另外在增程式电动汽车中，发电机仅在高压电池的电量不足时工作，且工作点较为单一，因此采用成本较低的电励磁式设计为优选。

其中，第一定子203、外转子202和电机输出轴211主要构成了驱动电机，这是一个内置式永磁同步电机。所述第一定子203又包括第一定子铁芯及外绕组。电机输出轴211与减速器相连。

进一步地，在壳体201、电机输入轴206和轴承207之间采用油封设计。同样地，在壳体201、电机输出轴211和轴承207之间也采用油封设计。这样将润滑油或散热油密封在整个同步电机内部，内、外转子转动时带动油液飞溅，可对内、外转子进行冷却，提高电机的持续性能。

请参阅图4和图5，本申请增程式电动汽车的动力系统包括内燃机101、同步电机200（如图3所示）、双电机控制器104、高压电池105、减速器106、油箱107。在同步电机200中包含有发电机模块和驱动电机模块。双电机控制器104也可以改为两个独立的电机控制器。

增程式电动汽车具有两种工作模式，分别是纯电动模式、增程模式。

请参阅图4，当高压电池105的电量较高时，由双电机控制器104从高压电池105处获取能量，通过同步电机200中的驱动电机模块输出动力，经减速器106传递至驱动轮，驱动车辆前行。这就是纯电动模式。此时内燃机101熄火，油箱107中燃油量保持不变，同步电机200中的发电机模块不工作。

请参阅图5，当高压电池105的电量较低时，先由同步电机200中的发电机模块通过双电机控制器104从高压电池105处获取能量，输出短时大扭矩（例如大于150Nm）以起动内燃机101。随后内燃机101通过燃烧油箱107中的燃油获取能量，并带动同步电机200中的发电机模块运行。同步电机200中的发电机模块通过双电机控制器104向高压电池105充电。双电机控制器104仍从高压电池105处获取能量，通过同步电机200中的驱动电机模块输出动力，经减速器106传递至驱动轮，驱动车辆前行。这样便可以维持驱动电机103的持续工作。这就是增程模式。

对于增程式电动汽车而言，内燃机101的输出轴不直接参与整车驱动，仅用于高压电池105电量不足时的充电。因此从纯电动模式切换至增程模式时不存在扭矩波动，整车平顺性得到保证。

本申请用于增程式电动汽车的同步电机具有如下优点：

其一，发电机的功率小，采用内转子电机；驱动电机的功率大，采用外转子电机。这种驱动电机包围发电机的立体结构使得整个同步电机的轴向长度得到有效控制。对于目前主流的横置内燃机、横置减速器的动力系统来说，对发动机舱内的横向空间要求降低，因而可在有限的整车前舱空间里布置下包含发电机和驱动电机在内的同步电机，结构紧凑，布置灵活性高。这样整车的后舱可全部用于放置高压电池组，从而较少地改动整车底盘、悬架等。

其二，在驱动电机的定子（第一定子203）和发电机的定子（第二定子204）之间的间隙中设置冷却水道210。这样可以采用水冷方式对两者进行散热，可显著降低两个定子温度，提高驱动电机和发电机的峰值输出能力及持续时间。同时还保留了油冷设计，通过飞溅方式对驱动电机和发电机的转子进行冷却，进一步提高驱动电机和发电机的持续输出功率。

其三，由于冷却水道210的阻隔，避免了两个电机绕组磁链相互耦合，发生干涉。由于同步电机200中的发电机与驱动电机解耦，使得内燃机101的输出负荷较小，且工作点较为单一（例如80Nm、2500rpm），因此可采用小排量内燃机（如三缸机），以更大程度地减小油耗及排放。

其四，发电机与驱动电机可共用一个定子模具，提高了硅钢片的材料利用率。

其五，发电机采用了电励磁同步电机，无稀土永磁磁钢，节省了成本。

其六，驱动电机采用外转子内置式磁钢设计，相对于表贴式设计，其耐振动等级更高，且相对于内转子设计，其转子叠片加强筋设计难度较低，高速运行时可承受更大离心力。驱动电机的外径较发电机更大，采用外转子式设计可在外转子的圆周内布置下更多的磁钢，提升驱动电机的扭矩/功率密度。

其七，采用霍尔传感器209来检测外转子电机中的外转子202的实时位置。例如采用一个齿圈配合三个传感器的设计，相对于外转子旋转变压器，霍尔传感器的技术成熟、更易实现，且成本更低。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于增程式电动汽车的同步电机，其特征是，包括：

——壳体，围出了一个内腔；

——第一定子，位于所述内腔中，且固定在壳体上；

——第二定子，位于所述内腔中，且固定在壳体上；第一定子包围着第二定子，且两者之间具有间隙，该间隙中设有冷却水道；

——外转子，可转动地包围着第一定子，这是一个永磁体部件；

——内转子，可转动地被第二定子所包围，这是一个电励磁部件；

——电机输入轴，可转动地固定于壳体，直接与内燃机的输出轴连接；

——电机输出轴，也可转动地固定于壳体，与减速器连接；

——霍尔传感器，设置在外转子、或电机输出轴、或两者的结合部上；

电机输入轴、内转子和第二定子构成了一个电励磁同步电机，这是发电机；

第一定子、外转子和电机输出轴构成了一个内置式永磁同步电机，这是驱动电机。

2.根据权利要求1所述的用于增程式电动汽车的同步电机，其特征是，在电机输入轴与壳体之间采用轴承连接，并采用油封设计；

在电机输出轴与壳体之间也采用轴承连接，也采用油封设计。

3.根据权利要求1所述的用于增程式电动汽车的同步电机，其特征是，霍尔传感器具有多个，用于检测驱动电机的旋转位置。

4.一种用于增程式电动汽车的动力系统，其特征是，包括内燃机、同步电机、双电机控制器、高压电池、减速器和油箱；在同步电机中包含有发电机和驱动电机；

一种情况下，由双电机控制器从高压电池获取能量，通过同步电机中的驱动电机输出动力，经减速器传递至驱动轮；

另一种情况下，先由同步电机中的发电机通过双电机控制器从高压电池处获取能量，起动内燃机；随后内燃机通过燃烧油箱中的燃油获取能量，并带动同步电机中的发电机运行；同步电机中的发电机通过双电机控制器向高压电池充电；双电机控制器仍从高压电池处获取能量，通过同步电机中的驱动电机输出动力，经减速器传递至驱动轮。

5.根据权利要求4所述的用于增程式电动汽车的动力系统，其特征是，双电机控制器改为相互独立的发电机控制器和驱动电机控制器。