CN105099109A - 水冷式双定子开关磁阻电机及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动汽车领域，涉及开关磁阻电机，尤其涉及一种水冷式双定子开关磁阻电机及其控制系统。包括电机壳体，所述电机壳体包括相互配合设置的前端盖、后端盖以及设置前端盖与后端盖之间的外定子壳，所述外定子壳上设置有外定子，所述后端盖上设置有内定子，与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于,本发明通过提供一种双定子结构的开关磁阻电机有效的解决了传统开关磁阻电机运行能力低的技术问题，通过在中间转子上加设太阳轮，使其在电机内部形成行星减速器，节省车上变速机构及部件，更好的满足电动汽车轻量化的要求。

Description

水冷式双定子开关磁阻电机及其控制系统

技术领域

本发明属于电动汽车领域，涉及开关磁阻电机，尤其涉及一种水冷式双定子开关磁阻电机及其控制系统。

背景技术

随着石油能源的日益短缺、汽车尾气所造成的空气质量的下降等原因，安全、环保和节能日益成为汽车产业的主题，而电动汽车由于具有低排放甚至零排放、低噪音和节能等优点，成为当今时代的热门主题，是为汽车产业可持续发展开辟的又一新兴技术领域。电动汽车的电驱动系统作为关键零部件成为其研究开发的重点。电动汽车对驱动系统的基本要求是高效、高转矩密度、高可靠性、低速大转矩和高速运行能力、低振动噪声、高容错运行能力。目前得到应用的电动汽车电驱动系统主要为感应电机系统、永磁无刷直流电机系统、永磁同步电机系统和开关磁阻电动机系统，不同的电驱动系统具有不同的性能优势，都只是部分满足电动汽车的上述要求。

传统的开关磁阻电机具有结构简单、运行可靠及容错能力较强，但该种电机依靠定子各项绕组顺序通电产生磁场并吸引转子铁芯磁极而产生驱动力，因而其运行效率、转矩密度与其他各种电动汽车驱动电机相比，并不占有优势，而其振动噪声却最高。再者，该种电机多相定子绕组中一相回路发生故障而剩余几相可以继续运行，因而具有容错能力，但运行性能大大降低，振动噪声极大。

发明内容

本发明针对上述的开关磁阻电机运行能力低、噪音大等技术问题，提出一种设计合理、结构简单、运行能力高且平稳、同时噪音低的水冷式双定子开关磁阻电机及其控制系统。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为,本发明提供一种水冷式双定子开关磁阻电机，包括电机壳体，所述电机壳体包括相互配合设置的前端盖、后端盖以及设置前端盖与后端盖之间的外定子壳，其特征在于,所述外定子壳上设置有外定子，所述后端盖上设置有内定子，所述内定子固定在后端盖的中间位置处，所述内定子与外定子之间设置有中间转子，所述中间转子远离后端盖的一端设置有太阳轮，所述太阳轮的外围设置有与太阳轮啮合连接的行星轮，所述行星轮的外围设置有与行星轮啮合连接的固定内齿圈，所述行星轮固定在行星轮架上，所述行星轮架远离行星轮的一端设置输出轴，所述输出轴贯穿前端盖伸出电机壳体外。

作为优选，所述中间转子包括左转子盘、右转子盘以及设置在左转子盘与右转子盘之间的转子铁芯，所述太阳轮设置在右转子盘上。

作为优选，所述固定内齿圈远离行星轮的一侧的外围设置有固定盖，所述固定盖与固定内齿圈固定连接。

作为优选，所述固定盖与前端盖活动固定连接。

作为优选，所述外定子包括固定在外定子壳上的定子铁芯以及设置在定子铁芯上的线圈绕组，所述定子铁芯轭部周向均匀分布有通孔。

作为优选，所述内定子包括固定在后端盖上的静止轴以及固定在静止轴上的内定子铁芯，所述内定子铁芯上设置有内定子绕组，所述内定子铁芯轭部周向均匀分布水冷孔。

作为优选，所述通孔与水冷孔之间通过管路连通。

本发明还提供了一种用于控制上述水冷式双定子开关磁阻电机的系统，包括以下控制单元：

外定子控制单元：主要用于控制定子铁芯上的线圈绕组的通电；

内定子控制单元：主要用于控制内定子铁芯上的内定子绕组的通电；

内外定子控制单元：主要用于控制定子铁芯上的线圈绕组以及内定子铁芯上的内定子绕组的通电。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于,

1、本发明通过提供一种双定子结构的开关磁阻电机有效的解决了传统开关磁阻电机运行能力低的技术问题，通过在中间转子上加设太阳轮，使其在电机内部形成行星减速器，节省车上变速机构及部件，更好的满足电动汽车轻量化的要求。

2、本发明通过提供水冷式双定子开关磁阻电机的控制系统，使电机能够在不同时段、不同地貌均处于最佳运行状态，使电机始终工作于高效区，解决了传统开关磁阻电机运行单一且运行效率低的问题。

3、本发明通过在定子铁芯轭部周向均匀分布有通孔以及内定子铁芯轭部周向均匀分布水冷孔，使电机在内部得到降温，有效的解决了传统开关磁阻电机运行温度高等技术问题，并通过水冷使电机功率密度得到极大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1提供的水冷式双定子开关磁阻电机的剖视图；

图2为实施例1提供的中间转子的剖视图；

图3为实施例1提供的水冷式双定子开关磁阻电机的局部剖视图；

图4为实施例1提供的水冷式双定子开关磁阻电机的局部结构示意图；

图5为实施例1提供的外定子结构示意图；

图6为实施例1提供的内定子结构示意图；

图7为实施例2提供的水冷式双定子开关磁阻电机的控制系统的流程图；

图8为实施例2提供的水冷式双定子开关磁阻电机的控制系统的电路图；

以上各图中,1、后端盖；2、前端盖；3、外定子壳；4、外定子；41、定子铁芯；42、线圈绕组；43、通孔；5、内定子；51、静止轴；52、内定子铁芯；53、内定子绕组；54、水冷孔；6、中间转子；61、左转子盘；62、右转子盘；63、转子铁芯；64、转子轴；7、太阳轮；8、行星轮；9、行星轮架；91、输出轴；10、固定内齿圈；11、螺栓；12、固定盖；13、固定螺栓；14、盖板；15、密封圈。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1,如图1、图2、图3、图4所示，本实施例提供一种水冷式双定子开关磁阻电机，包括电机壳体，在本实施例中，电机壳体由相互配合设置的前端盖1、后端盖2以及设置前端盖1与后端盖2之间的外定子壳3组成，三者之间通过螺栓11固定构成电机壳体，形成电机腔。在外定子壳3上设置有外定子4，在后端盖2上设置有内定子5，内定子5固定在后端盖2的中间位置处，外定子4与内定子5均处于电机腔的内部，内定子4与外定子之间存在一定的间隙，在内定子4与外定子5之间的间隙内设置有中间转子6，在中间转子6远离后端盖2的一端设置有太阳轮7(太阳轮和中间转子可以是两个部件，也可以为中间转子的一部分，在本实施例中，太阳轮和中间转子为一体部件，在太阳轮和中间转子为两个部件时，要确保两者之间的稳定性，最好采用整体的方式固定)，在太阳轮7的外围设置有与太阳轮7啮合连接的行星轮8，行星轮8的外围则设置有与行星轮8啮合连接的固定内齿圈10，行星轮8固定在行星轮架9上，在行星轮架9远离行星轮8的一端设置输出轴91(输出轴即整个电机的动力轴)，输出轴91贯穿前端盖1伸出电机壳体外。

通过上述双定子的设计，有效的解决了传统开关磁阻电机运行能力不足的问题，通过在中间转子上加设太阳轮、行星轮等部件，使其在电机的内部形成行星差速器，节省车上变速机构及部件，更好的满足电动汽车轻量化的要求。

为了方便设置太阳轮7，在本实施例中，中间转子6包括左转子盘61、右转子盘62以及设置在左转子盘61和右转子盘62的转子铁芯63，转子铁芯63处于内定子5与外定子4之间的空隙内，在内、外定子通电的情况下，转子铁芯63转动从而带动左、右转子盘转子，在本实施例中，右转子盘62包括与转子铁芯63连接的连接部以及用于设置太阳轮7的转子轴64，在本实施例中，在转子轴64上做齿，形成太阳轮7。

为了使电机的运行效果更佳稳定，且降低电机在运行过程中，噪音的程度，在本实施例中，在太阳轮7外围设置有4个行星轮8，4个行星轮8设置在太阳轮7的四周，将太阳轮7包裹在内，4个行星轮8通过行星轮架9确定其相对之间的位置，这样在太阳轮7转动的时候，从而带动行星轮8的转动，进而使行星轮架9转动，太阳轮7、行星轮8以及固定内齿圈10可以为平齿也可以为斜齿，在本实施例中太阳轮7、行星轮8以及固定内齿圈10均为斜齿轮，选用斜齿轮的好处在于斜齿轮的啮合性好、传动平稳、噪音小，同时重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力，故在本实施例中，太阳轮、行星轮以及固定内齿圈均选用斜齿轮。

为了使太阳轮等部件与中间转子等部件区分，在本实施例中，在固定内齿圈10远离行星轮8的一侧的外围设置有固定盖12，固定盖12与固定内齿圈10固定连接，固定盖12则通过固定螺栓13与前端盖1活动固定连接，通过固定盖12与前端盖1的配合，在电机腔的内部则又形成了一个新的腔，将太阳轮7、行星轮8等部件包裹在内。

考虑到太阳轮7与行星轮8之间可能需要添加一些润滑油等，为了防止这类油料影响到外定子4、内定子5以及中间转子6，在本实施例中，在固定盖12与太阳轮7、行星轮8之间设置了密封圈15，在固定盖12与密封圈15之间设置了盖板14，固定盖12通过盖板14将密封圈15固定，通过密封圈15的设置，将固定盖12与前端盖1形成的腔室密封起来，有效的将其与内/外定子隔离。

考虑到双定子结构在提高运行效果的同时，也同时会产生大量的热量，而电机长时间的高温运行则会降低电机的使用寿命，如图5、图6所示，在本实施例中，外定子4包括固定在外定子壳3上的定子铁芯41以及设置在定子铁芯41上的线圈绕组42，定子铁芯41轭部周向均匀分布有通孔43。内定子5包括固定在后端盖2上的静止轴51以及固定在静止轴51上的内定子铁芯52，内定子铁芯52上设置有内定子绕组53，内定子铁芯52轭部周向均匀分布水冷孔54，通孔43与水冷孔54之间通过管路连通。通过在定子铁芯41上设置通孔43，在内定子铁芯52上设置水冷孔54，通过通孔43与水冷孔54的连接，同时在电机的后端盖2上设置预留孔(图中未标注)，使定子铁芯41与内定子铁芯52之间流转冷却液(也可以为水)，达到对电机降温的目的。

具体安装时，首先将定子铁芯41压装到外定子壳3上，将定子绕组42按要求嵌入定子铁芯41的槽中(绕线方式为普通的绕线方式，故在本实施例中，不加详细描述)，将冷却水管(即前文所描述的管道)以串联的形式穿入定子铁芯41轴向通孔43中并将两端头及定子出线六端头引出。

外定子4出线端头及冷却水管端头(出口)由后端盖2引出。内定子5的出线端头及冷却水管端头(进口)由静止轴的中心空引出(静止轴为中空结构)。内/外定子的冷却水管的连通方式可以是串联也可以是并联，将外定子4一个水端头与内定子的一个水端头连接在一起，这样内、外定子采用串联水路进行冷却。将外定子两个水端头与内定子两个水端头通过三通两两连接，这样内、外定子采用并联水路连接。

具体使用时，串联时，冷却液要从内定子5向外定子4流动，由于整个水冷式双定子开关磁阻电机在工作过程中，内定子5的温度较高且不易散热，故冷却液要优选的从内定子5向外定子4流动。水冷结构进行并联，可将内定子水管设计的比外定子水管粗，这样可使内、外定子都发挥更大的效率，并且在冷天气时，外定子可不用水冷，仅对内定子进行冷却，这样更加经济。

实施例2，本实施例提供上述实施例1提供一种水冷式双定子开关磁阻电机的控制系统，如图7所示，该系统主要包括以下控制单元：

外定子控制单元：主要用于控制定子铁芯上的线圈绕组的通电；

内定子控制单元：主要用于控制内定子铁芯上的内定子绕组的通电；

内外定子控制单元：主要用于控制定子铁芯上的线圈绕组以及内定子铁芯上的内定子绕组的通电。

在本实施例中，具体提供了一种控制电路，如图8所示，在电源处引出三条线路，其中线路1、线路2与控制外定子的功率转换器连接，线路2与线路3与控制内定子的功率转换器连接，在线路1上设置了开关K3，在线路2上设置了开关K1，在线路3上设置了开关K5，线路1、线路2、线路3之间通过线路4连接，在线路1与线路2之间的线路4上设置了开关K2，在线路2与线路3之间的线路4上设置了开关K5，这样在具体工作时，K1、K3、K5合、K2、K4开，则构成了内外定子控制单元，电源将电压同时施加到线圈绕组和内定子绕组上，使内/外定子同时工作，这时候电机具有低速大转矩输出能力，可以满足电动汽车的起动和低速爬坡要求；K2、K5合、K1、K3、K4开，这时，则构成了外定子控制单元，全部电源电压施加到线圈绕组上，此时相当于只有外定子工作，电机处于中高速运行状态，可以满足电动汽车的中高速行驶；K3、K4合、K1、K2、K5开，这时，则构成内定子控制单元，全部电源电压施加到内定子绕组上，此时相当于只有内定子运行，电机处于中高速运行状态，可以满足电动汽车的中高速行驶。K1、K3合、K2、K4、K5开，部分电压施加到内定子线圈(内定子绕组)上，此时相当于只有外转子开关磁阻电机运行(转子处于定子外围，故称为外转子开关磁阻电机)，电机处于高速运行状态，可以满足电动汽车的高速行驶；；K1、K5合、K2、K3、K4开，部分电压施加到外定子线圈(线圈绕组)上，此时相当于只有内转子开关磁阻电机(转子处于定子里面，故称为内转子开关磁阻电机)运行，电机处于高速运行状态，可以满足电动汽车的高速行驶。这样可使电机扩展了调速范围及转矩范围，并且不管在什么路况下，都可通过变换开关使电机运行始终处于高效区。

通过上述电路的设置，实现了对内/外定子单独控制以及联合控制，且可使电源电压全部或部分施加到内定子或外定子的线圈中，使整个电机满足不同路况下的运行，使其能够在各个路况下，均可以使电机始终处于最佳效率运行状态，从而提高了电机的综合运行效率，可以有效提高电动汽车的续驶里程。

当然，也可采用一个功率转换器，三组开关对线圈绕组及内定子绕组进行通、断电。此时线圈绕组、内定子绕组通过开关可以串联在一起进行供电，也可单独外定子进行供电。采用一个功率转换器施加全部电源电压，使组成双定子开关磁阻电机的内、外转子开关磁阻电机同时工作，具有低速大转矩输出能力，可以满足电动汽车的起动和低速爬坡要求；全部电源电压全部用来驱动外定子绕组，此时相当于只有内转子开关磁阻电机运行，电机处于中高速运行状态，可以满足电动汽车的中高速行驶。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种水冷式双定子开关磁阻电机，包括电机壳体，所述电机壳体包括相互配合设置的前端盖、后端盖以及设置前端盖与后端盖之间的外定子壳，其特征在于,所述外定子壳上设置有外定子，所述后端盖上设置有内定子，所述内定子固定在后端盖的中间位置处，所述内定子与外定子之间设置有中间转子，所述中间转子远离后端盖的一端设置有太阳轮，所述太阳轮的外围设置有与太阳轮啮合连接的行星轮，所述行星轮的外围设置有与行星轮啮合连接的固定内齿圈，所述行星轮固定在行星轮架上，所述行星轮架远离行星轮的一端设置输出轴，所述输出轴贯穿前端盖伸出电机壳体外。

2.根据权利要求1所述的水冷式双定子开关磁阻电机，其特征在于,所述中间转子包括左转子盘、右转子盘以及设置在左转子盘与右转子盘之间的转子铁芯，所述太阳轮设置在右转子盘上。

3.根据权利要求1所述的水冷式双定子开关磁阻电机，其特征在于,所述固定内齿圈远离行星轮的一侧的外围设置有固定盖，所述固定盖与固定内齿圈固定连接。

4.根据权利要求2所述的水冷式双定子开关磁阻电机，其特征在于,所述固定盖与前端盖活动固定连接。

5.根据权利要求3所述的水冷式双定子开关磁阻电机，其特征在于,所述外定子包括固定在外定子壳上的定子铁芯以及设置在定子铁芯上的线圈绕组，所述定子铁芯轭部周向均匀分布有通孔。

6.根据权利要求4所述的水冷式双定子开关磁阻电机，其特征在于,所述内定子包括固定在后端盖上的静止轴以及固定在静止轴上的内定子铁芯，所述内定子铁芯上设置有内定子绕组，所述内定子铁芯轭部周向均匀分布水冷孔。

7.根据权利要求5所述的水冷式双定子开关磁阻电机，其特征在于,所述通孔与水冷孔之间通过管路连通。

8.一种用于控制上述权利要求1～6任一项所述的水冷式双定子开关磁阻电机的系统，其特征在于，包括以下控制单元：

外定子控制单元：主要用于控制定子铁芯上的线圈绕组的通电；

内定子控制单元：主要用于控制内定子铁芯上的内定子绕组的通电；

内外定子控制单元：主要用于控制定子铁芯上的线圈绕组以及内定子铁芯

上的内定子绕组的通电。