CN105846622B - 具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纯电动汽车领域中具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机及工作方法，内转子同轴固定套在第一传动轴右段上，第一传动轴左段穿过永磁体支架左端和左侧壳体，第一传动轴通过永磁体支架左支撑轴承与永磁体支架左端连接、通过左侧壳体支撑轴承与左侧壳体连接；第一传动轴的右侧是第二传动轴，第二传动轴的中间段与右侧壳体固定连接，第二传动轴的左端通过永磁体支架右支撑轴承与永磁体支架右端连接；第一传动轴右端和永磁体支架右端之间是旋转电机，旋转电机的输出轴固定连接永磁体支架；第一传动轴左端与汽车的左侧驱动轮相连，第二传动轴右端与右侧驱动轮相连，实现汽车的驱动、缓速和差速功能。

Description

具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机及工作方法

技术领域

本发明涉及纯电动汽车领域，具体是一种用于纯电动汽车的双转子电机。

背景技术

传统的电动机一般只有一个定子和一个转子，无论是直流电动机、同步电动机还是异步电动机，都只有一个机械端口。近年来出现的双转子电机具有两个机械轴，可以实现两个机械轴能量的独立传递，这种新型电机具有结构紧凑、布置简单、控制灵活、成本低等优点，通过内、外两个电机的协调工作，在纯电动汽车上可以取代变速箱、起动机和发电机，减小了动力传动部分的体积和重量，提高了传动效率，较好地改善车辆的燃油经济性和排放性能。

缓速器是一种商用汽车行车制动的安全辅助装置，它将制动力作用到车辆传动部件上，起到降低汽车行驶速度的作用。目前使用广泛的缓速器是电涡流缓速器，它是利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能散发掉，从而实现减速和制动作用。电涡流缓速器具有响应时间短、工作时噪声很小、制动力矩大且制动力矩的大小可以通过控制励磁电流来调节、易实现自动控制、故障率低、维修方便、可靠性高等优点，但其具有体积大、重量大、耗电量大、散热差、持续工作时制动力矩衰退严重等缺点。

差速器在车辆直线行驶时，通过车轮转速传感器测量速度，将速度信号送入微机控制ECU系统，微机控制ECU系统比较左右两轮的转速，并通知电机控制器使左右车轮速度一致，且保证左右两车轮滚过相同的距离。车辆转向行驶时，欲使轮胎不发生滑移，需要保证驱动车轮相对旋转中心的角速度相等，根据方向盘给定的转角、路面状况和车轮实际转速，由微机控制ECU系统进行计算，将两轮所需的转速信号传送给电机控制器，实现对左右两车轮的差速控制。

双转子电机由一个定子和两个转子同轴心布置而成，定子固定在内外转子之间，内、外转子可以独立的绕定子转动，由电机控制器分别给内、外转子独立提供驱动电流，实现双转子电机内、外转子两个独立的转动模式。现有的这种双转子电机只是实现纯电动汽车的驱动功能，目前还没有出现将缓速功能及差速功能集成在双转子电机当中的结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有双转子结构的不足，提供一种具有缓速和差速功能的纯电动汽车用的双转子电机，结构构简单、易于控制、具有可调性。本发明同时还提供该双转子电机的工作方法，实现对车辆进行驱动功能的同时，还实现对车辆具有的辅助制动和差速的功能。

本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机所采用的技术方案是：包括左侧壳体和右侧壳体，在左侧壳体和右侧壳体之间设有内转子、内转子励磁线圈、外转子、外转子励磁线圈、永磁体以及永磁体支架，内转子、永磁体和外转子由内向外以同轴嵌套的形式布置，永磁体的左右两端固定连接永磁体支架；外转子内侧缠绕着外转子励磁线圈，外转子左端与左侧壳体固定连接、右端与右侧壳体固定连接；内转子外侧缠绕着内转子励磁线圈，内转子同轴固定套在第一传动轴右段上，第一传动轴左段穿过永磁体支架左端和左侧壳体，第一传动轴通过永磁体支架左支撑轴承与永磁体支架左端连接、通过左侧壳体支撑轴承与左侧壳体连接；第一传动轴的右侧是第二传动轴，第一传动轴与第二传动轴的中心轴共线，第二传动轴的中间段与右侧壳体固定连接，第二传动轴的左端通过永磁体支架右支撑轴承与永磁体支架右端连接；第一传动轴右端和永磁体支架右端之间是旋转电机，旋转电机的输出轴固定连接永磁体支架；内转子励磁线圈、外转子励磁线圈及旋转电机分别通过导线与电机控制器相连；第一传动轴左端通过左侧驱动桥与纯电动汽车的左侧驱动轮相连，第二传动轴右端通过右侧驱动桥与右侧驱动轮相连。

本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机的工作方法所采用的技术方案是包括：

A、电机控制器给旋转电机通入电流，外转子励磁线圈、内转子励磁线圈不通入电流，旋转电机转动，带动永磁体支架转动，永磁体随之转动，内转子、外转子在永磁体产生的旋转磁场的作用中做切割磁感线运动，产生感应电动势及感应电流，进而产生电磁转矩，带动固定连接的第一传动轴、第二传动轴转动，从而带动左侧驱动轮及右侧驱动轮转动，驱动汽车；

B、电机控制器给外转子励磁线圈及内转子励磁线圈通入电流，线圈产生的磁场与永磁体磁场方向相反，内转子、外转子的感应电动势及感应电流变小，电磁转矩也随之降低，通过作用于第一传动轴和第二传动轴对汽车辅助制动；

C、直线行驶时，电机控制器通过控制内转子励磁线圈和外转子励磁线圈中电流的大小，保证左右车轮速度一致；车辆转向行驶时，根据方向盘的转角信号、两前从动轮的转速和车轮直径获得两前从动轮的线速度，计算出实时车速，由电机控制器进行调速控制，对左右两驱动车轮进行差速控制。

本发明与现有的用于纯电动汽车的双转子电机的不同之处在于：

1、本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机安装在纯电动汽车驱动桥的中部，由旋转电机的转动带动永磁体的转动，在旋转电机的作用下，固定在永磁体支架上的永磁体旋转产生旋转的磁场，内、外转子在旋转磁场的作用下产生电磁转矩，带动车轮转动，驱动汽车行驶，保证了车辆基本的驱动功能。同时，内转子和永磁体组成内电机，外转子和永磁体组成外电机，通过控制通入内、外转子励磁线圈中电流的大小和方向，可使内、外电机产生变化的转矩，内、外转子励磁线圈在通电的情况下产生与永磁体磁场方向相反的磁场，消弱了永磁体的磁场强度，从来降低了内、外转子的转速，这样安装的好处是即使两侧驱动轮的制动力矩大小有所差别，但它们只承受部分的制动力矩，即只占整个制动力矩的很小部分，能够有效抑制因制动器的差异而形成制动跑偏的问题。同时，通过对车辆行驶过程中的转角信号、车速信号等各个运行参数进行测量，由差速原理计算得到各个驱动轮所需的理论转速，与电机转速传感器测得的车轮实际转速相比较后，通过车辆的控制系统ECU输入到电机控制器，电机控制器通过控制内转子励磁线圈与外转子励磁线圈中电流的大小和方向,对各个驱动轮的转速进行相应的调节，实现对左右两驱动车轮的差速控制，使车辆顺利转向。

2、本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机采用可与转子同时转动的冷却风扇散热，节约能源的同时解决了热衰退问题。

3、本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机中的励磁线圈为转动件，直接缠绕在双转子电机内、外转子上，转动的线圈受力均匀，易于动平衡，减少了装配的麻烦；辅助制动时产生的热量较少，改善了电涡流缓速和差速器散热差，持续工作时制动力矩衰退严重等缺点。

附图说明

图1是本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机的结构及控制示意图；

图2是图1所示双转子电机在纯电动汽车中的安装位置示意图；

图3是图1中永磁体增磁原理示意图（以外电机为例）；

图4是图1中永磁体弱磁原理示意图（以外电机为例）。

图中：1-第一传动轴，2-止推垫圈，3-左侧壳体支撑轴承，4-左侧壳体，5-内转子，6-内转子励磁线圈，7-第一连接键，8-内转子导磁板，9-第一螺钉，10-冷却风扇，11-右侧壳体，12-第二传动轴,13-第二连接键，14-右侧通风口，15-永磁体支架右支撑轴承，16-永磁体支架，17-外转子导磁板，18-永磁体导磁板，19-旋转电机，20-外转子，21-外转子励磁线圈，22-永磁体，23-第二螺钉，24-外层壳体，25-左侧通风口，26-阶梯轴，27-第三螺钉，28-电机控制器，29-永磁体支架左支撑轴承，30-左侧驱动轮，31-右侧驱动轮。

具体实施方式

参见图1，本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机包括左侧壳体4和右侧壳体11，左侧壳体4及右侧壳体11的最外层是外层壳体24，外层壳体24采用磁屏蔽材料。

在左侧壳体4和右侧壳体11之间设有内转子5、内转子励磁线圈6、外转子20、外转子励磁线圈21、永磁体22以及永磁体支架16。内转子5、永磁体22和外转子20由内向外以同轴嵌套的形式布置，永磁体22的左右两端均通过第三螺钉27固定在永磁体支架16上。

外转子20内侧缠绕着外转子励磁线圈21。外转子20左端通过第二螺钉23与左侧壳体4固定连接，外转子20右端通过第一螺钉9与右侧壳体11固定连接。外转子20的外径、左侧壳体4和右侧壳体11的外径均相等。

内转子5外侧缠绕着内转子励磁线圈6，内转子5同轴固定套在第一传动轴1右段上，通过第一连接键7与第一传动轴1连接。第一传动轴1左段穿过永磁体支架16左端和左侧壳体4，第一传动轴1通过永磁体支架左支撑轴承29与永磁体支架16左端连接、通过左侧壳体支撑轴承3与左侧壳体4连接。

第一传动轴1的左端上设有一个外径大于第一传动轴1外径的阶梯轴26，阶梯轴26位于左侧壳体4的左侧，在阶梯轴26和左侧壳体支撑轴承3之间安装止推垫圈2，止推垫圈2套在第一传动轴1上。

在第一传动轴1的右侧同轴布置第二传动轴12，第一传动轴1与第二传动轴12的中心轴共线。第二传动轴12的中间段通过第二连接键13与右侧壳体11固定连接。第二传动轴12的左端通过永磁体支架右支撑轴承15与永磁体支架16右端连接。

在第一传动轴1右端和永磁体支架16右端之间具有间隙，在该间隙处安装旋转电机19，旋转电机19的输出轴固定连接永磁体支架16，使旋转电机19的输出轴与永磁体支架16同轴固定，旋转电机19工作时带动永磁体支架16旋转，从而带动永磁体22旋转。

将内转子励磁线圈6、外转子励磁线圈21及旋转电机19分别通过导线与电机控制器28相连。电机控制器28分别通过导线控制着给外转子励磁线圈21、内转子励磁线圈6及旋转电机19通入电流，根据接收到的驱动、制动信号来控制电流的大小和方向，实现该双转子电机所具有的驱动功能（电动机工作状态）、辅助制动功能（缓速器工作状态）、差速功能（差速器工作状态）。

在永磁体支架16右端和右侧壳体11之间安装冷却风扇10，将冷却风扇10固定装在第二传动轴12上。第二传动轴12的右端上设有一个外径大于第一传动轴12外径的阶梯轴，该阶梯轴位于右侧壳体11的右侧，在该阶梯轴和右侧壳体11之间安装垫圈。

在内转子5及内转子励磁线圈6外部安装有内转子导磁板8，在永磁体22外部安装有永磁体导磁板18，在外转子20及外转子励磁线圈21外部安装有外转子导磁板17。在左侧壳体4上均匀分布左侧通风口25，右侧壳体11上均匀分布右侧通风口14。

永磁体22共有8个，沿第一传动轴1、第二传动轴12圆周方向均匀设置。永磁体支架16共有8对，左右对称，8对永磁体支架16沿第一传动轴1、第二传动轴12圆周方向均匀设置，每对永磁体支架16的外边缘处通过第三螺钉27固定连接一个永磁体22。

参见图2，图1所示的双转子电机安装在纯电动汽车中时，将第一传动轴1左端通过左侧驱动桥与纯电动汽车的左侧驱动轮30相连，第二传动轴12右端通过右侧驱动桥与纯电动汽车的右侧驱动轮31相连。电机控制器28通过控制连接纯电动汽车的微机控制ECU系统，微机控制ECU系统接收汽车的转角信号和车速信号，经处理后获得驱动、制动信号，将该驱动、制动信号输入电机控制器28，根据接收到的驱动、制动信号来控制外转子励磁线圈21、内转子励磁线圈6及旋转电机19。

本发明具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机工作时，能够实现纯电动汽车驱动、缓速和差速功能，驱动时电动机处于工作状态，缓速时处于辅助制动工作状态、差速时处于差速器工作状态。具体如下：

本发明双转子电机实现其驱动功能（电动机工作状态）时：车辆驱动时，电机控制器28给旋转电机19通入电流，此时外转子励磁线圈21、内转子励磁线圈6不通入电流，旋转电机19转动，带动永磁体支架16转动，永磁体22随之转动。此时，内转子5、外转子20在永磁体22产生的旋转磁场的作用中做切割磁感线运动，产生感应电动势及感应电流，进而产生电磁转矩，带动固定连接的第一传动轴1、第二传动轴12转动，转动的第一传动轴1、第二传动轴12通过左侧及右侧驱动桥带动与之刚性连接的左侧驱动轮30及右侧驱动轮31，给车辆提供基本的驱动力。驱动的效果可以通过调节外转子励磁线圈21和内转子励磁线圈6的电流的大小来控制。如图3所示，以外电机为例，假设永磁体22的磁场方向从左向右，当加速踏板发出加速信号时，电机控制器28控制给外转子励磁线圈21通入如图3所示方向电流，使外转子励磁线圈21产生的磁场与永磁体22磁场方向相同，起到增强永磁体22磁场的作用，外转子20的感应电动势及感应电流增大，外电机的电磁转矩随之增大，通过作用于第二传动轴12，为车辆提供更大的驱动力。同理，内电机工作时，由电机控制器28控制内转子励磁线圈6通入电流的原理与外电机工作原理雷同。

本发明双转子电机实现其缓速功能（辅助制动工作状态）时：车辆制动时，电机控制器28给外转子励磁线圈21及内转子励磁线圈6通入电流，通电线圈产生的磁场与永磁体22磁场方向相反，永磁体22的磁场强度被消弱，内转子5、外转子20的感应电动势及感应电流变小，电磁转矩也随之降低，通过作用第一传动轴1和第二传动轴12对汽车产生辅助制动作用。辅助制动的效果可以通过调节外转子励磁线圈21及内转子励磁线圈6电流的大小来控制。如图4所示，以外电机为例，假设永磁体22的磁场方向从左向右，制动时，电机控制器28控制给外转子励磁线圈21通入如图4所示方向电流，线圈产生的磁场与永磁体22磁场方向相反，消弱了永磁体22的磁场，外转子20的感应电动势及感应电流减小，外电机的电磁转矩随之降低，通过作用于第二传动轴12，起到辅助制动的作用。

本发明双转子电机实现其差速功能（差速器工作状态）时：车辆直线行驶时，通过车轮转速传感器测量速度，将车速信号送入微机控制ECU系统，微机控制ECU系统比较左右两轮的转速，并控制电机控制器28工作，电机控制器28通过控制内转子励磁线圈6和外转子励磁线圈21中电流的大小，保证左右车轮速度一致；车辆转向行驶时，欲使轮胎不发生滑移，需要保证驱动车轮相对旋转中心的角速度相等，方向盘的转角信号以及两前从动轮的转速可以通过相应位置的转向角度传感器和电机转速传感器获得，再与车轮直径结合即可获得两前从动轮的线速度，进而可以计算出实时车速。微机控制ECU系统根据各个信号按照既定的控制策略和差速计算公式计算出对各个驱动轮要求的速度值，作为驱动轮轮毂电机的速度指令，送入电机控制器28进行调速控制，实现对左右两驱动车轮的差速控制。

车辆转向时，以右侧驱动轮31为例，以外电机差速控制原理为例，微机控制ECU系统将驱动轮的实际转速与差速计算得到的理论转速进行比较：若右侧驱动轮31的实际转速小于理论转速，保持该双转子电机的电动机工作状态不变，同时通过电机控制器28控制给外转子励磁线圈21通入电流，保证通电的外转子励磁线圈21产生的磁场方向与永磁体22磁场方向相同（如图3所示），起到增强永磁体22磁场的作用，进而增大外电机电磁转矩，提高车辆的外电机转速，通过第二传动轴12提高右侧驱动轮31的转速，使其接近差速计算得到的理论转速，以实现车辆的顺利转向；若右侧驱动轮31的实际转速等于理论转速，仅保持该双转子电机的电动机工作状态不变，不做其他变化；若右侧驱动轮31的实际转速大于理论转速，保持该双转子电机的电动机工作状态不变，同时通过电机控制器28控制给外转子励磁线圈21通入电流，保证通电的外转子励磁线圈21产生的磁场方向与永磁体22磁场方向相反（如图4所示），起到消弱永磁体22磁场的作用，进而减小外电机电磁转矩，降低车辆的外电机转速，通过第二传动轴12降低右侧驱动轮31的转速，使其接近差速计算得到的理论转速，以实现车辆的顺利转向。内电机差速控制原理与外电机差速控制原理类似。

Claims (8)

1.一种具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机，包括左侧壳体（4）和右侧壳体（11），其特征是：在左侧壳体（4）和右侧壳体（11）之间设有内转子（5）、内转子励磁线圈（6）、外转子（20）、外转子励磁线圈（21）、永磁体（22）以及永磁体支架（16），内转子（5）、永磁体（22）和外转子（20）由内向外以同轴嵌套的形式布置，永磁体（22）的左右两端固定连接永磁体支架（16）；外转子（20）内侧缠绕着外转子励磁线圈（21），外转子（20）左端与左侧壳体（4）固定连接、右端与右侧壳体（11）固定连接；内转子（5）外侧缠绕着内转子励磁线圈（6），内转子（5）同轴固定套在第一传动轴（1）右段上，第一传动轴（1）左段穿过永磁体支架（16）左端和左侧壳体（4），第一传动轴（1）通过永磁体支架左支撑轴承（29）与永磁体支架（16）左端连接、通过左侧壳体支撑轴承（3）与左侧壳体（4）连接；第一传动轴（1）的右侧是第二传动轴（12），第一传动轴（1）与第二传动轴（12）的中心轴共线，第二传动轴（12）的中间段与右侧壳体（11）固定连接，第二传动轴（12）的左端通过永磁体支架右支撑轴承（15）与永磁体支架（16）右端连接；第一传动轴（1）右端和永磁体支架（16）右端之间是旋转电机（19），旋转电机（19）的输出轴固定连接永磁体支架（16）；内转子励磁线圈（6）、外转子励磁线圈（21）及旋转电机（19）分别通过导线与电机控制器（28）相连；第一传动轴（1）左端通过左侧驱动桥与纯电动汽车的左侧驱动轮（30）相连，第二传动轴（12）右端通过右侧驱动桥与右侧驱动轮（31）相连。

2.根据权利要求1所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机，其特征是：在永磁体支架（16）右端和右侧壳体（11）之间装有冷却风扇（10），冷却风扇（10）固定装在第二传动轴（12）上。

3.根据权利要求1所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机，其特征是：内转子（5）及内转子励磁线圈（6）外部装有内转子导磁板（8），永磁体（22）外部装有永磁体导磁板（18），外转子（20）及外转子励磁线圈（21）外部装有外转子导磁板（17）。

4.根据权利要求1所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机，其特征是：左侧壳体（4）上均匀分布有左侧通风口（25），右侧壳体（11）上均匀分布有右侧通风口（14）。

5.根据权利要求1所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机，其特征是：有8个永磁体（22）沿第一传动轴（1）、第二传动轴（12）的圆周方向均匀设置；永磁体支架（16）共有8对，左右对称，8对永磁体支架（16）沿第一传动轴（1）、第二传动轴（12）圆周方向均匀设置，每对永磁体支架（16）的外边缘处固定连接一个永磁体（22）。

6.根据权利要求1所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机，其特征是：第一传动轴（1）左端上设有一个外径大于第一传动轴（1）外径的阶梯轴（26），阶梯轴（26）位于左侧壳体（4）的左侧，在阶梯轴（26）和左侧壳体支撑轴承（3）之间装有套在第一传动轴（1）上的止推垫圈（2）。

7.一种如权利要求1所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机的工作方法，其特征是包括：

A、电机控制器（28）给旋转电机（19）通入电流，外转子励磁线圈（21）、内转子励磁线圈（6）不通入电流，旋转电机（19）转动，带动永磁体支架（16）转动，永磁体（22）随之转动，内转子（5）、外转子（20）在永磁体（22）产生的旋转磁场的作用中做切割磁感线运动，产生感应电动势及感应电流，产生电磁转矩，带动固定连接的第一传动轴（1）、第二传动轴（12）转动，从而带动左侧驱动轮（30）及右侧驱动轮（31）转动，驱动汽车；

B、电机控制器（28）给外转子励磁线圈（21）及内转子励磁线圈（6）通入电流，线圈产生的磁场与永磁体（22）磁场方向相反，内转子（5）、外转子（20）的感应电动势及感应电流变小，电磁转矩也随之降低，通过作用于第一传动轴（1）和第二传动轴（12）对汽车辅助制动；

C、直线行驶时，电机控制器（28）通过控制内转子励磁线圈（6）和外转子励磁线圈（21）中电流的大小，保证左右车轮速度一致；车辆转向行驶时，根据方向盘的转角信号、两前从动轮的转速和车轮直径获得两前从动轮的线速度，计算出实时车速，由电机控制器（28）进行调速控制，对左右两驱动车轮进行差速控制。

8.根据权利要求7所述具有缓速和差速功能纯电动汽车用双转子电机的工作方法，其特征是：步骤A中，通过调节外转子励磁线圈（21）和内转子励磁线圈（6）的电流的大小来调节驱动汽车的驱动力；步骤B中，通过调节外转子励磁线圈（21）及内转子励磁线圈（6）电流的大小来控制辅助制动的效果。