CN105978268B - 一种混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车用的调制式无刷永磁双转子电机，包括机座、机座内从外至内依次设置有定子、调磁环转子、永磁转子、内定子、输出轴，调磁环转子连至调磁环转子输出轴直接驱动车轮；永磁转子中的永磁体采用径向充磁、相邻永磁体极性相异；定子和内定子上放置的绕组均为三相分布或集中绕组；调磁环转子由导磁材料和非导磁材料沿圆周方向均匀交错组成。本发明结合基于磁场调制的同心式磁齿轮设计，将调制式电机引入混合动力合成系统，实现混合动力的耦合及分配、车辆的无级变速的同时，去除电刷集电环组合并替换现有系统中部分机械齿轮，径向同心式排布的结构提高了空间利用率，提高了电机的功率密度、系统的传动效率以及运行可靠性。

Description

一种混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机
技术领域
本发明是关于一种混合动力汽车用的调制式无刷永磁双转子电机的本体设计技术，属于汽车电机领域，涉及电机本体设计及其工作原理的技术领域。
背景技术
在混合动力电动汽车应用领域，动力耦合分配装置是其核心部件之一。针对混合动力汽车中功率分配合成、无极调速等应用特点，现有技术中尚需解决的问题有：1、机械式动力混合装置中存在的噪音及维护不便的缺点；2、电磁式混合动力耦合装置中的双转子电机的无刷化；3、系统结构优化和运行可靠性的提升。
目前市场应用最广泛的混合动力车型——日本Puris，采用的是行星齿轮及变速箱组合，实现蓄电池组和内燃机两组能源的耦合及分配，这种机械式动力混合装置难免存在噪音及维护不便的缺点。采用双转子电机为核心部件的电磁式混合动力耦合装置，可以避免上述机械式动力混合装置的缺点，且可以实现动力的耦合和车辆的无级变速。在HEV应用中，双转子电机中的内转子输出轴通常与发动机相连，而另一个转子连接至输出驱动轴，两个转轴的转速和输出转矩都是彼此独立且可调的，通过控制双转子电机的两套电枢绕组，利用电磁耦合达到机械功率与电功率的高效合成以及无级调速的功能。本发明是关于电磁式混合动力耦合装置中的双转子电机。应用于混合动力汽车领域的双转子电机需要具有宽调速范围、高转矩密度的特点，另外对电机的可靠性、效率、体积等均有严格的要求。因此，在提倡节能减排、绿色环保的要求下，设计适合于混合动力汽车领域的电机很有需要。
专利CN1945939《双机械端口电机及其驱动控制系统》，美国专利US2004026143，WO0034066和欧洲专利EP1481463等涉及的电机均具有一个定子和两个转子的双转子电机主要特征。上述双转子电机中，由于内转子的旋转，这类双转子电机需要采用电刷集电环组合把电流从静止的系统传输到旋转的系统，造成系统运行效率下降，可靠性降低以及维护不便等弊端。专利CN201410757491.4《径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器》提出的电磁行星齿轮功率分配器，采用了轴向并列放置的径向调制式双转子电机和径向转矩调节电机，使得混合动力系统用双转子电机实现了无刷化，然而该类复合结构的双转子电机，轴向刚性相连的两个部件的功率密度和功率密度不完全一样，但采用了相同尺寸的外壳，会造成部分空间的浪费，进一步降低了整个电机系统的功率密度或转矩密度，也使电机运行可靠度下降。
发明内容
本发明目的是针对上述技术问题，提供一种混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机，应用于混合动力合成系统，去除现有系统中的电刷集电环组合，替换部分机械齿轮，以提高整个系统的效率和工作可靠性，适合用于混合动力汽车领域。
本发明的目的是这样实现的，一种混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机，包括机座；其特征在于：所述机座内从外至内依次设置有定子、调磁环转子、永磁转子、内定子、输出轴，其中，输出轴包括永磁转子输出轴、调磁环转子输出轴；机座壳体上设有第一轴承、第二轴承，所述永磁转子输出轴通过第一轴承与机座连接，且一端经第一轴承伸出机座，另一端置于机座内；所述调磁环转子输出轴通过第二轴承与机座连接，且一端经第二轴承伸出机座，另一端置于机座内；
所述定子固定在机座上, 定子内圆表面开有沿圆周方向均匀分布的槽，槽内嵌入有定子绕组；所述调磁环转子固定于调磁环转子输出轴上，且调磁环转子上设有第三轴承，置于机座内的永磁转子输出轴一端通过第三轴承与调磁环转子连接；所述永磁转子固定在永磁转子输出轴上；
所述内定子外圆表面开有沿圆周方向均匀分布的槽，槽内嵌入有内定子绕组；内定子固定于机座上，且内定子上设有第四轴承和第五轴承，置于机座内的永磁转子输出轴通过第四轴承和第五轴承与内定子连接。
所述定子绕组为三相分布或集中定子绕组。
所述调磁环转子由导磁块和非导磁块沿圆周方向交错排列构成。
所述永磁转子由径向充磁的永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列构成，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反。
所述内定子绕组为三相分布或集中内定子绕组。
本发明结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本发明，本发明所述的混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机的技术方案为：
（1）所述混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机包括机座、设置在机座内的从外至内的绕有定子绕组的定子、调磁环转子、永磁转子、绕有内定子绕组的内定子；定子和调磁环转子间气隙L1，调磁环转子和永磁转子间气隙L2，永磁转子和内定子间气隙L3；永磁转子输出轴与内燃机相连，调磁环转子连至调磁环转子输出轴直接驱动车轮。
（2）永磁转子中的永磁体采用径向充磁、相邻永磁体极性相异，极对数n。
（3）定子和内定子上放置的绕组均为三相分布或集中绕组，通有3相对称交流电流时，分别形成2p、2n极数的旋转磁场。
（4）调磁环转子由q块导磁材料和q块非导磁材料（如环氧等）沿圆周方向均匀交错组成，起到调制定子、永磁转子磁场的作用。
（5）满足p =∣hn + kq∣，其中，h和k为正整数。
通过本发明，为了解决传统永磁电机稀土永磁用量大、气隙磁场难以调节、调速范围窄的问题，提供一种采用组合励磁源、转子结构简单，具有高效率、高转矩密度、宽调速运行范围的少稀土类组合励磁型定转子双分区可调磁通永磁电机，适用于电动汽车驱动领域。本发明，克服了现有技术的缺点，这种电机结合基于磁场调制的同心式磁齿轮设计，将调制式电机引入混合动力合成系统，实现混合动力的耦合及分配、车辆的无极调速，去除了电刷集电环组合，径向同心式排布的结构有效利用了电机内部空间，提高了电机的功率密度和整个系统的效率以及工作可靠性。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明提供的混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机，结合基于磁场调制的同心式磁齿轮设计，将调制式电机引入混合动力合成系统，可以实现混合动力汽车中功率流的合成和双向流动、车辆的无级变速。发动机驱动永磁转子旋转时，通过调节定子绕组电流频率，改变调磁环转子的转速，使得内燃机的转速独立于车速；控制内定子绕组电流调节永磁转子电磁转矩，改变调磁环转子输出转矩，满足不同路况需求。另外，径向同心式排布的结构提高了空间利用率，提高了电机的功率密度、系统的传动效率以及运行可靠性。
附图说明
图1为混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机结构示意图；
图2为混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机横截面结构示意图；
其中：1机座、2定子、2-1定子绕组、3调磁环转子、3-1导磁块、3-2非导磁块、4永磁转子、5内定子、5-1内定子绕组、6永磁转子输出轴、7调磁环转子输出轴、8第一轴承、9第四轴承、10第五轴承、11第三轴承、12第二轴承。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
参见图1和图2，本实施方式包括机座定子1、调磁环转子2、永磁转子3、永磁转子4、内定子5、永磁转子输出轴6、调磁环转子输出轴7；
定子2固定在机座1上，调磁环转子3位于定子2和永磁转子4之间，调磁环转子3固定于调磁环转子输出轴7上，调磁环转子输出轴7通过第二轴承12与机座1连接；永磁转子4固定在永磁转子输出轴6上，永磁转子输出轴6通过第一轴承8与机座1连接，通过第三轴承11与调磁环转子3连接；内定子5固定于机座1，内定子5通过第四轴承9和第五轴承10与永磁转子输出轴6连接；
定子2内圆表面开槽，沿圆周方向均匀分布，槽内嵌入三相分布或集中定子绕组2-1，通有三相对称交流电时，形成2p极数的旋转磁场，其中p皆为正整数；
永磁转子4由2n个径向充磁的永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列构成，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反，永磁内转子旋转时，形成2n极数的永磁转子磁场，其中n为正整数；
内定子5外圆表面开槽，沿圆周方向均匀分布，槽内嵌入三相分布或集中内定子绕组5-1，通入三相对称交流电时，形成2n极数的旋转磁场；
调磁环转子3由q块导磁块和q块非导磁块沿圆周方向交错排列构成；
以上参数满足关系式p =∣hn + kq∣，其中，h=1, 3, 5,….；k=0, ±1, ±2, ±3,….。
本实施方式以图1和图2所示结构为例说明本发明的工作原理：
发动机通过永磁转子输出轴6驱动永磁转子4旋转，输出转矩T1作用在永磁转子4上，转速ω1；
内定子绕组5-1通入三相对称交流电流，产生2n极数的内定子旋转磁场，转速ω1，输出电磁转矩T2作用在永磁转子4上；
定子绕组2-1通入三相对称交流电流，产生的2p极数的旋转磁场，转速为ω2，所述磁场通过调制环转子3的调制作用后，在贴近永磁转子4一侧的气隙L2中产生2n极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的调制转矩T3作用在永磁内转子4上；
由力矩平衡可知，T1±T2=T3;
由作用力与反作用力的原理，可知存在与T3大小相等方向相反的的力矩T3’作用在调磁环转子3上；
同时，所述永磁转子4旋转产生的旋转磁场通过调磁环转子的调制作用，在贴近定子2一侧的气隙L1中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转磁场相互作用，生成调制转矩T4作用于定子2；
由作用力与反作用力的原理，可知存在与T4大小相等方向相反的的力矩T4’作用在调磁环转子3上；
于是，调磁环转子3输出转矩T5= T3’+ T4’，调磁环转子输出轴7以转矩T5驱动车辆负载，转速为ω3；
根据磁场调制原理，可推导所述转速满足关系式：∣hn + kq∣ω2 = hnω1 + kqω3；
综上，本发明所述混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机，当发动机驱动永磁转子保持转速ω1、转矩T1不变的情况下，通过调节定子旋转磁场的转速ω2，可以实现调磁环转子的转速ω3，通过调节内定子绕组电枢电流，可以实现调磁环转子输出转矩T5，从而实现发动机的始终高效运行，同时实现混合动力的耦合输出。
本发明提供一种混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机，结合基于磁场调制的同心式磁齿轮设计，将调制式电机引入混合动力合成系统，实现混合动力的耦合及分配、车辆的无极调速，去除了电刷集电环组合，径向同心式排布的结构有效利用了电机内部空间，提高了电机的功率密度和整个系统的效率以及工作可靠性。在混合动力汽车等新能源汽车驱动领域，具有良好的潜在市场前景。

Claims (2)

1.一种混合动力汽车用调制式无刷永磁双转子电机，包括机座（1）；其特征在于：所述机座（1）内从外至内依次设置有定子（2）、调磁环转子（3）、永磁转子（4）、内定子（5）、输出轴，其中，输出轴包括永磁转子输出轴（6）、调磁环转子输出轴（7）；机座（1）壳体上设有第一轴承（8）、第二轴承（12），所述永磁转子输出轴（6）通过第一轴承（8）与机座（1）连接，且一端经第一轴承（8）伸出机座（1），另一端置于机座（1）内；所述调磁环转子输出轴（7）通过第二轴承（12）与机座（1）连接，且一端经第二轴承（12）伸出机座（1），另一端置于机座（1）内；
所述定子(2)固定在机座(1)上, 定子(2)内圆表面开有沿圆周方向均匀分布的槽，槽内嵌入有定子绕组（2-1）；所述调磁环转子（3）固定于调磁环转子输出轴（7）上，且调磁环转子（3）上设有第三轴承（11），置于机座（1）内的永磁转子输出轴（6）一端通过第三轴承（11）与调磁环转子（3）连接；所述永磁转子（4）固定在永磁转子输出轴（6）上；
所述内定子（5）外圆表面开有沿圆周方向均匀分布的槽，槽内嵌入有内定子绕组（5-1）；内定子（5）固定于机座（1）上，且内定子（5）上设有第四轴承（9）和第五轴承（10），置于机座（1）内的永磁转子输出轴（6）通过第四轴承（9）和第五轴承（10）与内定子（5）连接；
所述定子（2）和调磁环转子（3）间气隙L1，调磁环转子（3）和永磁转子（4）间气隙L2，永磁转子（4）和内定子间（5）气隙L3；永磁转子输出轴（6）与内燃机相连，调磁环转子（3）连至调磁环转子输出轴（7）直接驱动车轮；
所述永磁转子（4）中的永磁体采用径向充磁、相邻永磁体极性相异，极对数n；定子（2）上放置的定子绕组（2-1）均为三相分布或集中定子绕组；内定子（5）上放置的内定子绕组（5-1）为三相分布或集中内定子绕组；定子（2）、内定子（5）通有3相对称交流电流时，分别形成2p、2n极数的旋转磁场；调磁环转子（3）由q块导磁块（3-1）和q块非导磁块（3-2）沿圆周方向均匀交错组成，起到调制定子（2）、永磁转子（4）磁场的作用；
满足p =∣hn + kq∣，其中，h和k为正整数。
2.根据权利要求1所述的调制式无刷永磁双转子电机，其特征在于：所述永磁转子（4）由径向充磁的永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列构成，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反。
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