CN106685183B - 单侧调磁型径向集成式电气无级变速器 - Google Patents
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Abstract
单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，属于混合动力汽车领域，本发明为解决现有混合动力汽车中的复合结构电机存在结构复杂、体积较大、集成度低的问题。本发明方案：包括机壳、双绕组定子、永磁转子、调制环转子、调制环转子输出轴和永磁转子输出轴；永磁转子位于双绕组定子与调制环转子之间，永磁转子和双绕组定子之间存在径向气隙L1；永磁转子与调制环转子之间存在径向气隙L2；变速器具有两个独立的转轴，且两个轴的转矩转速完全独立，双绕组定子形成ps1极对数的旋转电枢磁场、ps2极对数的旋转电枢磁场，满足ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM。
Description
技术领域
本发明属于混合动力汽车领域。
背景技术
混合动力汽车是目前最具发展潜力和市场价值的新能源汽车。由于混合动力汽车能够很好的结合发动机技术和电驱动技术，因此混合动力汽车在燃油经济性和节能减排方面具有非常大的优势。
混合动力技术中主要包括两种，一种是以机械行星齿轮为核心的机械式混合动力系统(如Prius系统)，一种是以复合结构电机为核心的纯电气式混合动力系统。行星齿轮是一种精密的机械部件，因此机械式混合动力系统不可避免地会出现振动、噪声、磨损和定期维护等问题。相比之下，复合结构电机不仅无上述问题，而且具有结构简单、易于控制的优势。
复合结构电机中无刷复合结构电机方案具有更高的可靠性和实用价值，是该领域的热点研究方向。中国专利CN104377915A、CN104377916A和CN104377917A介绍了一类无刷复合电机方案，该类方案实际上是由一台无刷双转子电机和一个永磁同步电机串联构成的复合结构电机方案。尽管该方案实现了复合结构电机无刷化，但它也有结构复杂、体积较大、集成度低等缺点。
发明内容
本发明目的是为了解决现有混合动力汽车中的复合结构电机存在结构复杂、体积较大、集成度低的问题，提供了一种单侧调磁型径向集成式电气无级变速器。
本发明所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器包括机壳、双绕组定子、永磁转子、调制环转子、调制环转子输出轴和永磁转子输出轴；
双绕组定子固定在机壳的内圆表面上，双绕组定子内部由外向内依次设置有永磁转子和调制环转子；调制环转子固定在调制环转子输出轴上，调制环转子输出轴的一端通过第二轴承和第四轴承与永磁转子转动连接，调制环转子输出轴的另一端从机壳的一个端盖伸出，且通过第一轴承与机壳转动连接；
永磁转子位于双绕组定子与调制环转子之间，永磁转子输出轴的一端固定在永磁转子上，永磁转子输出轴的另一端从机壳的另一个端盖伸出，且通过第三轴承与机壳转动连接；
永磁转子和双绕组定子之间存在径向气隙L1；永磁转子与调制环转子之间存在径向气隙L2；永磁转子输出轴和调制环转子输出轴的轴线重合；
双绕组定子由定子铁心、第一定子绕组和第二定子绕组构成；第一定子绕组是一个m1相定子绕组，当第一定子绕组通有m1相交流电流时，会形成ps1极对数的旋转电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组是一个m2相定子绕组，当第二定子绕组通有m2相交流电流时，会形成ps2极对数的旋转电枢磁场，m2、ps2为正整数；
永磁转子极对数为pPM，pPM为正整数；
调制环转子由pm个突起单元和调制环转子铁心构成，pm为正整数；
且上述参数满足ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM，其中k是正整数，j是整数。
优选地，永磁转子由pPM个第一永磁体单元、pPM个第二永磁体单元和永磁转子支架构成；pPM个第一永磁体单元和pPM个第二永磁体单元沿圆周方向交错设置在永磁转子支架上；第一永磁体单元和第二永磁体单元为径向充磁或平行充磁，且二者的充磁方向相反。
优选地，永磁转子由pPM个第一永磁体单元、永磁转子支架和pPM个铁心单元构成；pPM个第一永磁体单元和pPM个铁心单元沿圆周方向交错设置在永磁转子支架上；第一永磁体单元为径向充磁或平行充磁，且相邻的第一永磁体单元充磁方向相同。
优选地，永磁转子包括pPM个第一永磁体单元、pPM个第二永磁体单元、pPM个铁心单元和永磁转子支架；第一永磁体单元和第二永磁体单元沿圆周方向间隔设置在永磁转子支架上；每相邻的第一永磁体单元和第二永磁体单元之间设置一个铁心单元、第一永磁体单元和第二永磁体单元的充磁方向为切向充磁，且二者充磁方向相反。
优选地，突起单元和调磁环转子铁心选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
优选地，pm个突起单元和调制环转子铁心为一体件或分立件，突起单元的形状随意。
本发明的优点：本发明的单侧调磁型径向集成式电气无级变速器具有两个独立的转轴，且两个轴的转矩转速完全独立，因此，本发明特别适合应用在电动汽车、风力发电、鱼雷推进等需要双转轴独立控制的场合。
本发明属于无刷结构方案，方案中没有电刷滑环机构，相比于现有的有刷复合结构电机方案而言，本发明的效率、可靠性得到明显提升。同时相比于现有的无刷复合结构方案而言，本发明具有明显的结构简单、体积小、集成度高等优势。
附图说明
图1是实施例一所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是实施例二所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图；
图5是实施例三所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器的结构示意图；
图6是图5的C-C剖视图；
图7是第一定子绕组的绕组排布示意图；
图8是第二定子绕组的绕组排布示意图。
具体实施方式
下面结合图1～图8对本发明作进一步说明。
混合动力汽车中的变速器采用复合结构电机现有技术中有一类无刷复合电机，如中国专利CN101938199B、CN101951088B和CN101924438B公开的方案，该类方案实际上是由一台无刷双转子电机和一个永磁同步电机串联构成的复合结构电机方案。尽管该方案实现了复合结构电机无刷化，但它也有结构复杂、体积较大、集成度低等缺点。本发明提出一种单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，本发明无级变速器具有两个独立的转轴，且两个轴的转矩转速完全独立，本发明属于无刷结构方案，方案中没有电刷滑环机构，相比于现有的有刷复合结构电机方案而言，本发明的效率、可靠性得到明显提升。
实施例一：
图1和图2为实施例一中的单侧调磁型径向集成式电气无级变速器的结构示意图。
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括机壳4、双绕组定子5、永磁转子6、调制环转子7、调制环转子输出轴1和永磁转子输出轴9；
双绕组定子5固定在机壳4的内圆表面上，双绕组定子5内部由外向内依次设置有永磁转子6和调制环转子7；调制环转子7固定在调制环转子输出轴1上，调制环转子输出轴1的一端通过第二轴承3和第四轴承10与永磁转子6转动连接，调制环转子输出轴1的另一端从机壳4的一个端盖伸出，且通过第一轴承2与机壳4转动连接；
永磁转子6位于双绕组定子5与调制环转子7之间，永磁转子输出轴9的一端固定在永磁转子6上，永磁转子输出轴9的另一端从机壳4的另一个端盖伸出，且通过第三轴承8与机壳4转动连接；
永磁转子6和双绕组定子5之间存在径向气隙L1；永磁转子6与调制环转子7之间存在径向气隙L2；永磁转子输出轴9和调制环转子输出轴1的轴线重合；
双绕组定子5由定子铁心5-3、第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2构成；第一定子绕组5-1是一个m1相定子绕组，当第一定子绕组5-1通有m1相交流电流时，会形成ps1极对数的旋转电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组5-2是一个m2相定子绕组，当第二定子绕组5-2通有m2相交流电流时，会形成ps2极对数的旋转电枢磁场，m2、ps2为正整数；
永磁转子6极对数为pPM，pPM为正整数；永磁转子6由pPM个第一永磁体单元6-1、pPM个第二永磁体单元6-2和永磁转子支架6-3构成；pPM个第一永磁体单元6-1和pPM个第二永磁体单元6-2沿圆周方向交错设置在永磁转子支架6-3上；第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2为径向充磁或平行充磁，且二者的充磁方向相反。
调制环转子7由pm个突起单元7-1和调制环转子铁心7-2构成，pm为正整数；
且上述参数满足ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM，其中k是正整数，j是整数。
为了说明本发明的工作原理，下面以图1、图2、图7和图8所示结构为例进行说明。
设永磁转子极对数为pPM，转速为ΩPM，初始相位角为θPM，则永磁转子所形成的永磁磁动势FPM(θ,t)可表示为
式中Fk——各次谐波磁动势幅值；
k——永磁磁动势谐波次数；
θ——机械角；
t——时间。
设调制环转子的导磁块数为pm，转速为Ωm，初始相位角为θm，则调制环转子作用下随时间变化的空间比磁导λ(θ,t)可表示为
式中λ0、λi——各次谐波比磁导幅值；
i——谐波比磁导次数。
永磁体磁动势在调制环转子作用下产生的永磁磁场可表示为
式中Bk——自然谐波磁场幅值，且Bk＝Fkλ0；
Bk,i——调制谐波磁场幅值，且Bk,i＝Fkλi。
由式(3)可知，永磁转子和调制环转子的共同作用下将会产生两类磁场。第一类为自然谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数和转速与永磁转子磁动势的极对数和转速相同，该类磁场的幅值为Bk。第二类为调制谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁转子极对数和调制环转子中导磁块数相关，它的磁场转速也与永磁转子和调制环转子二者的转速相关，该类磁场的幅值为Bk,i，如下：
pk，j＝|kpPM+jpm| (4)
j＝0,±1,±2,... (6)
式中pk,j、Ωk,j——调制谐波磁场的极对数和同步角速度。
根据机电能量转换原理可知，只有当两个磁场的极对数和转速相同情况下，才能产生恒定的转矩，从而实现机电能量转换。因此，将第一定子绕组5-1通过绕组排布设计成可产生与调制谐波磁场相同极对数和转速的电枢磁场。那么，第一定子绕组5-1、调制环转子和永磁转子就构成了磁场调制型的双转子电机，其具体工作原理与CN104377915A、CN104377916A和CN104377917A中所述的双转子电机方案的工作原理相同。在这种情况下，作用在调制环上的电磁转矩等于作用在定子和永磁转子的二者的电磁转矩之和，而且它们的电磁转矩方向相反。同时，调制环转子和永磁转子之间以及调制环转子和第一定子绕组5-1之间的转矩关系始终成一定比例。此外，第一定子绕组5-1产生的电枢磁场转速与调制谐波磁场转速相等，因此，可参考式(5)进行调速。因此，由第一定子绕组5-1、调制环转子和永磁转子相互作用下，调制环转子和永磁转子只能实现转速解耦，但他们之间的转矩仍然是耦合的。
进一步将第二定子绕组5-2通过绕组排布设计可产生与自然谐波磁场相同极对数和转速的电枢磁场。那么，第二定子绕组5-2和永磁转子就构成了一个永磁同步电机。此时，第二定子绕组5-2只与永磁转子作用产生转矩，而不与调制环转子产生转矩。此外，由于第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2产生的电枢磁场极对数不同，因此它们之间不会产生转矩，换言之，它们之间不会产生影响。因此，通过第二定子绕组5-2和永磁转子相互作用，可实现调制环转子和永磁转子的转矩解耦。
通过上述分析可知，调制环转子上的电磁转矩只与第一定子绕组5-1相关，调制环转子转速与第一定子绕组5-1的电枢磁场和永磁转子的转速相关；而永磁转子上电磁转矩不仅与第一定子绕组5-1相关，而且受第二定子绕组5-2的影响，同时永磁转子的转速只与第二定子绕组5-2的电枢磁场转速相同。因此，对于单侧调磁型径向集成式电气无级变速器来说，调制环转子的转矩转速与永磁转子的转矩转速完全独立，这就实现了从一个机械端口(调制环转子或永磁转子)到另一个机械端口(永磁转子或调制环转子)的无级变速功能。
相比CN104377915A、CN104377916A和CN104377917A中的无刷复合电机方案而言，本发明可省去这些方案中的转矩调节电机，因此，本方案要比这些方案结构简单、体积小、集成度高。
结合图1、图2、图7和图8，具体如下：
图1和图2中永磁转子的极对数是6，调制环转子中导磁块数是10。由式(4)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场。这些调制谐波磁场当中，通常是k＝1,j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说调制谐波磁场中4对极磁场幅值最大。因此，将第一定子绕组5-1通过绕组排布设计可产生4对极电枢磁场，如图7所示。并通过控制第一定子绕组5-1产生电枢磁场的转速与4对极调制谐波磁场的转速相同，从而使第一定子绕组5-1、调制环转子和永磁转子实现机电能量转换。
同时由式(4)也可知，气隙中会产生一系列的自然谐波磁场，这些自然谐波磁场当中，k＝1时对应的自然谐波磁场幅值最大，也就是说永磁转子产生6对极的自然谐波磁场幅值最大。因此，将第二定子绕组5-2通过绕组排布设计可产生6对极电枢磁场，如图8所示。并通过控制第二定子绕组5-2产生电枢磁场的转速与6对极自然谐波谐波磁场的转速相同，那么第二定子绕组5-2和永磁转子就可实现机电能量转换。
此外，由于第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2产生的电枢磁场极对数不同(一个是4对极电枢磁场，另一个是6对极电枢磁场)，根据机电能量转换原理，它们之间不会产生转矩。换言之，它们之间并不会互相影响。最终的效果相当于，第一定子绕组5-1、调制环转子和永磁转子是一个双转子电机；而第二定子绕组5-2和永磁转子相当于传统的永磁同步电机。这样，通过第一定子绕组5-1的控制可实现调制环转子和永磁转子转速解耦，但二者的转矩是耦合(不是独立的)的；进一步通过第二定子绕组5-2的控制可实现调制环转子和永磁转子之间的转矩解耦。从而实现了调制环转子和永磁转子之间转矩转速的完全解耦。而在混合动力系统中，恰恰需要连接发动机和车辆负载间的两个转轴的转矩转速完全解耦。但本发明的特点是比以往的无刷复合结构电机(一个无刷双转子电机和一个传统的电机简单串联实现)结构简单紧凑、集成度高得多。
实施例二：
图3和图4为实施例二中的单侧调磁型径向集成式电气无级变速器的结构示意图。
与实施例一不同之处仅在于：永磁转子6由pPM个第一永磁体单元6-1、永磁转子支架6-3和pPM个铁心单元6-4构成；pPM个第一永磁体单元6-1和pPM个铁心单元6-4沿圆周方向交错设置在永磁转子支架6-3上；第一永磁体单元6-1为径向充磁或平行充磁，且相邻的第一永磁体单元6-1充磁方向相同。
第一永磁体单元6-1的充磁方向为径向充磁或平行充磁。
铁心单元6-4为硅钢片或实心铁。
本实施例的优点是在同样极对数的永磁磁场下，节省了一半的永磁体用量。
实施例三：
图5和图6为实施例三中的单侧调磁型径向集成式电气无级变速器的结构示意图。
与实施例一不同之处仅在于：永磁转子6包括pPM个第一永磁体单元6-1、pPM个第二永磁体单元6-2、pPM个铁心单元6-4和永磁转子支架6-3；第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2沿圆周方向间隔设置在永磁转子支架6-3上；每相邻的第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2之间设置一个铁心单元6-4、第一永磁体单元6-1和第二永磁体单元6-2的充磁方向为切向充磁，且二者充磁方向相反。
本实施方式中永磁转子属于聚磁结构，在永磁转子相邻永磁体的并联作用下，使得在每极磁场下有两块永磁体对气隙提供磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。
Claims (10)
1.单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，包括机壳(4)、双绕组定子(5)、永磁转子(6)、调制环转子(7)、调制环转子输出轴(1)和永磁转子输出轴(9)；
双绕组定子(5)固定在机壳(4)的内圆表面上，双绕组定子(5)内部由外向内依次设置有永磁转子(6)和调制环转子(7)；调制环转子(7)固定在调制环转子输出轴(1)上，调制环转子输出轴(1)的一端通过第二轴承(3)和第四轴承(10)与永磁转子(6)转动连接，调制环转子输出轴(1)的另一端从机壳(4)的一个端盖伸出，且通过第一轴承(2)与机壳(4)转动连接；
永磁转子(6)位于双绕组定子(5)与调制环转子(7)之间，永磁转子输出轴(9)的一端固定在永磁转子(6)上，永磁转子输出轴(9)的另一端从机壳(4)的另一个端盖伸出，且通过第三轴承(8)与机壳(4)转动连接；
永磁转子(6)和双绕组定子(5)之间存在径向气隙L1；永磁转子(6)与调制环转子(7)之间存在径向气隙L2；永磁转子输出轴(9)和调制环转子输出轴(1)的轴线重合；
双绕组定子(5)由定子铁心(5-3)、第一定子绕组(5-1)和第二定子绕组(5-2)构成；第一定子绕组(5-1)是一个m1相定子绕组，当第一定子绕组(5-1)通有m1相交流电流时，会形成ps1极对数的旋转电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组(5-2)是一个m2相定子绕组，当第二定子绕组(5-2)通有m2相交流电流时，会形成ps2极对数的旋转电枢磁场，m2、ps2为正整数；
永磁转子(6)极对数为pPM，pPM为正整数；
调制环转子(7)由pm个突起单元(7-1)和调制环转子铁心(7-2)构成，pm为正整数；
且上述参数满足ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM，其中k是正整数，j是整数；
第一定子绕组(5-1)产生与调制谐波磁场相同极对数和转速的电枢磁场，第一定子绕组(5-1)、调制环转子(7)和永磁转子(6)构成磁场调制型的双转子电机；
第二定子绕组(5-2)产生与自然谐波磁场相同极对数和转速的电枢磁场，第二定子绕组(5-2)和永磁转子(6)构成永磁同步电机。
2.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，永磁转子(6)由pPM个第一永磁体单元(6-1)、pPM个第二永磁体单元(6-2)和永磁转子支架(6-3)构成；pPM个第一永磁体单元(6-1)和pPM个第二永磁体单元(6-2)沿圆周方向交错设置在永磁转子支架(6-3)上；第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)为径向充磁或平行充磁，且二者的充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，永磁转子(6)由pPM个第一永磁体单元(6-1)、永磁转子支架(6-3)和pPM个铁心单元(6-4)构成；pPM个第一永磁体单元(6-1)和pPM个铁心单元(6-4)沿圆周方向交错设置在永磁转子支架(6-3)上；第一永磁体单元(6-1)为径向充磁，且相邻的第一永磁体单元(6-1)充磁方向相同。
4.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，永磁转子(6)包括pPM个第一永磁体单元(6-1)、永磁转子支架(6-3)和pPM个铁心单元(6-4)构成；pPM个第一永磁体单元(6-1)和pPM个铁心单元(6-4)沿圆周方向交错设置在永磁转子支架(6-3)上；第一永磁体单元(6-1)为平行充磁，且相邻的第一永磁体单元(6-1)充磁方向相同。
5.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，永磁转子(6)包括pPM个第一永磁体单元(6-1)、pPM个第二永磁体单元(6-2)、pPM个铁心单元(6-4)和永磁转子支架(6-3)；第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)沿圆周方向间隔设置在永磁转子支架(6-3)上；每相邻的第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)之间设置一个铁心单元(6-4)、第一永磁体单元(6-1)和第二永磁体单元(6-2)的充磁方向为切向充磁，且二者充磁方向相反。
6.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，突起单元(7-1)和调制环转子铁心(7-2)选用软磁复合材料。
7.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，突起单元(7-1)和调制环转子铁心(7-2)选用硅钢片。
8.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，突起单元(7-1)和调制环转子铁心(7-2)选用实心铁。
9.根据权利要求1所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，突起单元(7-1)和调制环转子铁心(7-2)选用软磁铁氧体。
10.根据权利要求1、6、7、8或9所述单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，其特征在于，pm个突起单元(7-1)和调制环转子铁心(7-2)为一体件或分立件，突起单元(7-1)的形状随意。
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