CN107070144B - 一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机，包括第一定子、第二定子、永磁转子、第一调制环转子以及第二调制环转子；其中，永磁转子内嵌有沿切向充磁的2q个永磁体，且两个相邻的永磁体的充磁方向相反；第一调制环转子与第二调制环转子均由n个导磁块和n个非导磁块沿圆周方向相间排列构成；同时第一调制环转子的导磁块与第二调制环转子的非导磁块对齐。本发明中通过相错放置的调制环转子与内嵌式切向充磁的永磁转子的合理排布，减小漏磁增强主磁通，同时提高气隙磁密，有效提高磁场调制双机械端口电机的功率因数和功率密度。

Description

一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机。

背景技术

混合动力汽车是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，因其具有低能耗、高性能的优点，受到各界的关注和青睐。1997年丰田公司发布第一款量产混合动力汽车Prius，并在之后不断推出新版本，出色的性能使其大获成功。

混合动力汽车的关键技术在于混合动力系统。作为最成功的商业化混合动力汽车，Prius虽然在不断推出新版本车型，但是混合动力系统的构架基本不变。丰田Prius的混合动力系统由两台电机、行星齿轮箱、发动机、主减速器和蓄电池组成，其基本结构如图1所示。图中实线代表机械连接，虚线代表电气连接，行星齿轮箱的三个端口机械转速存在两个自由度。通过控制电机2的转速可以实现负载与发动机之间的转速解耦；而电机1与齿圈机械连接同速旋转，通过改变电机1运行工况提供额外转矩分量，实现负载与发动机的转矩解耦。最终达到无级变速的目的并实现动力的合成与分离。通过上述结构，发动机的工作状态完全独立于车辆运行工况，因而发动机可保持在最佳工作区域，完全由电机控制车辆的运行，这使得Prius具有低能耗、高效率且性能优异的特点。但由于行星齿轮箱为纯机械装置，不可避免地存在机械传动损耗、振动噪声、润滑要求高以及维护困难等问题。此外，行星齿轮箱为精密的机械装置，加工较为复杂，对加工工艺要求极高，整个系统结构复杂，装配难度高。因而电气变速装置被视为下一代混合动力汽车的关键技术。

电气变速装置往往由两台传统永磁电机复合而成，其中一台为单转子结构，另一台为双转子结构，其中双转子电机利用滑环、电刷结构将交流电引入电枢转子，这种结构不可避免地存在粉尘、磨损以及电枢绕组难以冷却等问题。为克服这一缺陷，有学者采用磁场调制电机与传统永磁同步电机进行机械耦合的方式搭建混合动力系统。其关键部分轴向磁场电磁行星齿轮功率变速器如图2所示。由于磁场调制电机的调制环转子、永磁转子和定子磁场的电磁转矩、转速关系与行星齿轮箱的端口特性相似，因而磁场调制电机技术可以实现转速解耦，最终整个系统可以实现电气无级变速与动力合成。

由于磁场调制电机本质原理所限以及为取得较大的转矩输出的考虑，其永磁转子极对数一般取值较大，造成的磁钢极间漏磁远大于传统电机，加之双机械端口结构带来的多层气隙结构进一步降低主磁通大小，使得双机械端口磁场调制电机的功率因数远低于同定子极数的传统永磁电机。过低的功率因数意味着磁场调制电机需要配备远大于系统输出功率的逆变器，这大大增加了电机系统成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机，旨在解决由于现有双机械端口永磁电机主磁通较小，漏磁大导致双机械端口永磁电机的功率因数过低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机，第一定子、第二定子、永磁转子、第一调制环转子以及第二调制环转子；

第一定子和第二定子结构相同，且第一定子的电枢绕组的极对数与第二定子的电枢绕组的极对数均为p；

永磁转子内嵌有沿切向充磁的2q个永磁体，且两个相邻的永磁体的充磁方向相反；

第一调制环转子与第二调制环转子均由n个导磁块和n个非导磁块沿圆周方向相间排列构成；且第一调制环转子的导磁块与第二调制环转子的非导磁块对齐。

本发明提供的基于磁场调制的双机械端口永磁电机，由于永磁转子中采用内嵌式切向充磁永磁体结构，同时第一调制环转子与第二调制环转子在圆周方向错开半个极距，使得磁力线极少沿切向穿出导磁块，且磁力线穿越的气隙层数减少，等效气隙较短，因而主磁路的磁导较大。从磁力线分布可知，本发明提供的双机械端口永磁电机有效地减小了极间漏磁，使得主磁通分量增大。此外，内嵌式切向充磁永磁具有良好的聚磁效果，所以可以进一步提升气隙主磁通。因此，本发明所提出的永磁转子构造大大增强了主磁通，减弱了磁场调制电机多极转子带来的漏磁问题，能有效提升功率因数。

优选地，第一定子的电枢绕组的极对数p、永磁转子的极对数q和第一调制环转子的导磁块数量n满足公式n＝p+q。

作为本发明的另一方面，本发明提出了一种电气变速装置，包括：

双机械端口永磁电机，用于实现电气调速装置的输出转速与输入转速解耦；以及

旋转电机，用于输出附加转矩，实现电气调速装置的输出转矩与输入转矩解耦；

旋转电机的转轴一端与双机械端口永磁电机的第一机械端口刚性连接；旋转电机的转轴另一端作为电气变速装置的输出端，双机械端口永磁电机的第二机械端口作为电气变速装置的输入端；

电气变速装置输出端转矩为双机械端口永磁电机第二机械端口输出转矩与旋转电机输出附加转矩之和；通过调整旋转电机输出附加转矩实现电气变速装置输入端转矩与输出端转矩解耦。

优选地，旋转电机为永磁电机或三相异步电机。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、提出多盘式磁场调制的双机械端口永磁电机结构，通过相错放置的调制环转子与内嵌式切向充磁的永磁转子的合理排布，减小漏磁增强主磁通，有效提高双机械端口磁场调制电机功率因数，降低控制系统成本。

2、永磁转子采用内嵌式切向充磁磁钢，增大永磁转子磁钢放置空间，提高气隙磁密，而转矩大小又正比于电机磁负荷，使得电机还具有高功率密度特点，可进一步减小混合动力系统的体积。

3、基于上述磁场调制电机结构提出电气调速装置，通过两台电机配合实现电气无级变速，相较于现有的行星齿轮箱的混合动力系统，能够大大简化混合动力系统的结构，缩小系统体积，降低系统成本。

附图说明

图1为现有的Prius混合动力系统的结构示意图；

图2为现有的双机械端口电机的结构示意图；

图3为本发明提供的基于磁场调制的双机械端口永磁电机的结构示意图；

图4为本发明提供的基于磁场调制的双机械端口永磁电机的结构爆炸图；

图5为本发明提供的基于磁场调制的双机械端口永磁电机的二维等效结构图；

图6为现有电机的空载磁力线分布与本发明中的双机械端口永磁电机空载磁力线分布对比图，其中，图6(a)为现有电机的空载磁力线分布，图6(b)为本发明中的双机械端口永磁电机空载磁力线分布；

图7为本发明提供的电气调速装置的结构示意图；

其中，1双机械端口永磁电机，11为第一定子，12为第二定子，13为第一调制环转子，14为第二调制环转子，15为永磁转子，2为离合器，3为旋转电机，31为旋转电机的定子，32为旋转电机的转子，4为制动器，5为主减速箱，6为曲轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3本发明提供的基于磁场调制的双机械端口永磁电机的结构示意图，该双机械端口永磁电机包括第一定子11、第二定子12、第一调制环转子13、第二调制环转子14以及永磁转子15。第一定子11、第二定子12以及永磁转子15同轴布置，且永磁转子15位于第一定子11与第二定子12之间。第一调制环转子13、第二调制环转子14以及永磁转子15同轴布置，且第一调制环转子13位于第一定子11与永磁转子15之间，第二调制环转子14位于第二定子12与永磁转子15之间，第一调制环转子13与第二调制环转子14之间刚性连接。

图4为本发明提供的基于磁场调制的双机械端口永磁电机的结构爆炸图，永磁转子15为在永磁转子支架内嵌有切向充磁永磁体的结构，永磁转子支架为导磁材料，第一调制环转子13与第二调制环转子14均为由n个导磁块与n个非导磁块沿圆周方向相间排列构成，且第一调制环转子13与第二调制环转子14在圆周方向相错半个极距。即第一调制环转子的非导磁块与第二调制环转子的调制块对齐。第一定子11与第二定子12的结构可以根据需求改变，如槽型、绕组排布方式，不仅限于示意图中结构。

将双机械端口永磁电机视为许多圆环叠加，并沿圆周方向展开，其二维等效结构如图5所示。图中略去绕组表示，实际中第一定子11与第二定子12的开槽内放置绕组。从图中可以清晰看到第一调制环转子的调制块131和第一调制环转子的调制块141相错排布结构。图中箭头表示永磁体的充磁方向，与常见的表贴式永磁转子不同，本发明所提电机结构的磁钢为切向充磁，内嵌有沿切向充磁的2q个永磁体151，且两个相邻的永磁体的充磁方向相反，永磁转子15的极对数为q；永磁转子支架为导磁材料。

第一定子电枢磁场的和第二定子电枢磁场的极对数均为p，两定子处于静止状态，定子电枢绕组中通入交流电产生旋转的电枢磁场，且第一定子的电枢磁场的转速与第二定子的电枢磁场的转速相等；永磁转子15处于旋转状态，产生与电枢磁场极对数、转速均不相同的永磁磁场；电枢磁场经第一调制环转子13与第二调制环转子14的磁场调制作用，在靠近永磁转子的气隙中变为与永磁磁场极对数相同且同速旋转的气隙磁场，从而产生稳定的转矩，实现稳定的功率传输。第一调制环转子(或第二调制环转子)可静止，也可以一定速度旋转。

第一定子电枢磁场的极对数p(或第一定子电枢磁场的极对数)，永磁转子磁场极对数q以及第一调制环转子导磁块单元数(或第二调制环转子导磁块单元数)n应该满足如下等式：

n＝p+q (1)

即当第一定子的电枢磁场极对数p和永磁磁场极对数q之和等于第一调制环转子(或第二调制环转子)中导磁块的数量n即可满足磁场调制原理。

第一定子的电枢磁场(第二定字的电枢磁场)的转速Ω₁、第一调制环转子的转速Ω₂(或第二调制环转子的转速)和永磁转子的转速Ω₃满足公式：

pΩ₁+qΩ₃＝nΩ₂ (2)

可知本发明提供的双机械端口永磁电机中转速有两个自由度，即永磁转子的转速由第一定子的电枢磁场(或第二定子的电枢磁场)的转速和第一调制环转子(或第二调制环转子)转速共同决定，通过调节定子电枢磁场的转速可以实现调制环转子与永磁转子的转速解耦。

定子电枢磁场的转矩T₁、第一调制环转子的转矩T₂(或第二调制环转子的转矩)和永磁转子的转矩T₃满足如下公式：

可知本发明提供的双机械端口永磁电机中转矩只有一个自由度，即三者的电磁转矩满足一定的比例关系，改变任何一个，其余都会改变。

为明晰本专利提高电机功率因数的原理，下面将说明影响功率因数高低的因素，并对电机磁场分布做深入分析。电机的功率因数定义为如下公式：

其中，L_S为同步电感，ψ_m为主磁链，I为相电流有效值。

由公式(4)可知，在保证电机的电感和相电流基本不变的情况下，增大主磁链可以提高功率因数。

图6为现有电机的空载磁力线分布与本发明中的双机械端口永磁电机空载磁力线分布对比图，其中，图6(a)为现有电机的空载磁力线分布，图6(b)为本发明中的双机械端口永磁电机空载磁力线分布，图中箭头标记表示调制环转子与永磁转子中主磁路走向，圆圈标记为漏磁通。从图6(b)可以发现，相比较现有电机，本发明提供的双机械端口永磁电机，磁力线穿过第一定子、第一调制环转子中导磁块、永磁转子中永磁体、第二调制环转子中导磁块以及第二定子，构成主磁路。因为磁力线极少切向穿出导磁块，且穿越的气隙层数更少，所以本发明中电机的等效气隙较短，因而主磁路的磁导较大。从磁力线分布可知，新结构有效减小了极间漏磁，使得主磁通分量进一步增大。此外，内嵌式切向充磁磁钢具有良好的聚磁效果，所以可以进一步提升气隙磁密。综上，本发明所提出的调制环转子与永磁转子结构大大增强了主磁通，减弱了由于磁场调制电机永磁转子极对数较多带来的漏磁问题，能有效提升功率因数。另外，由于新结构的气隙磁密有效提高，而转矩大小又正比于电机磁负荷，因而所提电机结构还具有高功率密度的优点。

图7为本发明提出的电气变速装置的结构示意图，该电气变速装置包括本发明提供的双机械端口永磁电机1和旋转电机3。双机械端口永磁电机的第一调制环转子13用于与发动机曲轴6相连，即第一调制环转子13作为电气变速装置的输入端，双机械端口永磁电磁电机的永磁转子15与旋转电机的转子轴一端通过离合器2连接，旋转电机的转子轴的另一端作为输出端与主减速箱5连接，最终接至车轮负载。旋转电机可以为永磁电机或三相异步电机。双机械端口永磁电机的转速有两个自由度，转矩具有一个自由度，通过旋转电机中转轴与双机械端口永磁电机的永磁转子刚性连接，将旋转电机输出的附加转矩增加至双机械端口永磁电机的永磁转子上，使得电气变速装置的输出端输出转矩为双机械端口永磁电机的永磁转子输出转矩与旋转电机输出附加转矩之和，通过调整旋转电机输出转矩即可实现电气变速装置的转矩解耦。进而，使得本发明提供的电气变速装置可实现转速与转矩解耦。因此在发动机运行状态不变的情况下，仅控制定子电枢磁场就可以改变车辆运行工况，车辆行驶过程中发动机可始终运行于最佳工作区。

本发明提出的电气变速装置具有高功率因数、高功率密度特点，且相较于现有的行星齿轮箱的混合动力系统，结构简单，且体积小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于磁场调制的双机械端口永磁电机，其特征在于，包括：

第一定子(11)、第二定子(12)、永磁转子(15)、第一调制环转子(13)以及第二调制环转子(14)；

所述第一定子和所述第二定子结构相同，且所述第一定子的电枢绕组的极对数与所述第二定子的电枢绕组的极对数均为p；

所述永磁转子(15)内嵌有沿切向充磁的2q个永磁体，且两个相邻的所述永磁体的充磁方向相反；

所述第一调制环转子(13)与所述第二调制环转子(14)均由n个导磁块和n个非导磁块沿圆周方向相间排列构成；且所述第一调制环转子(13)的导磁块与所述第二调制环转子(14)的非导磁块对齐。

2.如权利要求1所述的双机械端口永磁电机，所述第一定子的电枢绕组的极对数p、所述永磁转子的极对数q和所述第一调制环转子的导磁块数量n满足公式n＝p+q。

3.一种基于权利要求1所述双机械端口永磁电机的电气调速装置，其特征在于，包括：

双机械端口永磁电机，用于实现所述电气调速装置的输出转速与输入转速解耦；以及

旋转电机，用于输出附加转矩，实现所述电气调速装置的输出转矩与输入转矩解耦；

所述旋转电机的转轴一端与所述双机械端口永磁电机的第一机械端口刚性连接；所述旋转电机的转轴另一端作为所述电气变速装置的输出端，所述双机械端口永磁电机的第二机械端口作为所述电气变速装置的输入端；

所述电气变速装置输出端转矩为所述双机械端口永磁电机第二机械端口输出转矩与旋转电机输出附加转矩之和；通过调整旋转电机输出附加转矩实现所述电气变速装置输入端转矩与输出端转矩解耦。

4.如权利要求3所述的电气调速装置，其特征在于，所述旋转电机为永磁电机或异步电机。