CN108011483B - 一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机 - Google Patents

一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机，包括高速电机部分，低速电机部分以及调制块转子；其中，高速电机部分的转子、调制块转子及低速电机部分的转子依次沿轴向布置，高速电机部分的转子与调制块转子之间和调制块转子与低速电机部分的转子之间均设有气隙，高速电机部分的转子、调制块转子及低速电机部分的转子组合成磁力齿轮结构。本发明中提供的双机电端口永磁电机中，高速电机转子、低速电机转子和调制转子在轴向上基于磁场调制原理实现转矩变换，实现了转矩产生部分和转矩变换部分的解耦；由于产生转矩部分的高速电机部分或低速电机部分只有单层气隙，且该双机电端口永磁电机在径向上结构更为紧凑，使得转矩密度更高。

Description

一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机
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电端口永磁电机。
背景技术
在很多工业应用场合，特别是混合动力汽车中，转速与转矩传动比可变的无级变速器引起了越来越多的关注。现有的混合动力汽车动力系统，以丰田普锐斯为代表，大多采用行星齿轮来完成内燃机和车轮负载之间的转速解耦；通过另一套电动机/发电机的转矩调节作用，内燃机和车轮之间的转矩也得以解耦。在实现了内燃机和负载的转速、转矩解耦之后，内燃机可以始终工作在最大效率点上并且不影响车轮负载运行。该系统大大提高了内燃机的工作效率，降低了车辆油耗与尾气的排放量。但这种纯机械传动装置，不可避免的会有机械结构的振动、噪声以及机械磨损等问题。
为了弥补这一缺陷，有发明提出了基于双机械端口的电气传动方案。专利文献CN105375714A公开了一种双机械端口、双电端口永磁电机，将磁场调制电机与普通永磁电机沿径向嵌入到同一台电机内，外部定子与永磁体构成一台普通永磁电机，内部定子、调制环与永磁体构成一台磁场调制电机。该结构通过内、外定子绕组的电流频率独立控制两转子的转速，通过普通永磁电机在永磁转子上施加额外转矩实现两转子的转矩解耦，从而利用无刷结构实现双机械端口电机的功能。但由于该电机结构永磁体产生的励磁磁场需要穿过三层气隙，其磁路磁阻较大，造成磁场较弱，削弱了电机的转矩输出能力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机，其目的在于解决现有的双机电端口永磁电机由于永磁体结构需要穿过三层气隙使得磁路磁阻大进而削弱电机转矩的技术问题，本发明提出一种能实现转速、转矩解耦，结构紧凑，转矩密度高的电机。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机，该双机电端口永磁电机包括高速电机部分I，低速电机部分III以及调制块转子II，其中，高速电机部分I的转子、调制块转子II及低速电机部分III的转子依次沿轴向布置，高速电机部分I的转子与调制块转子II之间和调制块转子II与低速电机部分III的转子之间均设有气隙，高速电机部分I的转子、调制块转子II及低速电机部分III的转子组合成磁力齿轮结构。
进一步地，当调制块转子转速不为零时，高速电机部分I的转子、低速电机部分III的转子以及调制块转子II中任意两个可以作为双机电端口永磁电机的不耦合的机械端口。
进一步地，高速电机部分I的定子和低速电机部分III的定子为双机电端口永磁电机的不耦合的电端口。
进一步地，调制块转子II包括多个导磁块和多个磁钢，且一个磁钢嵌于两个相邻导磁块之间，磁钢充磁方向为周向，且两个相邻的磁钢充磁方向相反。
进一步地，高速电机部分I和低速电机部分III均可采用游标永磁电机结构或同步磁阻电机结构。
进一步地，高速电机部分I的极对数p，调制块转子II导磁块数n，低速电机部分III的极对数q，满足公式n＝p+q。
进一步地，高速电机部分I的转子转速Ω1，调制块转子II转速Ω2以及低速电机部分III的转子转速Ω3满足n·Ω2＝p·Ω1+q·Ω3。
进一步地，调制块转子II保持静止(Ω2＝0)，则该永磁电机传动比固定；调制块转子II保持旋转(Ω2≠0)，则该永磁电机传动比可调。
进一步地，高速电机部分I和低速电机部分III共用同一个定子，定子绕组为提供两个极对数的双波绕组。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，存在如下有益效果：
1、本结构高速电机部分和低速电机部分均可采用普通永磁电机结构，高速电机转子、低速电机转子和调制转子在轴向上基于磁场调制原理实现转矩变换，实现了转矩产生部分和转矩变换部分的解耦；由于产生转矩部分的高速电机部分或低速电机部分只有单层气隙，且该双机电端口永磁电机在径向上结构更为紧凑，使得转矩密度更高。
2、由于调制块转子II的磁场调制作用，高速电机部分I转子转速与低速电机部分III转子转速存在代数关系。当调制块转子II固定时，高速电机部分I与低速电机部分III转速比固定，当调制块转子II旋转时，高速电机部分I与低速电机部分III转速比可由调制块转速来调节。而通过调节通入到高速电机部分I和低速电机部分III的定子电流来调节分别施加到两转子的附加转矩，可以实现两转子的转矩解耦。本发明能够实现独立的转矩、转速调节的同时，拥有适用于不同应用场合的多种工作方式。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于磁场调制的双机电端口永磁电机结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高速电机部分I结构示意图；
图3为本发明实施例提供的调制块转子II结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的调制块转子II结构示意图；
图5为本发明实施例提供的低速电机部分III结构示意图；
图6为本发明实施例提供的采用双定子结构的双机电端口永磁电机侧视图；
图7为本发明实施例提供的采用单定子结构的双机电端口永磁电机侧视图；
图8为本发明实施例提供的高速电机部分转子、调制块转子和低速电机部分转子构成的磁力齿轮示意图；
图9为本发明的另一实施例提供的双机电端口永磁电机结构示意图；
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：I-高速电机部分，II-调制块转子，III-低速电机部分。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机，包含三个部分，分别为高速电机部分I，调制块转子II和低速电机部分III。
如图2所示，高速电机部分I由定子11、转子铁芯12和磁钢13组成，定子11上有铜导线构成的绕组作为一个电端口，转子采用聚磁结构，磁钢13的充磁方向沿周向，转子铁芯12和磁钢13组成的转子作为一个机械端口。当高速电机部分定子11中绕组通入电流后，高速电机部分的转子旋转。
如图3所示调制块转子II由各个导磁块构成，也可以作为一个机械端口，具体加工时导磁块之间可用非导磁材料进行填充。
如图4所示，调制块转子II导磁块之间可填充磁钢，磁钢方向沿切向，且两个相邻磁钢的方向相反，以增大转矩密度。
如图5所示，低速电机部分III由定子31、转子铁芯32和磁钢33组成，定子31上有铜导线构成的绕组作为另一个电端口，磁钢33的充磁方向见图4，转子铁芯32和磁钢33组成的转子可以作为另一个机械端口。当低速电机部分定子31中绕组通入电流后，低速电机部分的转子旋转。
高速电机部分I的定子和低速电机部分III的定子分别外接两个独立的电端口。高速电机部分I的转子、调制转子II和低速电机部分III的转子中的任意两个可以作为独立的机械端口。
如图6所示，高速电机部分I的转子旋转轴线、调制转子II的转子旋转轴线和低速电机部分III旋转轴线同轴，且调制转子II位于高速电机部分I和低速电机部分III之间，在且调制转子II和高速电机部分I之间、调制转子II和低速电机部分III之间均设有气隙。高速电机部分I的定子部分同低速电机部分III的定子部分分开设置。
如图7所示，高速电机部分I的旋转轴线、调制转子II的旋转轴线和低速电机部分III旋转轴线同轴，且调制转子II位于高速电机部分I和低速电机部分III之间。在且调制转子II和高速电机部分I之间、调制转子II和低速电机部分III之间均设有气隙。高速电机部分I与同低速电机部分III公用一个定子，此时的绕组可以采用双波绕组等特殊绕组。
轴向上，高速电机部分转子，调制块转子和低速电机部分转子构成一个磁场调制型磁力齿轮，如图8所示。根据磁场调制原理，满足如下关系：
n＝p+q
n·Ω2＝p·Ω1+q·Ω3
其中，p为高速电机部分I的极对数、Ω1为高速电机部分I的转速、T1为高速电机部分I的电磁转矩，n为调制块转子II的导磁块数、Ω2为调制块转子II的转速、T2为调制块转子II的电磁转矩，q为低速电机部分III的极对数、Ω3为低速电机部分III的转速、T3为低速电机部分III的电磁转矩。
当调制块转子转速为零时，即Ω2＝0时，则转速比、转矩比分别为：
Ω3/Ω1＝-p/q
T3/T1＝-q/p
当调制块转子保持静止时，高速电机部分与低速电机部分转子分别作为输入输出轴，两者的转速呈固定比例关系，转矩也成固定比例关系。
当调制块转子转速不为零时。即Ω2≠0时，转速比、转矩比分别为：
(Ω3-Ω2)/(Ω1-Ω2)＝-p/q
T1·Ω1+T2·Ω2+T3·Ω3＝0
当调制块转子旋转时，高速电机部分与低速电机部分转子转速满足一个与调制块转速相关的线性关系，改变调制块转速可以改变转速比和转矩比。而两转子转矩的控制可以通过高速电机部分和低速电机部分的电端口即定子绕组电流来控制，实现高速电机部分转矩和低速电机部分转矩的解耦。
如图9所示，在本发明提供的实施例中，高速电机部分I和低速电机部分III可采用游标永磁电机结构或者同步磁阻电机结构。同步磁阻电机转子部分不存在磁钢，更适合于高速运行，游标永磁电机具有转矩密度高的特点，可以进一步提高双机电端口永磁电机的转矩密度。
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 (9)

1.一种基于磁场调制的双机电端口永磁电机，其特征在于，包括高速电机部分(I)，低速电机部分(III)以及调制块转子(II)；
其中，所述高速电机部分(I)的转子、所述调制块转子(II)及所述低速电机部分(III)的转子依次沿轴向布置，所述高速电机部分(I)的转子与所述调制块转子(II)之间和所述调制块转子(II)与所述低速电机部分(III)的转子之间均设有气隙，所述高速电机部分(I)的转子、所述调制块转子(II)及所述低速电机部分(III)的转子组合成磁力齿轮结构。
2.如权利要求1所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，当所述调制块(II)的转子转速不为零时，高速电机部分(I)的转子、低速电机部分(III)的转子以及调制块转子(II)中任意两个可以作为双机电端口永磁电机的不耦合的机械端口。
3.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，所述高速电机部分(I)的定子和所述低速电机部分(III)的定子为双机电端口永磁电机的不耦合的电端口。
4.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，调制块转子(II)包括多个导磁块和多个磁钢，且一个所述磁钢嵌于两个相邻的导磁块之间，所述磁钢充磁方向为切向，且两个相邻的磁钢充磁方向相反。
5.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，所述高速电机部分(I)和所述低速电机部分(III)均可采用游标永磁电机结构或同步磁阻电机结构。
6.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，所述高速电机部分(I)的极对数p、所述调制块转子(II)导磁块数n以及所述低速电机部分(III)的极对数q满足公式n＝p+q。
7.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，所述高速电机部分(I)的转子转速Ω1，所述调制块转子(II)的转速Ω2以及所述低速电机部分(III)的转子转速Ω3满足公式：
n·Ω2＝p·Ω1+q·Ω3。
8.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，当调制块转子(II)保持静止时，则所述双机电端口永磁电机的输出端和输入端的传动比固定；当调制块转子(II)保持旋转时，则所述双机电端口永磁电机的输出端和输入端的传动比可变，实现输出端转速和输入端转速解耦。
9.如权利要求1或2所述的双机电端口永磁电机，其特征在于，高速电机部分(I)和低速电机部分(III)共用同一个定子，定子绕组为提供两个极对数的双波绕组。
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