CN1945939B - 双机械端口电机及其驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种双机械端口电机及其驱动控制系统，主要包括第一机械端口[5]、第二机械端口[4]和定子[6]，其特征在于有径向磁通结构和轴向磁通结构两种形式，其外转子有多种结构。双机械端口电机驱动控制系统的拓扑结构：一个电机控制单元[16]控制逆变器[11]和逆变器[12]，逆变器[11]和[12]与通过同一个直流母线[13]和直流—直流变换环节[14]与直流电源[15]相连，由电机控制单元[16]控制逆变器[11]和[12]，为双机械端口电机[3]供电；也可以不采用直流—直流变换环节[14]的拓扑结构。本发明应用于混合动力汽车时，将第一机械端口[5]通过变速齿轮[18]和车轮[17]连接，第二机械端口[4]与内燃机[19]连接即可。本发明电机可以减轻转子体积和重量，降低制造难度，提高效率和功率密度。

Description

双机械端口电机及其驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种具有双机械端口的电机及其驱动控制系统，特别涉及混合动力车辆用统一磁场的双机械端口电机及其驱动系统。

技术背景

当前，可以用于机械能和电能分配与传递的装置包括由行星齿轮和两个电机(兼有电动和发电功能)及其驱动控制组成的系统，和双转子电机加传统电机及其驱动控制构成的系统。

专利WO0034066和EP1481463都公开了一种双转子的电机。WO0034066的双转子电机有径向磁场方案、轴向磁场方案和径向--轴向磁场混合方案。径向磁场双转子电机的最外层是定子，中间层是外转子，最内层是内转子。如图1所示，其中外转子可以分为三部分，中间部分是铁心轭部，其他两部分分别为向外、向内的两组齿槽用于安装内外两套绕组，外转子分别与定子和内转子构成机械上耦合而电磁分离的两个电机。由图2中的外转子局部示意图可以看到，这种电机的外转子做的非常厚，分别为内电机和外电机提供圆周方向的磁路。EP1481463在WO0034066的基础上进行了改进，EP1481463进一步提出使内外两个电机不仅在机械上连接，在磁路上也部分耦合。为了兼顾两个电机分别弱磁的工况，如图3和图4所示，它用外转子轭部以提供外电机的圆周方向磁路。这种电机的外转子还是比较厚，重量较大，其弱磁需要较大的弱磁电流来抵消永磁体产生的磁场，从而加大了电机损耗，引起电机的温升。

专利WO0034066的这种双转子电机作为两个单独的电机进行控制，在控制方法上可以沿用传统的电机控制方法。专利EP1481463没有提及磁场的耦合给控制带来的困难及其解决这个问题的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种统一磁场双机械端口电机及其驱动控制系统，本发明应用于混合动力汽车，以减轻转子体积和重量，降低制造难度，提高效率和功率密度。

本发明根据双机械端口电机的转子结构形式可形成径向磁通结构和轴向磁通结构两种形式。

本发明径向磁通结构形式双机械端口电机由圆柱状结构的内转子、圆筒形结构外转子和定子构成。内转子包括外圆周开有齿槽的铁心和位于齿槽中的内转子绕组，内转子铁心由齿槽和轭部组成，构成了第二机械端口；在内转子外围是提供统一磁场通路与励磁的外转子，即第一机械端口。在外转子和内转子之间形成的气隙为内气隙，即第二气隙。在外转子的外围是在内圆周上开有齿槽的铁心和位于齿槽中的外转子绕组的定子，定子铁心由齿槽和轭部组成。在外转子和定子之间形成的气隙为外气隙，即第一气隙。内转子、外转子、定子之间轴心重合。定子绕组可以为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第一电气端口。内转子绕组可以为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第二电气端口。

径向磁通结构的双机械端口电机的外转子为圆筒形状，沿着与外转子的中心轴平行的方向称为轴向，与外转子的中心轴垂直的方向称为径向。本发明的电机外转子的特点为径向厚度薄于现有技术中的径向磁通双转子电机外转子。

外转子框架有多种形式：

1、沿着与外转子框架中心轴平行的方向，在框架的圆周上以预定间隔开槽，槽深贯穿外转子壁，并且向外圆周的槽口宽度小于向内圆周的槽口，在槽中嵌入永磁体或填充非导磁材料。

2、沿着与外转子框架中心轴平行的方向，在框架的圆周上以预定间隔沿轴向开矩形槽，矩形槽的径向宽度小于外转子的径向厚度，并且所述矩形槽在外转子的内圆周和外圆周上均不开口，在凹槽中埋入永磁体或填充非导磁材料。

3、沿着与外转子框架的中心轴平行的方向，在框架的外圆周上以预定间隔开出凹槽，凹槽的径向深度小于外转子的径向厚度，凹槽的开口在外转子的外圆周上，并且向外圆周的槽口宽度小于槽底的宽度，在凹槽中埋入永磁体或填充非导磁材料。

4、沿着外转子框架中心轴平行的方向，在框架的内圆周上以预定间隔开出凹槽，凹槽的径向深度小于外转子的径向厚度，凹槽的开口在外转子的内圆周上，在凹槽中埋入永磁体或填充非导磁材料。

上述四种结构中，若框架由导磁或不导磁材料制成的，槽中嵌入钕铁硼、钐钴等材料制作的永磁体；若框架由导磁材料制成，则槽中填充非导磁材料。

5、亦可沿着外转子框架的中心轴平行的方向，在导磁材料制成的框架的内圆周和外圆周上分别以预定间隔开出凹槽，在槽中填充非导磁材料。

6、还可以沿着外转子框架的中心轴平行的方向，在导磁材料制成的框架内圆周和外圆周上分别以预定间隔开出凹槽，在槽中放置导条或绕组，并且将所有槽中的导条或绕组两端分别用导体连接。

本发明轴向磁通结构形式双机械端口电机由圆盘结构的第一转子、第二转子和定子构成。第二转子上包括开有齿槽的铁心和位于齿槽内的转子绕组，第二转子的铁心由轭部和径向形成于转子盘面上的转子齿槽组成，构成了第二机械端口；并列在第二转子旁边是提供统一磁场通路与励磁的第一转子，即第一机械端口；在第二转子和第一转子之间形成的气隙为第二气隙。并列在第一转子的旁边是由定子轭部、径向形成于定子盘面上的定子齿槽和位于定子齿槽内的定子绕组构成的定子，在第一转子和定子之间形成的气隙为第一气隙。第一转子、第二转子和定子之间轴心重合。定子绕组可以为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第一电气端口。第二转子绕组可以为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第二电气端口。

第一转子为圆盘形状，沿着与第一转子的中心轴平行的方向称为轴向，与第一转子的中心轴垂直的方向称为径向。本发明的电机的第一转子的特点为轴向厚度薄于现有技术中的轴向磁通双转子电机外转子轴向厚度。

第一转子的框架有多种形式：

1、沿着第一转子框架的径向，在框架的圆周上以预定间隔开出槽，槽贯穿了第一转子壁，在槽中嵌入永磁体或填充非导磁材料。

2、沿着第一转子框架的径向，在框架的圆周上以预定间隔开出凹槽，所开出的凹槽的轴向深度小于第一转子的轴向厚度，在凹槽中埋入永磁体或填充非导磁材料。

3、沿着第一转子框架的径向，在框架的外圆周上以预定间隔开出凹槽，凹槽的轴向深度小于第一转子的轴向厚度，并且所述凹槽的开口面向定子，在槽中埋入永磁体或填充非导磁材料。

4、沿着第一转子框架的径向，在框架的内圆周上以预定间隔开出凹槽，所开出的凹槽的径向深度小于第一转子的径向厚度，并且所述凹槽的开口面向第二转子，在槽中埋入永磁体或填充非导磁材料。

上述四种结构中，若框架由导磁或不导磁材料制成的，槽中嵌入钕铁硼、钐钴等材料制作的永磁体；若框架由导磁材料制成，则槽中填充非导磁材料。

5、亦可沿着第一转子框架的径向，在导磁材料制成的框架的两面上分别以预定间隔开出凹槽，在槽中填充非导磁材料。

6、还可以沿着第一转子框架的径向，在由导磁材料制成的框架的两面上分别以预定间隔开出凹槽，在槽中放置导电材料，并且将所有槽中的导体两端分别用导电材料连接。

本发明的双机械端口电机的机械端口不限于前面描述的旋转运动的转子结构，也包括进行直线运动的动子结构。本发明的电机还可以是两个机械端口均为直线运动的动子，或其中一个机械端口为直线运动的动子，另一个机械端口为旋转运动的转子的形式。

本发明双机械端口电机的驱动控制系统由一个电机控制单元、一个直流电源和两个逆变器构成。两个逆变器的直流输入端通过同一个直流母线与直流电源相连。电机控制单元由中央处理单元CPU，存储单元RAM/ROM和外围的通讯、数据采集、控制输出等模块构成，它通过信号线分别与两个逆变器以及双机械端口电机相连。控制单元向两个逆变器的开关管发出控制信号，同时接收采集到的双机械端口电机和逆变器的输出信号。

本发明还提供了上述双机械端口电机的另一种驱动控制系统。该装置包括：一个电机控制单元、一个直流电源、一个直流-直流变换环节和两个逆变器构成。通过一个直流一直流变换环节将两个逆变器的直流输入端和直流电源连接。电机控制单元由中央处理单元CPU，存储单元RAM/ROM和外围的通讯、数据采集、控制输出等模块构成，它通过信号线分别与直流-直流变换环节、两个逆变器以及双机械端口相连。控制单元向两个逆变器和直流-直流变换环节发出控制信号，同时接收采集到的双机械端口电机、逆变器和直流-直流变换环节的输出信号。

上述本发明电机的驱动控制系统中的直流一直流变换环节可以为Z-source形式，Cuk形式，boost形式，以及其他的直流一直流变换器的拓扑结构。

上述的两种驱动控制系统中采用的逆变器的相数根据本发明的双机械端口电机绕组的相数做相应的变化。当本发明电机第一电气端口、第二电气端口均为三相时，逆变器为两个三相逆变器；当电气端口的相数为多相时，与之相连的逆变器也为多相。根据两个电气端口相数的不同组合，存在多种双机械端口电机的形式和多种驱动控制系统。

上述双机械端口电机的驱动控制方法包括以下步骤：首先，根据需要设定双机械端口电机工作点，即第一机械端口和第二机械端口的目标转矩或者目标转速，然后通过转速传感器检测双机械端口电机两个机械端口的转速，通过电流传感器和电压传感器测量第一电气端口和第二电气端口的电流和电压值，并且分别进行坐标变换转换为两相静止坐标下的电流电压值。接着，基于第一机械端口和第二机械端口的目标转速通过转速环控制器来设定施加于第一电气端口和第二电气端口的静止坐标系下的目标电流值。根据所得到的目标电流值与坐标变换后的实测电流值的偏差通过比例积分控制器来设定目标电压值。这样设定的第一电气端口的电压值经过坐标变换转换成自然坐标系下的电压值，设定的第一电气端口的电压值经过坐标变换转换成转子坐标系下电压值。最后，逆变器根据得到的电压值，通过脉宽调制后施加于双机械端口电机第一电气端口和第二电气端口。

转速环控制器设定电流的步骤如下：首先，第二机械端口的目标转速与实际转速的偏差经过比例积分控制器可得出第二机械端口所需的目标转矩。第一电气端口的实测电压减去电阻压降通过积分，即可观测出与第一电气端口交链的磁链。由此目标转矩除以第一电气端口交链的磁链的幅值，再扩大一定倍数(匝比)就可以得到第一电气端口所需电流的大小；再根据磁链的相位来确定电流的相位，当目标转矩为正时，电流超前于磁链90度；当目标转矩为负时，电流滞后于磁链90度。同样，第一机械端口的目标转速与实际转速的偏差经过比例积分控制器可得出第一机械端口所需的目标转矩。由此目标转矩除以第一电气端口交链的磁链的幅值就可以得到第一电气端口所需电流的大小；再根据磁链的相位来确定电流的相位，当目标转矩为正时，电流超前于磁链90度；当目标转矩为负时，电流滞后于磁链90度。

上述的控制方法中，同样可以采用第二电气端口的实测电压减去自身的电阻压降通过积分，观测出与第二电气端口交链的磁链。

本发明上述双机械端口电机还可以有另一种驱动控制方法。该方法包括以下步骤：首先，设定双机械端口电机工作点，即第一机械端口和第二机械端口的目标转矩或者目标转速。然后，通过转速传感器检测双机械端口电机第一机械端口和第二机械端口的转速，基于第二机械端口的目标转速和第一机械端口的目标转速通过转速环控制器来设定施加于第一电气端口和第二电气端口的同步旋转坐标系的目标电流值。根据所得到的目标电流值与坐标变换后的实测电流值的偏差通过比例积分控制器来设定目标电压值。最后，这样设定的电压值经过坐标变换转换为自然坐标系下的电压设定值。最后，逆变器根据得到的电压值，通过脉宽调制后施加于双机械端口电机第一电气端口和第二电气端口。

上述发明中的转速环控制器设定电流的方法如下：设定第一电气端口和第二电气端口电流，使它们满足第一电气端口的电流在第二机械端口上产生的转矩为零；也可以通过设定第一电气端口和第二电气端口电流，使它们满足第二电气端口电流在第一机械端口上产生的转矩为零。

本发明电机的驱动控制系统中如果采用包括直流一直流变换环节的双机械端口电机的驱动控制系统时，上述控制方法还包括下述步骤：用电压传感器采集直流一直流变换环节输出的母线直流电压，同时根据转速传感器测得的两个机械端口的实际转速和观测到的磁链，确定两个电气端口分别所需的直流母线电压，根据其中较大的一项调整直流一直流变换环节的输出电压，使直流一直流变换环节的实际输出同时满足两个电气端口的需要。

本发明双机械端口电机及其驱动控制系统应用于混合动力汽车时，双机械端口电机的第二机械端口直接与内燃机输出轴连接，第一机械端口通过变速齿轮和车轮连接。一个双机械端口电机驱动控制系统的两个逆变器分别给双机械端口电机的第一电气端口和第二电气端口供电。

上述应用于混合动力汽车的本发明双机械端口电机可以采用径向磁通或轴向磁通的双机械端口电机或者其他类似的双机械端口电机；其驱动装置也可以采用包括直流一直流变换环节的双机械端口电机驱动控制系统或者不包括直流一直流变换环节的双机械端口电机驱动控制系统或者其他类似的驱动控制系统。

上述应用于混合动力汽车的本发明驱动控制系统的控制方法如下：

为方便描述，以下称内燃机的输出转矩和转速为内燃机转矩、内燃机转速，双机械端口电机的第一机械端口输出到变速齿轮的转矩和转速为汽车所需的驱动转矩和车速。

当内燃机转矩等于驱动转矩，内燃机转速等于车速时，第一电气端口目标电流给定为零，即不进行控制；第二电气端口施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡。

当内燃机转矩等于驱动转矩，内燃机转速小于车速时，第一电气端口目标电流给定为零，即不进行控制；第二电气端口施加一个与第一机械端口同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第二机械端口转速之和与第一机械端口的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位。

当内燃机转矩等于驱动转矩、内燃机转速大于车速时，第一电气端口目标电流给定为零，即不进行控制；第二电气端口施加一个与第一机械端口反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第一机械端口转速之和与第二机械端口转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

当内燃机转矩小于驱动转矩、内燃机转速等于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡。

当内燃机转矩小于驱动转矩、内燃机转速小于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第二机械端口转速之和与第一机械端口的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位。

当内燃机转矩小于驱动转矩、内燃机转速大于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第一机械端口转速之和与第二机械端口转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

当内燃机转矩大于驱动转矩、内燃机转速等于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡。

当内燃机转矩大于驱动转矩、内燃机转速小于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第二机械端口转速之和与第一机械端口的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位。

当内燃机转矩大于驱动转矩、内燃机转速大于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙

中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第一机械端口转速之和与第二机械端口转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1专利WO0034066中的装置结构和磁路示意图；

图2专利WO0034066中的装置结构和磁路示意图；

图3专利EP1481463中的装置结构和磁路示意图；

图4专利EP1481463中的装置结构和磁路示意图；

图5本发明径向磁通结构双机械端口电机结构图；

图6本发明径向磁通双机械端口电机截面示意图；

图7本发明径向磁通双机械端口电机磁场分布图；

图8本发明径向磁通电机外转子方案一局部结构图；

图9本发明径向磁通电机外转子方案二局部结构图；

图10本发明径向磁通电机外转子方案三局部结构图；

图11本发明径向磁通电机外转子方案四局部结构图；

图12本发明径向磁通电机外转子方案五局部结构图，图中：4内转子、5外转子、6定子、20定子绕组、21永磁体、22内转子绕组、23定子齿槽、24定子轭部、25内转子齿槽、26内转子轭部27外转子框架、28槽；

图13本发明轴向磁通结构双机械端口电机结构图；图中45第一转子、44第二转子、6定子、20定子绕组、422第二转子绕组；

图14本发明轴向磁通电机外转子方案一局部结构图；

图15本发明轴向磁通电机外转子方案二局部结构图；

图16本发明轴向磁通电机外转子方案三局部结构图；

图17本发明轴向磁通电机外转子方案四局部结构图；

图18本发明轴向磁通电机外转子方案五局部结构图；

图中：427第一转子框架、428槽。

图19本发明电机的驱动控制系统方案一拓扑图；

图20本发明电机的驱动控制系统方案二拓扑图；

图21本发明电机驱动控制系统直流-直流变换环节方案一拓扑图；

图22本发明电机驱动控制系统直流-直流变换环节方案二拓扑图；

图23本发明电机驱动控制系统直流-直流变换环节方案三拓扑图；

图24坐标系的定义图；

图25本发明双机械端口电机控制系统框图1；

图26本发明转矩控制方案1框图；

图27本发明双机械端口电机控制系统框图2；

图28本发明转矩控制方案2框图；

图29本发明混合动力汽车控制器的拓扑结构；

图30本发明混合动力汽车控制器工作模式一能量流示图；

图31本发明混合动力汽车控制器工作模式二能量流示图；

图32本发明混合动力汽车控制器工作模式三能量流示图；

图33本发明混合动力汽车控制器工作模式四能量流示图；

图34本发明混合动力汽车控制器工作模式五能量流示图；

图35本发明混合动力汽车控制器工作模式六能量流示图；

图36本发明混合动力汽车控制器工作模式七能量流示图；

图37本发明混合动力汽车控制器工作模式八能量流示图；

图38本发明混合动力汽车控制器工作模式九能量流示图。

具体实施方式

图5为本发明径向磁通结构双机械端口电机结构图，图6为本发明径向磁通双机械端口电机截面示意图。如图5、图6所示，本发明径向磁通结构双机械端口电机由圆柱状的内转子4、圆筒状的外转子5和定子6构成。内转子4上包括内转子轭部26、轴向形成于内转子4外圆周的内转子齿槽25和位于齿槽内的内转子绕组22，共同构成了第二机械端口；在其外围是提供统一磁场通路与励磁的外转子5，即第一机械端口，由外转子框架27和镶嵌在框架上的永磁体21组成。在外转子和内转子之间形成的气隙为内气隙，即第二气隙；在外转子5的外围是由定子轭部24、轴向形成于定子内圆周上的定子齿槽23和位于齿槽内的定子绕组20构成的定子6，在外转子和定子之间形成的气隙为外气隙，即第一气隙。内转子4、外转子5、定子6之间轴心重合。定子绕组20可以为三相或多相绕组，构成第一电气端口；内转子绕组22可以为三相或多相绕组，构成第二电气端口。第一机械端口通过轴1将机械能输入或者输出，第二机械端口通过轴2将机械能输入或者输出。传感器10和9分别测量第一机械端口和第二机械端口的位置和转速。内转子绕组22通过轴2上的滑环8引出。

本发明径向磁通双机械端口电机磁场分布如图7所示。永磁体的N极和S极布置在外转子的圆周方向上，相邻永磁体的S极和N极相对应。由图7可知，内外气隙的磁通密度是完全相同的，磁力线30从永磁体的N极出发，径向穿过外转子5和定子6之间的气隙，到达定子6，沿着定子轭部24呈圆周方向分布，接着从定子6径向穿过外气隙，到达另一永磁体的S极。再从这一永磁体的N极出发，径向穿过外转子5和内转子4之间的气隙，到达内转子4，沿着内转子轭部26呈圆周方向分布，最终从内转子4径向穿过内气隙，回到永磁体的S极，形成一个闭合回路。磁场在外转子5上只有径向的分布，没有圆周方向的分布。即本发明径向磁通结构机械端口电机的电机定子6与外转子5之间的第一气隙、外转子5与内转子4之间的第二气隙通过同一主磁通，即两个实现机电能量转换的气隙共用统一磁场。

这种磁场的耦合有以下的积极效果：首先，第一气隙和第二气隙的磁场方向、大小相同，穿过第一气隙的磁通必然穿过第二气隙。对于径向统一磁场双机械端口电机来说，夹在第一、第二气隙间的外转子只有径向磁通，而没有圆周方向的磁通，充分利用了磁场。而且，外转子5无需提供与主磁通垂直方向的磁路，径向厚度可以减小，提高了双机械端口电机的功率密度；其次，可以通过控制定子6的电流达到控制内转子4、外转子5运动状态，也可以通过控制内转子4的电流来控制外转子5运动状态，即上述双机械端口电机的控制更加灵活。

本发明的径向磁通结构双机械端口电机的外转子做成圆筒形状，沿着与外转子的中心轴平行的方向称为轴向，与外转子的中心轴垂直的方向称为径向。本发明此种形式电机的外转子的特点为径向厚度薄于现有技术中的径向磁通双转子电机外转子。可以设计成多种形式，如图8、图9、图10、图11、图12所示。

如图8所示，沿着与外转子框架27的中心轴平行的方向，在框架27的圆周上以预定间隔开槽28，槽28贯穿了外转子壁，并且向外圆周的槽口宽度小于向内圆周的槽口。在槽28中嵌入永磁体或填充非导磁材料。这样在外转子转速较高时，永磁体不会因为离心力而脱离外转子。

如图9所示，沿着与外转子框架27的中心轴平行的方向，在框架27的圆周上以预定间隔开出凹槽28，所开出的凹槽28的径向深度小于外转子的径向厚度，并且凹槽28在外转子的内圆周和外圆周上均不开口，在槽28中埋入永磁体或填充非导磁材料。这样在外转子转速较高时，永磁体不会因为离心力而脱离外转子。

如图10所示，沿着与外转子框架27的中心轴平行的方向，在框架27的外圆周上以预定间隔开出凹槽28，所开出的凹槽28的径向深度小于外转子的径向厚度，并且所述凹槽28的开口在外转子的外圆周上，并且向外圆周的槽口宽度小于槽底的宽度，在槽28中埋入永磁体或填充非导磁材料。

如图11所示，沿着与外转子框架27的中心轴平行的方向，在框架27的内圆周上以预定间隔开出凹槽28，所开出的凹槽28的径向深度小于外转子的径向厚度，并且所述凹槽28的开口在外转子的内圆周上，在槽28中埋入永磁体或填充非导磁材料。这样在外转子转速较高时，永磁体不会因为离心力而脱离外转子5。

上述四种结构中，当框架27由不导磁材料制成的，槽28中嵌入钕铁硼、钐钴等材料制作的永磁体21，则构成永磁隐极式统一磁场双机械端口电机；为进一步减轻外转子质量，也可以采用高强度塑料或碳纤维框架做外转子永磁体框架。上述四种结构中，当框架27由导磁材料制成的，槽28中嵌入钕铁硼、钐钴等材料制作的永磁体21，则构成永磁磁阻式统一磁场双机械端口电机；上述四种结构中，当框架27由导磁材料制成的，槽28中填充非导磁材料，则构成磁阻式统一磁场双机械端口电机；通常可以在框架上开好槽即可，非导磁材料空气会自动填充。

如图12所示，沿着与外转子框架27的中心轴平行的方向，在导磁材料制成的框架27的内圆周和外圆周上分别以预定间隔开出凹槽28，在槽28中填充非导磁材料或者放置导条或绕组，并且将所有槽28中的导条或绕组两端分别用导体连接。

图12所示的结构中，当槽28中填充非导磁材料，则构成磁阻式统一磁场双机械端口电机；通常可以在框架27上开好槽28即可，非导磁材料空气会自动填充。当槽28中放置导条或绕组，并且将所有槽28中的导条或绕组两端分别用导体连接，则构成感应式的双机械端口统一磁场电机。图12所示的外转子上的槽可以是矩形，梯形，圆形或者其他不规则的形状。

图13是本发明的轴向磁通结构的双机械端口电机的结构图。此电机包括圆盘装结构的第一转子45、第二转子44和定子6。第二转子44上包括轭部、径向形成于转子盘面上的转子齿槽和位于转子齿槽内的第二转子绕组422，共同构成了第二机械端口；并列在其旁边是提供统一磁场通路与励磁的第一转子45，即第一机械端口，由外转子框架和镶嵌在框架上的永磁体21组成；在第二转子44和第一转子45之间形成的气隙为第二气隙。并列在第一转子的旁边是由定子轭部、径向形成于定子盘面上的定子齿槽和位于定子齿槽内的定子绕组20构成的定子6，在第一转子45和定子6之间形成的气隙为第一气隙。第一转子45、第二转子44和定子6之间轴心重合。定子绕组20可以为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第一电气端口。第二转子绕组422可以为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第二电气端口。第一机械端口通过轴1将机械能输入或者输出，第二机械端口通过轴2将机械能输入或者输出。第二转子绕组422通过轴2上的滑环8引出。

上述轴向磁通结构双机械端口电机定子6与第一转子45之间的第一气隙、第一转子45与第二转子44之间的第二气隙通过同一主磁通，即两个实现机电能量转换的气隙共用统一磁场。这种磁场的耦合有以下的积极效果：首先，第一气隙和第二气隙的磁场方向、大小相同，穿过第一气隙的磁通必然穿过第二气隙。对于轴向统一磁场双机械端口电机来说，夹在第一、第二气隙间的第一转子只有轴向磁通，而没有径向和圆周方向的磁通，磁场得到充分的利用。因此，第一转子45无需提供与主磁通垂直方向的磁路，轴向厚度可以减小，提高了双机械端口电机的功率密度；其次，可以通过控制定子6的电流达到控制第一转子45、第二转子44运动状态，也可以通过控制第二转子44的电流来控制第一转子45运动状态，即上述双机械端口电机的控制更加灵活。

其中本发明的轴向磁场双机械端口电机的第一转子45做成圆盘形状，沿着与第一转子45的中心轴平行的方向称为轴向，与第一转子45的中心轴垂直的方向称为径向。本发明的电机的第一转子45的特点为轴向厚度薄于现有双转子电机的外转子。可以设计成多种形式，如图14、图15、图16、图17、图18所示。

如图14所示，沿着第一转子框架427的径向，在框架427的圆周上以预定间隔开出槽428，槽贯穿了第一转子壁，在槽428中嵌入或填充非导磁材料。

如图15所示，沿着第一转子框架427的径向，在框架427的圆周上以预定间隔开出凹槽428，所开出的凹槽428的轴向深度小于第一转子45的轴向厚度，在槽428中埋入永磁体或填充非导磁材料。

如图16所示，沿着第一转子框架427的径向，在框架427的圆周上以预定间隔开出凹槽428，所开出的凹槽428的轴向深度小于第一转子45的轴向厚度，并且所述凹槽428的开口面向第二转子，在槽428中埋入永磁体或填充非导磁材料。

如图17所示，沿着第一转子框架427的径向，在框架427的圆周上以预定间隔开出凹槽428，所开出的凹槽428的径向深度小于第一转子45的径向厚度，并且所述凹槽428的开口面向定子，在槽428中埋入永磁体或填充非导磁材料。

上述四种结构中，当框架427由不导磁材料制成的，槽428中嵌入钕铁硼、钐钴等材料制作的永磁体21，则构成永磁隐极式统一磁场双机械端口电机；为进一步减轻外转子质量，也可以采用高强度塑料或碳纤维框架做第一转子框架。上述四种结构中，当框架427由导磁材料制成的，槽428中嵌入钕铁硼、钐钴等材料制作的永磁体21，则构成永磁磁阻式统一磁场双机械端口电机；上述四种结构中，当框架427由导磁材料制成的，槽428中填充非导磁材料，则构成磁阻式统一磁场双机械端口电机；通常可以在框架上开好槽即可，非导磁材料空气会自动填充。

如图18所示，沿着第一转子框架427的径向，在框架427的两面上分别以预定间隔开出凹槽428，在槽428中填充非导磁材料或放置导电材料，并且将所有槽中的导体两端分别用导体连接。

图18所示的结构中，当槽428中填充非导磁材料，则构成磁阻式统一磁场双机械端口电机；通常可以在框架427上开好槽428即可，非导磁材料空气会自动填充。当槽428中放置导条或绕组，并且将所有槽428中的导条或绕组两端分别用导体连接，则构成感应式的双机械端口统一磁场电机。

轴向磁通电机的第一转子45、第二转子44、定子6并列的排列在统一个轴线上，在制造和安装上更加简单方便。

本发明的双机械端口电机不仅包括上述的双转子形式的电机，还包括：两个机械端口为直线运动的动子形式；其中一个机械端口为直线运动的动子形式，另一个机械端口为旋转运动的转子形式。

下面结合图19、图20说明本发明双机械端口电机的控制系统的结构。

图19是本发明双机械端口电机驱动控制系统的第一种拓扑结构，一个电机控制单元16控制逆变器11和逆变器12，逆变器11和逆变器12与通过同一个直流母线13与直流电源15相连。由电机控制单元16控制上述逆变器11和逆变器12，为本发明的双机械端口电机3供电。电机控制单元16由中央处理单元CPU，存储单元RAM/ROM和外围的通讯、数据采集、控制输出等模块构成可编程的通用控制电路，它通过信号线分别与两个逆变器以及双机械端口电机相连。电机控制单元16向逆变器11和逆变器12发出控制信号，同时接收采集到的双机械端口电机3和逆变器11和逆变器12的输出信号。

图20是本发明双机械端口电机驱动控制系统的第二种拓扑结构，由一个电机控制单元16、逆变器11和逆变器12和一个直流-直流变换环节14构成。与第一种拓扑结构不同的是，这种拓扑结构中直流母线13通过一个直流-直流变换环节14将两个逆变器和直流电源15连接。电机控制单元16由中央处理单元CPU，存储单元RAM/ROM和外围的通讯、数据采集、控制输出等模块构成可编程的通用控制电路，它通过信号线分别与两个逆变器11、12以及双机械端口电机相连。电机控制单元16向逆变器11、逆变器12和直流-直流变换环节14发出控制信号，同时接收采集到的双机械端口电机3、逆变器11、逆变器12和直流-直流变换环节14的输出信号。在本发明的统一磁场双机械端口电机3驱动系统中，直流-直流变换器14可以起到根据需要提升直流母线13的电压的功能。其优点在于：当上述双机械端口电机3由于磁场所感生的反电势低时提供较低的直流母线电压以提高脉宽调制的占空比，改善电机电流波形并提高效率；当上述双机械端口电机由于磁场所感生的反电势高时，提高直流母线13电压，尽量减少弱磁工况，以提高系统效率。

上述的本发明驱动系统的拓扑结构的直流-直流变换环节有多种方案。下面根据图21、图22、图23进行说明。

图21是采用一种Z-source(一种直流变换器的拓扑结构)形式直流-直流变换器的双机械端口电机的驱动系统的拓扑结构。其中虚线框中为这种Z-source直流-直流变换环节141，带有反并联二极管的开关管T₁的发射极与电池15的正极连接，开关管T₁的集电极通过电感L₁与直流母线的正极连接，开关管T₁的集电极与电容C₁的正极相连，电容C₁的负极与直流母线的负极连接；电池15的负极通过电感L₂与直流母线的负极连接，同时，电池15的负极与电容C₂的负极相连，电容C₂的正极与直流母线的正极连接。

图22是采用一种Cuk(一种直流变换器的拓扑结构)形式直流-直流变换器的双机械端口电机的驱动系统的拓扑结构。其中虚线框中为这种Cuk直流-直流变换环节142，电容C₃的负极通过电感L₃与电池的负极连接，电容C₃的正极与直流母线的正极相连；电容C₄的正极通过电感L₄与电池的正极连接，电容C₄的负极与直流母线的负极相连；带有反并联二极管的开关管T₂的发射极与电容C₃的负极相连，开关管T₂的集电极与电容C₄的正极相连。

图23是采用一种boost(一种直流变换器的拓扑结构)形式直流-直流变换器的双机械端口电机的驱动系统的拓扑结构。其中虚线框中为这种boost直流-直流变换环节143，不带反并联二极管的开关管T₃的发射极通过电感L₅与电池的正极相连，开关管T₃的集电极与直流母线的正极相连；电容C₅的正端与直流母线的正极相连，电容C₅的负端与直流母线的负极相连；二极管D₂正极与电池15的正极相连，负极连接在直流母线的正极上；二极管D₁正极与电池15的负极相连，二极管D₁负极连接在开关管T₃的集电极。

电机控制单元16通过控制图21中的T₁、图22中的T₂、图23中的T₃的占空比来控制直流母线的电压。

上述的双机械端口电机驱动系统中采用了三相的逆变器11和12。在实际中根据本发明的电机绕组的相数，逆变器做相应的变化。当第一、第二电气端口均为三相时，逆变器为两个三相逆变器；当电气端口的相数为多相时，与之相连的逆变器也为多相。根据两个电气端口相数的不同组合，存在多种双机械端口电机的形式和多种控制的拓扑结构。

下面结合图24、图25、图26、图27、图28说明本发明的径向磁通双机械端口电机的控制方法。(在图25、图26、图27、图28中编号以D开头的表示这些步骤都是在双机械端口电机驱动控制单元16中完成的，由软件编程实现。)

图24是本发明控制方法用到的坐标系的定义图。定义静止坐标系α_β，α轴与自然坐标系的A相重合，β超前α轴90度；定义同步旋转坐标系d_q，d轴与外转子5的永磁体的N极重合，q超前d轴90度，d_q坐标系与外转子5同步的速度旋转；定义转子坐标系γ_δ，γ轴以内转子4的任意一个固定位置重合，δ超前γ轴90度，γ_δ坐标系与内转子4同步的速度旋转。双机械端口电机的所有电磁量均可以用任一上述坐标系下的矢量来表示。

由于上述双机械端口电机的第一、第二气隙磁场统一，第一电气端口的电流的变化会影响统一磁场的分布，从而影响第一机械端口的输出转矩、转速，同时也会影响到第二机械端口的输出转矩、转速；同理，第二电气端口的电流变化同样会影响到第一机械端口的转矩和转速。本发明提出如下的两种方案：

转矩控制的实施方案一如图25、图26所示。设定双机械端口电机3工作点(即内转子和外转子的目标转矩或者目标转速)后，双机械端口电机控制按照图25所示的控制框图进行控制。给定双机械端口电机内转子4和外转子5的目标转速，同时通过转速传感器9、10测双机械端口电机3两个转子轴的转速，通过电流传感器D116和电压传感器D137测量定子绕组20的三相电流和三相电压值，并且分别进行三相到两相的变换D135转换为两相静止坐标下的电流电压值，通过电流传感器D118测量内转子绕组22的三相电流，并且分别进行三相到两相的变换和反旋转变换D136转换为两相静止坐标下的电流值，基于内转子4的目标转速和外转子5的目标转速通过转速环控制器D130来设定施加于静止坐标系下的目标电流值。根据所得到的目标电流值与电流传感器实测电流值的偏差通过比例积分控制器D131、D132来设定施加于各相的电压值。这样设定的定子绕组电压值经过两相到三相的变换D133转换成静止坐标系下三相的电压值，经过D132所设定的电压值经过旋转变换和两相到三相的变换D134变换成转子坐标系下三相的电压值，逆变器11、12的晶体管根据得到的三相电压值，通过脉宽调制(PWM)后施加于双机械端口电机3的内转子4和定子5的绕组22、20上，达到控制双机械端口电机3的目的。其中积分器D139通过对转速传感器9测量的内转子4的转速值进行积分，得出位置信号提供给坐标变换器D134和D136。

下面结合图26说明转速环控制器D130进行内转子4和外转子5的转矩控制的实施方案。设定内转子的给定转速为ω₂ ^*，与转速传感器9测的内转子4实际转速ω₂的偏差经过比例项、积分项的比例积分控制器D140控制即可得出内转子4所需的目标转矩T₂ ^*。磁链观测器D144通过对定子绕组20的反电势积分，观测出定子绕组20的磁链λ_s。定子反电势由定子侧电压减去定子电阻压降可得。根据转矩控制单元D142即可得出内转子4在静止坐标系下的目标电流。外转子5的目标转矩T₁ ^*通过外转子5的目标转速ω₁ ^*和实际转速ω₁偏差经过比例积分控制器D141得出。由此目标转矩T₁ ^*和定子磁链，通过转矩控制单元D143即可计算出定子6在静止坐标系下的目标电流。转矩控制单元D142、D143首先根据 $\left|i\right|=\frac{T^{*}}{\left|{\mathrm{\λ}}_s\right|}$ 确定电流的大小，再根据磁链λ_s的相位来确定电流的相位。当转矩给定为正时，电流超前于磁链λ_s90度，当转矩给定为负时，电流滞后于磁链λ_s90度。采用这样的控制方法，总可以在气隙磁链λ_s恒定时，相同的输出转矩绕组电流最小。有效的减小了电机的损耗，提高了系统的效率。

转矩控制的实施方案二如图27、图28所示。设定双机械端口电机3工作点，即内转子和外转子的目标转矩或者目标转速后，双机械端口电机控制按照图27所示的控制框图进行控制。给定双机械端口电机内转子4和外转子5的目标转速，同时通过转速传感器9、10检测双机械端口电机3两个转子轴的转速，基于内转子4的目标转速和外转子5的目标转速，通过转速环控制器D102来设定施加于同步旋转坐标系下的目标电流值。根据所得到的目标电流值与电流传感器实测电流值，经过三相到两相和反旋转变换D103、D105转换到两相同步旋转坐标系下的电流值的偏差，通过电流控制器D104、D110来设定施加于各相的电压值。D104、D110为比例积分控制器，所设定的电压值由上述偏差的比例项、积分项和之前累计项来设定，各个项的比例、积分系数通过试验等设定成适当值。这样设定的电压值经过旋转变换和两相到三相D108、D114转换为三相静止坐标系下的电压设定值。逆变器11、12的晶体管根据所得到的三相电压设定值，通过脉宽调制后施加于双机械端口电机3的内转子4和定子5的绕组22、20上，达到控制双机械端口电机3的目的。由此，本实施例的双机械端口电机3可以从轴1和轴2输出所要求的转矩和转速组成的动力。其中积分器D106通过对转速传感器10测量的外转子5的转速值进行积分，得出位置信号提供给坐标变换器D103和108。其中积分器D112通过对转速传感器9测量的内转子4的转速值进行积分，得出位置信号提供给坐标变换器D105和114。

下面结合图28说明转速环控制器D102进行内转子4和外转子5的转矩解耦控制的实施方案二。设定内转子4的给定转速为ω₂ ^*，与转速传感器9测的内转子4实际转速ω₂的偏差经过比例项、积分项、累计项的比例积分控制器D120控制即可得出内转子4所需的目标转矩T₂ ^*，根据单位电流最大转矩控制(一种转矩控制方案，根据给定转矩确定一个电流分配的组合。采用这种控制方案可以在输出相同的转矩时，所需的电流最小)D122即可得出内转子4在同步旋转坐标系下的目标电流i_dqr ^*。外转子5的目标转矩T₁ ^*通过外转子5的目标转速ω₁ ^*和实际转速ω₁偏差，经过比例积分控制器D121得出。由解耦方案D123，令目标转矩T₁ ^*中的包含内转子4电流i_dqr ^*的部分为零得出解耦条件，本例中L_mdi_d，si_q，r＝L_mqi_q，si_d，r其中L_md、L_mq分别为同步旋转坐标系下定子绕组和内转子绕组的d/q轴互感，同时根据内转子4在同步旋转坐标系下的目标电流i_dqr ^*和目标转矩T₁ ^*，可以确定外转子5在同步旋转坐标系下的目标电流i_dqs ^*。采用如上的转矩控制方案，可以自由的控制内转子4的转矩而不受定子绕组20电流的影响。

当上述统一磁场双机械端口电机的驱动控制系统采用图20所示的带有直流-直流变换环节14的拓扑结构时，直流母线电压可以根据需要进行调节。因此，电机控制单元16除了具有根据双机械端口电机输入输出的要求实现上述双机械端口电机3转矩转速控制的功能外，还具有根据双机械端口电机提出的直流母线要求进行直流母线的调节的功能。具体控制方案如下：用电压传感器采集直流-直流变换环节输出的母线直流电压，同时根据转速传感器测得的两个机械端口的实际转速和观测到的磁链，确定两个电气端口分别所需的直流母线电压，根据其中较大的一项调整直流-直流变换环节，使直流-直流变换环节的实际输出同时满足两个电气端口的需要。

将上述控制方法中的径向磁通电机的内转子4对应于轴向磁通电机的第二转子44，将径向磁通电机的外转子5对应于轴向磁通电机的第一转子45，就可以把上述的控制方法推广到轴向磁通的双机械端口电机控制。

下面结合图29说明本发明双机械端口电机在混合动力汽车中应用的拓扑结构。双机械端口电机3中的第一机械端口5通过变速齿轮18和车轮17连接，第二机械端口4直接与内燃机19连接。驱动控制系统采用图25所示的带有直流-直流变换环节的拓扑结构，逆变器11、逆变器12通过直流-直流变换环节14与电池、超级电容等储能环节15连接，分别给两个电气端口供电。电机控制器16接收采集到的电压电流、转速等信号，同时向逆变器11、逆变器12和直流-直流变换环节14发出控制信号。

图29中采用了径向磁通双机械端口的电机，上文所述的轴向磁通的双机械端口电机也可以用在混合动力汽车中。轴向磁通双机械端口电机中的第一机械端口45通过变速齿轮18和车轮17连接，第二机械端口44直接与内燃机19连接。图29中采用了带有直流-直流变换环节的驱动控制系统，上文所述的不带有直流-直流变换环节的驱动控制系统也可以用在混合动力汽车中。

下面结合图30～图38说明径向统一磁场双机械端口电机在混合动力汽车中的控制方法和工作过程。假定第一机械端口5的输出转矩为T1，转速为W1；第二机械端口4的输出转矩为T2，转速为W2。在内燃机输出能量的情况下，根据双机械端口电机3两个机械端口的转速和转矩的关系，双机械端口电机3可以分为以下9种工作模式，图30～图38分别对应这9种模式：

1.T1＝T2，W1＝W2；

2.T1＝T2，W1＞W2；

3.T1＝T2，W1＜W2；

4.T1＞T2，W1＝W2；

5.T1＞T2，W1＞W2；

6.T1＞T2，W1＜W2；

7.T1＜T2，W1＝W2；

8.T1＜T2.W1＞W2；

9.T1＜T2，W1＜W2；

当W1＞W2时，外转子5的转速高于内转子4，要保证内外气隙的磁场统一，内转子绕组22中电流产生的磁场应该和外转子5的永磁体21产生的磁场同步，在内转子中需要一个频率为(W1-W2)的滑差电流矢量。(W1-W2)＞0，内转子4处于电动状态；当W1＜W2时，在内转子中产生一个频率为(W1-W2)的滑差电流矢量，(W1-W2)＜0，内转子处于发电状态。当T1＞T2时，定子6在外转子5上产生一个正向的(T1-T2)的转矩，定子6处于电动状态；T1＜T2时，定子6在外转子上产生一个反向的(T1-T2)的转矩，定子6处于发电状态。以上的9种工作模式对应着内转子4和定子6电动和发电状态的9种不同的组合。

下面结合图30说明双机械端口电机3在模式1中的控制方法和工作过程。内转子4和定子6既不发电也不电动，仅仅将内燃机19输入的能量通过第二机械端口4，从第一机械端口5通过变速齿轮18传递到车轮17。此时，定子绕组20目标电流给定为零，即不进行控制；内转子绕组22施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡。在混合动力车中，这种模式通常用于高速巡航的工况。

下面结合图31说明双机械端口电机3在模式2中的控制方法和工作过程。内转子4处于电动状态，定子6既不发电也不电动。这种模式通常用于内燃机19输出转矩等于需要外转子5输出的驱动转矩，但是转速低于需要外转子5输出的转速。此时，定子绕组20目标电流给定为零，即不进行控制；内转子绕组22施加一个与外转子5同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡，控制它的转速等于外转子5转速和内转子4的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和内转子4转速之和与外转子5的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位。内转子4在传递内燃机19的机械能的同时，将电池等储能设备15提供的电能转化为机械能，为外转子5输出提供辅助动力，提高输出转速。

下面结合图32说明双机械端口电机在模式3中的控制方法和工作过程。内转子4处于发电状态，定子6既不发电也不电动。这种模式通常用于内燃机19输出转矩等于需要外转子5输出的驱动转矩，但是转速高于需要外转子5输出的转速。内转子4通过将部分机械能转化为电能储存在电池或其他储能设备15中，平滑了内燃机19的输出功率尖峰，使外转子5低速稳定运行。此时，定子绕组20目标电流给定为零，即不进行控制；内转子绕组22施加一个与外转子5反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡，控制它的转速等于外转子5转速和内转子4的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和外转子5转速之和与内转子4转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

下面结合图33说明双机械端口电机在模式4中的控制方法和工作过程。内转子4既不发电也不电动，定子6处于电动状态。这种模式通常用于内燃机19输出转矩不够。定子6通过将电池或者其他储能设备15提供的电能转化为机械能，为输出提供辅助动力，提供短时大转矩的输出。此时，定子绕组20施加一个与外转子5同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与外气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩之和等于驱动轴1所需的转矩；内转子绕组22施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡。

下面结合图34说明双机械端口电机在模式5中的控制方法和工作过程。内转子4处于电动状态，定子6处于电动状态。这种模式通常用于内燃机19输出转矩转速均不能满足需求的工况。内转子4、定子6通过将电池或者其他储能设备15提供的电能转化为机械能，提供所需动力。此时，定子绕组20施加一个与外转子5同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与外气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩之和等于驱动轴1所需的转矩；内转子绕组22施加一个与外转子5同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡，控制它的转速等于外转子5转速和内转子4的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和内转子4转速之和与外转子5的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位。

下面结合图35说明双机械端口电机在模式6中的控制方法和工作过程。内转子处于发电状态，定子处于电动状态。这种模式通常用于内燃机19输出高速小转矩，而外转子5需要低速大转矩的工况。内转子4将部分机械能转化为电能储存在电池或者其他储能设备15中，定子6通过将电池或者其他储能设备15提供的电能转化为机械能，为外转子5输出提供辅助转矩。如果内转子4发电的能量与定子6所需的电能相等，整个系统则处于输入输出能量平衡的状态。无论电池或者其他储能设备15的状态如何，这种工作模式可以长期运行。从内转子4和外转子5的输出转矩和转速可见，这种模式下本发明电机完成了齿轮的功能。此时，定子绕组20施加一个与外转子5同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与外气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩之和等于驱动轴1所需的转矩；内转子绕组22施加一个与外转子5反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡，控制它的转速等于外转子5转速和内转子4的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和外转子5的转速之和与内转子4的转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

下面结合图36说明双机械端口电机在模式7中的控制方法和工作过程。内转子既不发电也不电动，定子处于发电状态。这种模式通常用于内燃机19输出转矩大于外转子5所需的转矩，定子6将部分机械能转化为电能储存在电池或者其他储能设备中，进行能量的回馈，多用于刹车等工况。此时，定子绕组20施加一个与外转子5同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与外气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩之差等于驱动轴1所需的转矩；内转子绕组22施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡。如果内燃机停止状态下，励磁电流给定为零。

下面结合图37说明双机械端口电机在模式8中的控制方法和工作过程。内转子处于电动状态，定子处于发电状态。这种模式通常用于内燃机19输出低速大转矩，而外转子需要高速小转矩的工况。定子6将部分机械能转化为电能储存在电池或者其他储能设备15中，内转子4通过将电池或者其他储能设备15提供的电能转化为机械能，为外转子5输出提供辅助动力。如果定子6发电的能量与内转子4所需的电动能量相等，整个系统则处于输入与输出能量平衡的状态。无论电池或者其他储能设备15的状态如何，这种工作模式可以长期运行。从内转子4和外转子5的输出转矩和转速可见，这种模式下本发明电机完成了变速齿轮的功能。此时，定子绕组20施加一个与外转子5同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与外气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩之和等于驱动轴1所需的转矩；内转子绕组22施加一个与外转子5同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡，控制它的转速等于外转子5转速和内转子4的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和内转子4转速之和与外转子5相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位。

下面结合图38说明双机械端口电机在模式9中的控制方法和工作过程。内转子4处于发电状态，定子6处于发电状态。这种模式通常用于刹车的工况，内转子4、定子6将部分机械能转化为电能储存在电池或者其他储能设备15中。此时，定子绕组20施加一个与外转子5同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与外气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩之差等于驱动轴1所需的转矩；内转子绕组22施加一个与外转子5反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在内气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机19输出的转矩平衡，控制它的转速等于外转子5转速和内转子4的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和外转子5转速之和与内转子4的转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

其中，2、3、4、5、7、9模式中，两个机械端口的输入输出能量大小不同，因此需要储能设备15提供或者回馈能量；而1、6、8模式中，可以实现两个机械端口能量平衡，无需储能设备15提供能量亦可长期运行的稳定模式。

由以上分析可见，双机械端口电机的两个机械端口是相互独立的。通过控制内转子4和定子6的绕组22、20可以控制内转子4和外转子5的能量传递和机电能量耦合。采用合理的控制方案可以使双机械端口电机在上述的9种工作模式中切换，使能量在两个机械端口和电气端口间传递和耦合，最终达到用户所需的最佳的使用效果。在混合动力汽车中，可以根据汽车工况的实际需要选择合理的工作模式，达到既有较好的输出特性，又可以提高系统效率的目的。

如果采用轴向磁通的双机械端口电机，工作过程和控制方法是相同的。上述控制方法中的径向磁通电机的内转子4对应轴向磁通电机的第二转子44，径向磁通电机的外转子5对应轴向磁通电机的第一转子45。

Claims (6)

1.一种双机械端口电机，主要包括双转子和定子[6]，其特征在于：

所述的双机械端口电机为轴向磁通结构，包括圆盘状结构的第一转子[45]、第二转子[44]和定子[6]；第二转子[44]上包括轭部、径向形成于转子盘面上的转子齿槽和位于转子齿槽内的转子绕组[422]，构成了第二机械端口；提供统一磁场通路与励磁的第一转子[45]并列在第二转子[44]一侧，第一转子[45]即第一机械端口；在第二转子[44]和第一转子[45]之间形成的气隙为第二气隙；并列在第一转子[45]的另一侧是由定子轭部、径向形成于定子盘面上的定子齿槽和位于定子齿槽内的定子绕组[20]构成的定子[6]；在第一转子[45]和定子[6]之间形成的气隙为第一气隙；第一转子[45]、第二转子[44]和定子[6]之间轴心重合；定子绕组[20]为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第一电气端口；第二转子绕组[422]为三相或多相绕组，构成双机械端口电机的第二电气端口；电机定子[6]与第一转子[45]之间的第一气隙、第一转子[45]与第二转子[44]之间的第二气隙通过同一主磁通，即两个实现机电能量转换的气隙共用统一磁场。

2.按照权利要求1所说的双机械端口电机，其特征在于所述的轴向磁通结构双机械端口电机第一转子有以下几种结构形式：

(1)沿着第一转子框架[427]的径向，在框架[427]的圆周上以预定间隔开出槽[428]，槽[428]贯穿了第一转子壁，在槽[428]中嵌入或填充非导磁材料；

(2)沿着第一转子框架[427]的径向，在框架[427]的圆周上以预定间隔开出凹槽[428]，凹槽[428]的轴向深度小于第一转子[45]的轴向厚度，凹槽[428]的开口面向第二转子，在槽[428]中嵌入永磁体或填充非导磁材料；

(3)沿着第一转子框架[427]的径向，在框架[427]的圆周上以预定间隔开出凹槽[428]，凹槽[428]的轴向深度小于第一转子[45]的轴向厚度，凹槽[428]的开口面向定子[6]，在槽[428]中嵌入永磁体或填充非导磁材料；

上述三种结构中，当框架[427]由不导磁材料制成，槽[428]中嵌入钕铁硼、钐钴制作的永磁体[421]，则构成永磁隐极式统一磁场双机械端口电机；当框架[427]由导磁材料制成，槽[428]中嵌入钕铁硼、钐钴制作的永磁体[421]，则构成永磁磁阻式统一磁场双机械端口电机；当框架[427]由导磁材料制成，槽[428]中填充非导磁材料，则构成磁阻式统一磁场双机械端口电机；

(4)沿着第一转子框架[427]的径向，在框架[427]的两面上分别以预定间隔开出凹槽[428]，在槽[428]中填充非导磁材料或放置导条或绕组，并且将所有槽中的导条或绕组两端分别用导体连接；

当槽[428]中填充非导磁材料，则构成磁阻式统一磁场双机械端口电机；当槽[428]中放置导条或绕组，并且将所有槽[428]中的导条或绕组两端分别用导体连接，则构成感应式的双机械端口统一磁场电机。

3.一种双机械端口电机的驱动控制系统，包括如权利要求1所述的双机械端口电机，其特征在于所述的驱动控制系统包括一个电机控制单元[16]、第一逆变器[11]和第二逆变器[12]和一个直流-直流变换环节[14]；直流母线[13]通过所述直流-直流变换环节[14]将所述两个逆变器[11、12]与直流电源[15]连接；电机控制单元[16]由中央处理单元CPU，存储单元RAM/ROM和外围的通讯、数据采集、控制输出模块构成可编程的通用控制电路，它通过信号线分别与所述两个逆变器[11、12]以及所述的双机械端口电机[3]相连；电机控制单元[16]向第一逆变器[11]、第二逆变器[12]和直流一直流变换环节[14]发出控制信号，同时接收采集到的所述的双机械端口电机[3]、第一逆变器[11]、第二逆变器[12]和直流-直流变换环节[14]的输出信号。

4.按照权利要求3的所述的双机械端口电机的驱动控制系统，其特征在于转速环控制器[D130]对轴向磁通双端口电机的第二转子[44]和第一转子[45]进行转矩控制，方法如下：

设定第二转子的给定转速为与转速传感器[9]测得第二转子实际转速ω₂的偏差经过比例项、积分项的比例积分控制器[D140]控制，即可得出第二转子[44]所需的目标转矩磁链观测器[D144]通过对定子绕组[20]的反电势积分，观测出定子绕组[20]的磁链λ_s；定子反电势由定子侧电压减去定子电阻压降可得；根据转矩控制单元A[D142]即可得出第二转子[44]在静止坐标系下的目标电流；第一转子[45]的目标转矩

通过第一转子[45]的目标转速

和实际转速ω₁偏差经过比例积分控制器[D141]得出；由此目标转矩

和定子磁链，通过转矩控制单元B[D143]即可计算出定子[6]在静止坐标系下的目标电流；转矩控制单元A[D142]和转矩控制单元B[D143]首先根据

确定电流的大小，再根据磁链λ_s的相位来确定电流的相位；当转矩给定为正时，电流超前于磁链λ_s90度，当转矩给定为负时，电流滞后于磁链λ_s90度。

5.按照权利要求3所述的双机械端口电机的驱动控制系统，其特征在于转速环控制器[D102]设定施加于同步旋转坐标系下的目标电流值，对轴向磁通双机械端口电机的第二转子[44]和第一转子[45]进行转矩解耦控制，方法如下：

设定第二转子[44]的给定转速为与转速传感器[9]测的第二转子[44]实际转速ω₂的偏差经过比例项、积分项的比例积分控制器[D120]控制，即可得出第二转子[44]所需的目标转矩

根据单位电流最大转矩控制[D122]即可得出第二转子[44]在同步旋转坐标系下的目标电流第一转子[45]的目标转矩

通过第一转子[45]的目标转速

和实际转速ω₁偏差，经过比例积分控制器[D121]得出；令目标转矩

中的包含第二转子电流的部分为零得出解耦条件，同时根据第二转子[44]在同步旋转坐标系下的目标电流和目标转矩

可以确定第一转子[45]在同步旋转坐标系下的目标电流。

6.按照权利要求3至5的任何一项所述的双机械端口电机的驱动控制系统，其特征在于双机械端口电机[3]应用于混合动力汽车时，双机械端口电机[3]的第二机械端口直接与混合动力汽车的内燃机输出轴连接，第一机械端口通过混合动力汽车变速齿轮[18]和车轮[17]连接；所述双机械端口电机驱动控制系统的两个逆变器分别给双机械端口电机[3]的第一电气端口和第二电气端口供电；

所述的双机械端口电机驱动控制系统控制混合动力汽车的驱动方法如下：

当内燃机转矩等于驱动转矩，内燃机转速等于车速时，第一电气端口目标电流给定为零，即不进行控制；第二电气端口施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡；

当内燃机转矩等于驱动转矩，内燃机转速小于车速时，第一电气端口目标电流给定为零，即不进行控制；第二电气端口施加一个与第一机械端口同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第二机械端口转速之和与第一机械端口的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位；

当内燃机转矩等于驱动转矩、内燃机转速大于车速时，第一电气端口目标电流给定为零，即不进行控制；第二电气端口施加一个与第一机械端口反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第一机械端口转速之和与第二机械端口转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位；

当内燃机转矩小于驱动转矩、内燃机转速等于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡；

当内燃机转矩小于驱动转矩、内燃机转速小于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第二机械端口转速之和与第一机械端口的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位；

当内燃机转矩小于驱动转矩、内燃机转速大于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位超前于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之和等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第一机械端口转速之和与第二机械端口转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位；

当内燃机转矩大于驱动转矩、内燃机转速等于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个超前于统一磁场的直流的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡；

当内燃机转矩大于驱动转矩、内燃机转速小于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口同方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第二机械端口转速之和与第一机械端口的转速相等，并且相位超前于气隙中统一磁场相位；

当内燃机转矩大于驱动转矩、内燃机转速大于车速时，第一电气端口施加一个与第一机械端口同向旋转的电流矢量，并且此电流矢量的相位滞后于气隙中统一磁场的相位，控制此电流矢量的大小，使它与第一气隙统一磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩之差等于汽车所需的驱动转矩；第二电气端口施加一个与第一机械端口反方向旋转的励磁电流矢量，控制此励磁电流的大小，使它在第二气隙磁场的作用下所产生的转矩和内燃机输出的转矩平衡，控制它的转速等于第一机械端口转速和第二机械端口的转速差，即控制励磁电流矢量的转速和第一机械端口转速之和与第二机械端口转速相等，并且相位超前于气隙统一磁场的相位。

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