CN201323513Y - 一种电动自行车用小功率盘式双转子电机 - Google Patents

Abstract

一种电动自行车用小功率盘式双转子电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分依次包括均为盘式结构的定子、从动转子和原动转子，从动转子的两表面分别贴装梯形波磁场永磁体和正弦波磁场永磁体，原动转子的外表面绕其轴心装有齿轮；电气部分包括定子绕组、原动转子绕组、滑环，电刷，直流电源和电能变换器，定子绕组与梯形波磁场永磁体之间产生梯形波磁场，原动转子绕组与正弦波磁场永磁体之间产生正弦波磁场；滑环安装于原动转子表面，并与原动转子绕组的端部相接触；电刷的一端连接滑环，另一端通过电能变换器连接定子绕组。本实用新型向自行车提供人力、电力以及燃油的混合动力，通过简单的电能变换，实现电力和人力驱动时车辆的无级变速。

Description

一种电动自行车用小功率盘式双转子电机

技术领域

本实用新型属于交流电机及其控制技术领域，具体涉及一种用于电动自行车的小功率盘式双转子电机。

背景技术

随着石油资源的日益匮乏，燃油价格不断攀升，燃油的使用给生态带来了严重的污染问题，这都迫使人们努力寻找廉价的新型车用能源。在这个环境下，电动汽车被人们提上议事日程。然而在电动汽车技术很不成熟的今天，混合动力电动汽车成为了过渡产品的首选。混合动力电动汽车主要分为串联式混合动力、并联式混合动力以及将两者结合的混联式混合动力，各种方式各有优缺点。目前成功开发出的混合动力汽车产品有丰田(Toyota)公司的普雷斯(Pruise)和本田(Honda)公司的思裕(Civic)。Pruise采用了经典的行星齿轮结构，成为人们研究混合动力电动汽车的典范。

20世纪90年代，瑞典皇家工学院(Royal Institute of Technology，Sweden)研究出一种双转子的新型电机，这种电机主要用在混合动力汽车中，综合了三种混合动力方式的优点，详见E.Nordlund，TheFour-Quadrant Transducer System for Hybrid Electric Vehicles.Doctor’sthesis，Royal Institute of Technology，Stockholm，May，2005，ISBN91-7178-057-2，ISSN 1650-674X。

我国是自行车、摩托车大国，将双转子电机应用于电动自行车，混合动力摩托车有着相当广阔的前景。但是目前有关双转子电机的研究还停留在汽车领域，未有有关电动自行车用双转子电机的技术方案被公布。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电动自行车用小功率盘式双转子电机，提供人力、电力以及燃油的混合动力，通过简单的电能变换，实现电力和人力驱动时车辆的无级变速。

一种电动自行车用小功率盘式双转子电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分从左向右依次包括定子1、从动转子2和原动转子3，从动转子2通过轴承转动连接分别与定子1和原动转子3相接，其特征在于：定子1、从动转子2以及原动转子3为盘式结构，从动转子2的左右表面分别贴装梯形波磁场永磁体6和正弦波磁场永磁体7，原动转子3的外表面绕其轴心装有齿轮11；电气部分包括定子绕组4、原动转子绕组5、滑环12，电刷13，直流电源17和电能变换器，定子绕组4与梯形波磁场永磁体6之间产生梯形波磁场，原动转子绕组5与正弦波磁场永磁体7之间产生正弦波磁场；滑环12安装于原动转子3表面，并与原动转子绕组5的端部相接触；电刷13的一端连接滑环12，另一端通过电能变换器连接定子绕组4。

所述电能变换器包括相控整流器14和电子换向器15，相控整流器14的交流侧与电刷13相接，电子换向器15的交流侧与定子绕组4相接，相控整流器14和电子换向器15的直流侧相接。

在所述相控整流器14和电子换向器15之间并联有直流-直流变换器16，直流-直流变换器与直流电源相连接。

所述直流电源是蓄电池或者超级电容器。

所述滑环12安装于原动转子3表面靠近轴心位置处。

本实用新型的技术效果体现为：

当人力通过链条驱动原动转子旋转的时候，原动转子中的绕组与从动转子的永磁体发生感应，在原动转子绕组中感应出电势，通过对相控整流器的控制，就可以从原动转子绕组中输出功率，而且通过对整流角的控制可以控制电功率的大小。这部分功率被整流为直流后通过电子换向器送给定子绕组，定子绕组与从动转子另外一套永磁体发生感应，将这部分电功率转化为机械功率送给车辆。原动转子与从动转子感应的过程中，也会带着从动转子以某一个转差的速度旋转，也就是说，从外界输入到原动转子的功率一部分转化为电能，通过整流器输出，另外一部分直接以机械能的形式传递到从动转子上，供给车辆运行需要。由功率和力矩平衡关系也可以很容易的得出原动转子上感应电功率的大小决定了原动转子与从动转子之间的转差速度，所以其实也就决定了车辆的运行速度，定子与从动转子之间的感应作用只用于增加从动转子上的转矩而不影响其转速。当人以一定速度骑车时，通过控制原动转子上感应电功率大小，车辆就可以实现连续可调的无级变速。同时，直流电源的参与还可以调节期间功率的关系，使车辆运行于人力，电力混合驱动状态或者人力驱动，同时给电源充电的状态。

本实用新型采用双转子电机，将发电机和电动机集成，使得结构紧凑，而且可以实现无级变速，并且将传统双机械端口电机的正弦波磁场改为梯形波磁场，简化了控制。

附图说明

图1是本实用新型实施例结构示意图，其中图1(a)为电机剖面结构图，图1(b)为电机侧视图；

图2是本实用新型工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明实施例。

如图1所示，实施例由机械部分和电气部分组成。机械部分从左向右依次包括定子1、从动转子2和原动转子3，定子1直接与自行车车架固定，从动转子2的左右表面分别贴装用于产生梯形磁场的永磁体6和用于产生正弦波磁场的永磁体7，从动转子与定子1以及自行车车架通过轴承8和轴承10转动连接，并直接安装于车轮轴心位置，用以驱动车辆。原动转子3通过轴承9固定于从动转子2的轴上，并且通过齿轮11与自行车链条相连，作为动力来源。

电气部分包括定子绕组4、原动转子绕组5、滑环12，电刷13，直流电源17和电能变换器，所述电能变换器包括相控整流器14、电子换向器15和直流-直流变换器16；滑环12和电刷13将原动转子绕组5中电功率引出，经过相控整流器14和电子换向器15送给定子绕组4，直流电源通过直流-直流变换器16连接到直流母线上，用于进行功率调整，使车辆运行于实际功率大于人力输入功率的电动状态或者实际功率小于人力输入功率的直流电源充电状态。滑环12安装于原动转子3表面靠近轴心位置处效果更好

定子1、从动转子2以及原动转子3做成盘式结构，永磁体的安装以及绕组的排布构成轴向磁场分布。定子与从动转子之间的气隙磁场呈梯形波磁场分布，从动转子与原动转子之间的气隙磁场呈正弦波磁场分布。电机的定子和原动转子中都有绕组，并且原动转子中的绕组端部通过滑环和电刷将电能引出。

如图2所示，当人以恒定的速度和功率骑车时，带动原动转子3以转速ω_m1的速度运行，输入的机械转矩为T_m1，输入功率为P_m1＝ω_m1·T_m1。

从动转子2的两个表面均贴装永磁体，当原动转子3旋转的时候，原动转子绕组5与正弦波磁场永磁体7相互作用，在空间产生电磁转矩T_f1，电磁转矩T_f1相对于原动转子3是制动性质的，对于从动转子2是拖动性质的。由于电磁转矩T_f1的存在，原动转子3的旋转必定带动从动转子2同方向旋转，从动转子的转速为ω_m2，而且，ω_m2＜ω_m1，这样，原动转子就将一部分机械功率直接传递给了从动转子，由原动转子直接传递给从动转子的功率P_d＝ω_m2·T_f1。

另一部分功率则转化为原动转子绕组5中的电功率P_e1，这部分电功率经过相控整流器14，以及直流-直流变换器16同直流电源17产生能量交换，电功率为P_s，这个功率可能是直流电源17吸收的，也可能是蓄直流电源发出的功率，电功率P_e1与电功率P_s经过电子换向器15被送入到定子绕组4中，此时的电功率大小为P_e2。

定子功率绕组4同梯形磁场永磁体6之间也存在电磁耦合，从而在定子1和从动转子2之间也产生一个电磁转矩T_f2，从动转子2上就受到两个电磁转矩T_f1和T_f2的共同作用，而从动转子2最终的输出机械转矩要同这两个电磁转矩相平衡，所以输出机械转矩T_m2＝T_f1+T_f2，从动转子的转速为ω_m2，所以总的输出机械功率为P_m2＝ω_m2·T_m2。

如果不考虑损耗和与外界能量交换，在这套系统中，P_e1必然等于P_e2，从而P_m1＝P_m2，整个系统的出入机械能和输出机械能是平衡的，但是经过中间环节将部分机械能转化为电能，就改变了输入和输出之间的转速和转矩。

采用本实用新型的这样一套系统，在纯人力驱动下，可以实现速度的连续可调，而且调节过程中是通过对电能的控制实现的，替代了传统变速自行车的机械变速器，解决了普通机械变速器易磨损，需要经常维护而且故障率高易损坏的缺点，而且实现了无级变速。同时又可以作为电动自行车使用或者混合动力车使用，并且具备再生制动以及行进充电的功能，使用方式多种多样，满足人们的各种需求。

Claims (5)

1.一种电动自行车用小功率盘式双转子电机，由机械部分和电气部分组成，机械部分从左向右依次包括定子(1)、从动转子(2)和原动转子(3)，从动转子(2)通过轴承转动连接分别与定子(1)和原动转子(3)相接，其特征在于：定子(1)、从动转子(2)以及原动转子(3)为盘式结构，从动转子(2)的左右表面分别贴装梯形波磁场永磁体(6)和正弦波磁场永磁体(7)，原动转子(3)的外表面绕其轴心装有齿轮(11)；电气部分包括定子绕组(4)、原动转子绕组(5)、滑环(12)，电刷(13)，直流电源(17)和电能变换器，定子绕组(4)与梯形波磁场永磁体(6)之间产生梯形波磁场，原动转子绕组(5)与正弦波磁场永磁体(7)之间产生正弦波磁场；滑环(12)安装于原动转子(3)表面，并与原动转子绕组(5)的端部相接触；电刷(13)的一端连接滑环(12)，另一端通过电能变换器连接定子绕组(4)。

2、根据权利要求1所述的电动自行车用小功率盘式双转子电机，其特征在于，所述电能变换器包括相控整流器(14)和电子换向器(15)，相控整流器(14)的交流侧与电刷(13)相接，电子换向器(15)的交流侧与定子绕组(4)相接，相控整流器(14)和电子换向器(15)的直流侧相接。

3、根据权利要求2所述的电动自行车用小功率盘式双转子电机，其特征在于，在所述相控整流器(14)和电子换向器(15)之间并联有直流-直流变换器(16)，直流-直流变换器(16)与直流电源相连接。

4、根据权利要求3所述的电动自行车用小功率盘式双转子电机，其特征在于，所述直流电源是蓄电池或者超级电容器。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车用小功率盘式双转子电机，其特征在于，所述滑环(12)安装于原动转子(3)表面靠近轴心位置处。

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