CN202475197U - 电动汽车用双转子开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动汽车用双转子开关磁阻电机，包括外转子、中间定子和内转子，所述中间定子设置于内、外转子中间，内、外转子在机械上固定在一起，同步旋转，形成一个固定的机械输出轴。外转子及定子外周组成一台外转子开关磁阻电机，内转子及定子内周组成一台内转子开关磁阻电机，组成双转子开关磁阻电机的内、外转子开关磁阻电机可以施以全部电压同时运行，可以单独运行并施以全部或部分电源电压；定子中只有径向的主磁场，在其定子轭中没有周向主磁场；定子内、外周对应齿和内、外转子对应齿可以错开一定的角度排列。本双转子开关磁阻电机可以满足电动汽车对驱动系统的全部性能要求。

Description

电动汽车用双转子开关磁阻电机

技术领域

本实用新型涉及一种开关磁阻电机，尤其是一种电动汽车用双转子开关磁阻电机。

背景技术

目前随着环境及能源问题的加剧，电动汽车的研究开发得到广发重视，在目前蓄电池技术未得突破的背景下，电动汽车的电驱动系统成为其研究开发的重点。电动汽车对其电驱动系统的基本要求是高效、高转矩密度、高可靠性、低速大转矩和高速运行能力，同时要求低振动噪声和容错能力。目前得到应用的电动汽车电驱动系统主要为感应电机系统、永磁无刷直流电机系统、永磁同步电机系统和开关磁阻电动机系统，不同的电驱动系统具有不同的性能优势，都只是部分满足电动汽车的上述要求。

开关磁阻电机转子为凸极铁心结构，其上既没有绕组也没有永磁体，而定子铁心也为凸极结构，其中分布有多相集中绕组，各相绕组间在空间上彼此独立，因此该种电机具有结构简单、运行可靠及容错能力强的优势，而得到一定程度的普及应用，但该种电机依靠定子各相绕组顺序通电产生磁场并吸引转子铁心磁极而产生驱动力，因而其运行效率、转矩密度与其他各种电动汽车驱动电机相比并不占有，而其振动噪声却最高；开关磁阻电机在低速时采用斩波控制方式、高速时采用角度控制方式(APC方式)，而具有一定的低速大转矩及高速运行能力，但这一低速大转矩和高速运行能力远不能满足电动汽车等驱动领域的要求，并且当高速角度控制时具有更高的振动和噪声；再者，该种电机多相定子绕组中一相回路发生故障而剩余几相可以继续运行，因而具有容错能力，但运行性能大大降低，振动噪声极大。可以看出目前的开关磁阻电机同其他几种驱动电机类似，只是部分满足电动汽车驱动的性能要求。

发明内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种电动汽车用双转子开关磁阻电机，该电机结构简单，运行效率高，噪声低，能够满足电动汽车对驱动系统的全部性能要求。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种电动汽车用双转子开关磁阻电机，包括外转子、中间定子和内转子，所述中间定子设置于内、外转子中间，内、外转子在机械上固定在一起，同步旋转，形成一个固定的机械输出轴。

所述内、外转子都是凸极铁心结构，其上既没有绕组也没有永磁体，且内、外转子极数相同。

所述中间定子包括定子铁心和定子绕组，定子铁心为圆柱形结构，在其内、外周上分别开有均匀分布的齿槽，内、外周齿槽数相同，内、外周齿槽中分别放置相数相同的定子多相集中定子绕组。

所述中间定子内、外周绕组串联在一起，采用一套逆变器施加全部电源电压，或者将整个电源电压分成两部分，加到两套逆变器中，分别供电中间定子内、外绕组。

所述中间定子内、外周对应齿中心线不在同一条直线上；所述内、外转子对应齿中心线不在同一条直线上。

所述中间定子中只有径向的主磁场，定子轭部圆周方向没有主磁场，磁场路径由定子外齿沿径向穿过定子轭部到达定子内齿。

本双转子开关磁阻电机由外转子、中间定子及内转子构成，内、外转子在机械上固定在一起同步旋转，即该双转子电机只有一个机械输出轴。

外转子相当于普通外转子开关磁阻电机的转子，内转子相当于普通内转子开关磁阻电机的转子，都是凸极铁心结构，其上既没有绕组也没有永磁体，且内、外转子极数相同。

中间定子由定子铁心和定子绕组构成。定子铁心为圆柱形结构，在其内、外周分别开有均匀分布的齿槽，内、外周齿槽数相同，内、外周齿槽中分别放置相数相同的多相集中绕组。

外转子和定子外周绕组组成一台普通的外转子开关磁阻电机，满足通常开关磁阻电机的相数、定转子极数配合；内转子和定子内周绕组组成一台内转子开关磁阻电机，满足通常开关磁阻电机的相数、定转子极数配合。定子内、外周绕组可以单独供电运行，也可以彼此相绕组串联在一起同时供电运行。

本双转子开关磁阻电机相当于在一台外转子开关磁阻电机的内部加装了一台内转子开关磁阻电机，因此提高了电机的转矩/体积密度。

单转子开关磁阻电机圆弧路径的定子轭部是其磁路的组成部分，因此必须有足够的轭部厚度以满足电机的磁路要求，这一圆弧路径的定子轭部流过主磁场，必然在其中产生铁耗(定子轭部铁耗)，影响电机的运行效率。双转子开关磁阻电机主磁场沿径向穿过定子，即定子部分磁路由定子外周齿、定子内周齿及其间的连接铁轭部分组成，圆弧路径的铁轭已不是该种电机主磁路的一部分，即定子铁轭厚度可以只满足机械强度要求，而不需考虑磁路要求，因此该厚度可以很小，既双转子开关磁阻电机大大降低了组成该电机的内、外转子开关磁阻电机的定子轭部铁心厚度，进一步提高了该种电机的转矩密度；同时该双转子开关磁阻电机定子轭部圆弧方向没有主磁场，也就没有了由主磁场产生的电机定子轭部铁耗，因此提高了电机的运行效率。

定子内、外周绕组可以串联在一起，采用一套逆变器施加全部电源电压，或者将整个电源电压合理分成两部分，加到两套逆变器中，分别供电定子内、外绕组，这两种运行方式效果相同，都是组成双转子开关磁阻电机的内、外转子开关磁阻电机同时工作，具有低速大转矩输出能力，可以满足电动汽车的起动和低速爬坡要求；全部电源电压全部用来驱动定子外周绕组(相当于只有外转子开关磁阻电机运行)，电机处于中高速运行状态，可以满足电动汽车的中高速行驶；全部电源电压全部用来驱动定子内周绕组(相当于只有内转子开关磁阻电机运行)，电机处于高速运行状态，可以满足电动汽车的高速行驶。因此该双转子开关磁阻电机通过组成该电机的内、外转子开关磁阻电机的独立或同时供电运行，通过调整外加的电源电压，使其具有低速大转矩和高速运行能力。而且，通过这一驱动控制，可以使电机始终处于最佳效率运行状态，从而提高了电机的综合运行效率，可以有效提高电动汽车的续行里程。

组成双转子开关磁阻电机的定子内、外周绕组都是由集中分布线圈组成的多相绕组。如定子外周中的某个线圈(即某相绕组)有故障不能工作，可以切断整个定子外周绕组，而只供电定子内周绕组，即只有一个完整的内转子开关磁阻电机工作，此时电机仍具有良好的运行性能；同样如果定子内周中的某个线圈(即某相绕组)有故障不能工作，可以切断整个定子内周绕组，而只供电定子外周绕组，此时只有一个完整的外转子开关磁阻电机工作，同样具有良好的运行性能。因此相对于单转子开关磁阻电机缺相运行引起的运行性能变差的缺点，双转子开关磁阻电机在故障时仍有一完好的单转子开关磁阻电机正常工作，即该种电机具有更好的容错运行性能。

双转子开关磁阻电机的定子内、外周对应齿中心线可以适当偏移，内、外转子对应齿中心线也可以适当偏移，从而有效降低该电机的振动和噪声。

附图说明

图1为普通3相12/16定转子极外转子开关磁阻电机；

图2为普通3相12/16定转子极内转子开关磁阻电机；

图3为外转子开关电机或内转子开关磁阻电机所具有的转矩转速包络线；

图4为3相12/16定转子极双转子开关磁阻电机；

图5为双转子开关磁阻电机的装配图；

图6为图3所示双转子开关磁阻电机沿圆周切开后的展开图；

图7为双转子开关磁阻电机内、外转子对应齿中心线错开一适当角度，定子内、外周对应齿中线对齐；

图8为双转子开关磁阻电机定子内、外周对应齿中线错开一适当角度，内、外转子对应齿中心线对齐；

图9和图10表示组成双转子开关磁阻电机的内、外转子开关磁阻同时工作，且外施全部供电电压，其中图9表示定子内、外周绕组串联后采用一套逆变器供电，图10表示定子内、外周绕组分别由逆变电源供电。

图11表示双转子开关磁阻电机中只有外转子开关磁阻电机单独运行且外施全部供电电压。

图12表示双转子开关磁阻电机中只有内转子开关磁阻电机单独运行且外施全部供电电压。

图13表示外施全部供电电压时，组成双转子开关磁阻电机的内、外转子开关磁阻电机同时工作和单独工作时电机输出转矩与转速的包络线。

其中，1.外转子，2.定子外周绕组，3.定子外周齿，4.定子轭，5.定子内周绕组，6.定子内周齿，7.内转子，8.第一轴承，9.第二轴承，10.机械输出轴，

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

双转子开关磁阻电机的实施及其实施效果如图1-13所示。

普通外转子开关磁阻电机和内转子开关磁阻电机的原理结构图分别如图1和图2所示(都以3相12/16定转子极为例)。

图1中，转子结构简单，转子在定子外面，由16极凸极铁心构成；定子采用12极凸极铁心，其上有A、B、C三相集中绕组。图1中的箭头方向所示为A相电流通电时磁场在定子齿及定子轭中的磁力线方向。

图2中，转子结构简单，转子在定子内部，由16极凸极铁心构成；定子采用12极凸极铁心，其上由A、B、C三相集中绕组。图2中的箭头方向所示为A相电流通电时磁场在定子齿及定子轭中的磁力线方向。

图1、图2中，通过定子各相顺序通电产生磁场并吸引转子对应极而使转子受力旋转，普通双转子开关磁阻电机在低速时采用斩波控制方式，具有恒转矩特性，在高速时采用角度控制方式(APC控制)，具有恒功率特性，如图3所示。该种电机的磁阻转矩特性决定了其具有很高的振动噪声，在APC控制方式下的振动和噪声更高，因此APC控制方式很难满足振动噪声要求，限制了该种电机的低速大转矩和高速运行能力；同时普通开关磁阻电机其效率和转矩密度也不高，但是由于各相定子绕组彼此绝缘分离，因此如果某一相发生故障，可以切断该相，而剩余的各相仍可运行，保证电机的运转，从而使电机具有容错运行能力，尽管由于缺相运行而使性能变差，特别是振动噪声更高。不论内转子开关磁阻电机还是外转子开关磁阻电机，定子磁密路径为定子齿→定子轭→定子齿，即定子轭部沿圆周方向有主磁通，不但产生定子轭部铁耗，而且必须有一定的定子轭部电磁厚度。

将一台内转子开关磁阻电机嵌套入另一台具有相同相数、相同定转子极数配合的外转子开关磁阻电机的定子内部，两电机共用定子轭部，两电机的转子在机械上连在一起形成同一的机械输出轴，就在原理上得到本发明的双转子开关磁阻电机，图4即为3相12/16定转子极双转子开关磁阻电机的原理结构图，其是由图2所示的内转子开关磁阻电机和图1所示的外转子开关磁阻电机构成，相当于将图2所示的3相12/16定转子极内转子开关磁阻电机装入到图1所示的3相12/16定转子极外转子开关磁阻电机构成，内外转子机械上固定在一起，有一同一的机械输出轴，两定子轭部固定在一起形成双转子开关磁阻电机的定子轭部，即双转子开关磁阻电机有外转子1、定子外周绕组2(图示中的三相集中绕组Ao、Bo、Co)、定子外周齿3、定子轭4、定子内轴绕组5(图示中的三相集中绕组Ai、Bi、Ci)、定子内周齿6和内转子7构成。外转子1、定子外周绕组2、定子外周齿3及定子轭4组成一台外转子开关磁阻电机，定子轭4、定子内周绕组5、定子内周齿6及内转子7组成一台内转子开关磁阻电机。图4中箭头方向为内外转子开关磁阻电机同时工作时A相通电时定子铁心中主磁场方向。

图5为双转子开关磁阻电机安装图，内转子和外转子固定在一起，形成一个统一的机械输出轴10，双转子开关磁阻电机的定子通过其两端的第一轴承8、第二轴承9与转子轴支撑。

在图6所示的双转子开关磁阻电机径向展开图中，内、外转子齿中心线对齐，定子内、外周对应齿中心线对齐，定子外周绕组只标出了组成A、B、C三相绕组的3个集中线圈Ao1、Bo1和Co1，定子内周绕组只标出了组成A、B、C三相绕组的3个集中线圈Ai1、Bi1和Ci1；图中定子齿中箭头方向线表示内、外开关磁阻电机同时工作时定子齿中主磁场路径。可以看出该电机的主磁场沿径向穿过定子，定子磁路路径为定子外周齿→定子轭→定子内周齿，即定子轭部沿圆周方向没有磁场，因此不但定子轭部铁耗很低，从而提高了电机的效率，而且轭部厚度可以只满足机械强度要求，而不需要考虑电磁厚度，该厚度可以很小，从而进一步提高了电机的转矩密度。

图6中定子内、外周对应齿中心线对齐、内、外转子对应齿中心线也对齐，此时当内、外转子开关磁阻电机同时工作，且他们的导通起始角和导通持续角都相同时，两个电机所产生转矩随转子位置的变化波形相同，合成的转矩具有很大的转矩脉动，导致较大的振动和噪声。当双转子开关磁阻电机内、外转子对应齿中心线或定子内、外周对应齿中心线错开一适当的角度时，分别如图7和图8所示，内外开关磁阻电机的转矩随转子位置的变化波形也相同，但波形根据偏移角度而发生偏移，因此合成的转矩脉动降低，从而降低了电机的振动和噪声。

图9表示双转子开关磁阻电机定子内、外周对应相绕组串联，采用一套逆变电路并外接全部电源电压，图10表示定子内、外周绕组各采用一套逆变电路，并将全部电源电压按合适的比例分配供电给这两个逆变电路。这两种情况效果相同，即组成双转子开关磁阻电机的内、外转子开关磁阻电机同时工作，具有如图13中1所示的转矩转速包络线(只给出斩波控制方式下得到的恒转矩运行段，下同)，具有低速大转矩运行能力。

图11表示全部电源电压施加到定子外周绕组，只有外转子开关磁阻电机单独工作，其产生的转矩转速包络线如图13中2所示，具有较高的最大转矩和较高的最高转速。

图12表示全部电源电压施加到定子内周绕组，只有内转子开关磁阻电机单独工作，其产生的转矩转速包络线如图13中3所示，具有低的最大转矩和高的最高转速。

实际上，在内、外转子开关磁阻电机单独运行时，施加的外加电压可以低于全部电源电压，从而得到不同的转矩转速包络线。即通过双转子开关磁阻电机内外电机同时运行和单独运行，通过改变内外电机的外加电压，可以得到不同的转矩转速包络线，因此在不采用开关磁阻电机APC控制方式的前提下，很容易满足电动汽车低速大转矩及高速运行能力。

图13中各包络线所包含的区域为双转子开关磁阻电机在该特定运行方式下的全部运行范围，越靠近最高转速点，电机的运行效率越高。因此可以根据电动汽车不同的行驶要求，如低速爬坡、低速平路行驶、中速平路行驶、高速平路行驶等，切换双转子开关磁阻电机的运行状态，使电机始终处于高运行效率状态，从而提高电机的综合效率，提高电动汽车的续行里程。

在图6中，假定定子外周绕组中的某一相绕组比如A相绕组出现故障，可以将定子外周的所有绕组都切断，即此时可以只有定子内周绕组通电，只有内转子开关磁阻电机工作，电机仍具有良好的运行性能。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种电动汽车用双转子开关磁阻电机，其特征是，包括外转子、中间定子和内转子，所述中间定子设置于内、外转子中间，内、外转子在机械上固定在一起，同步旋转，形成一个固定的机械输出轴。

2.如权利要求1所述的电动汽车用双转子开关磁阻电机，其特征是，所述内、外转子都是凸极铁心结构，其上既没有绕组也没有永磁体，且内、外转子极数相同。

3.如权利要求1所述的电动汽车用双转子开关磁阻电机，其特征是，所述中间定子包括定子铁心和定子绕组，定子铁心为圆柱形结构，在其内、外周上分别开有均匀分布的齿槽，内、外周齿槽数相同，内、外周齿槽中分别放置相数相同的定子多相集中定子绕组。

4.如权利要求1或3所述的电动汽车用双转子开关磁阻电机，其特征是，所述中间定子内、外周绕组串联在一起，采用一套逆变器施加全部电源电压，或者将整个电源电压分成两部分，加到两套逆变器中，分别供电中间定子内、外绕组。

5.如权利要求4所述的电动汽车用双转子开关磁阻电机，其特征是，所述中间定子内、外周对应齿中心线不在同一条直线上；所述内、外转子对应齿中心线不在同一条直线上。

6.如权利要求5所述的电动汽车用双转子开关磁阻电机，其特征是，所述中间定子中只有径向的主磁场，定子轭部圆周方向没有主磁场，磁场路径由定子外齿沿径向穿过定子轭部到达定子内齿。

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