CN202669458U - 一种对转双转子电机车用驱动桥系统 - Google Patents

Abstract

一种对转双转子电机车用驱动桥系统，所述对转双转子驱动桥系统包括双转子电机、控制器、电源总线；所述对转双转子电机由励磁绕组缠绕的外转子和内转子配合构成，所述外转子和内转子中一个转子通过连接装置与一侧车轮连接，另一个转子通过连接装置与另一侧车轮连接；所述外转子上的励磁绕组通过滑环机构与控制器连接，控制器还与电源总线连接，所述的双转子电机为串励直流电机、永磁直流电机、混励直流电机或交流电动机。其特点在于由于双转子电机有两个输出轴，既可以提供驱动力又能产生差速效果，功能合二为一，省去了传统的传动轴、主减速器、差速器等，从而大大缩短了整个动力传递路径，提高了整车的效率。

Description

一种对转双转子电机车用驱动桥系统

技术领域

本实用新型涉及一种利用对转双转子电机驱动特性，设计一套主要应用于车辆、三轮摩托车等驱动、差速以及辅助制动领域，具体是可以应用于各种纯电动车辆、混合动力车辆的动力差速系统，特别是把传统的车载动力源（发动机、电动机）和差速器集合成一套多功能动力差速系统，本实用新型还涉及车辆的辅助制动领域。 

背景技术

目前各种电动车和混合动力汽车发展迅速，但现有的很多电动车或者混合动力汽车是在原有传统汽车的传动系统基础上增加电动机等动力元件组成的，这样虽然可以利用原有成熟的传动技术，但却在很大程度上降低了电动车辆性能的发挥。如图1所示，传统的开式差速器是典型的行星齿轮组结构，包括行星齿轮架1、行星齿轮2、半轴齿轮3。驱动力矩加在行星齿轮架l上，行星齿轮架l绕其轴线旋转，如果左右半轴齿轮上的力矩相等，则行星齿轮2不会绕其轴线旋转，力矩通过半轴齿轮3平均分配到左右半轴上：如果左右半轴齿轮上的力矩不相等，则行星齿轮2绕其轴线旋转，左右半轴转速将不相等，传递的力矩相等，且与左右半轴上收到的最小阻力矩相等。在一个驱动轮悬空情况下，如果传动轴是匀速转动，有附着力的驱动轮是没有驱动力的，如果传动轴是加速转动，有附着力的驱动轮的驱动力 也仅仅等于悬空车轮的角加速度和转动惯量的乘积。因此，传统的开式差速器传动效率低，且越野性能较差。 

限滑差速器可以用于部分弥补开式差速器在越野路面的传动缺陷。它是在开式差速器的机构上加以改进，在差速器壳和边齿轮之间增加摩擦片，限滑差速器提供的附加扭矩与摩擦片传递的动力和两驱动轮的转速差有关。但限滑差速器使得车辆的转向特性变差而且限滑系数越大转向越困难，同时摩擦片寿命有限，结构较复杂。 

锁止式差速器包括机械锁止和电动锁止，为了保证车辆在复杂的越野路况下的行驶性能，通过一定的结构把差速器锁死，或将打滑的车轮锁死可以实现最大效率的动力传输。机械锁止式差速器在锁止的情况下，传动比被固定为1：1，这种差速器虽然可以在越野路面提供最大的驱动力，但其缺点是在差速器锁止的情况下，车辆转向极其困难：存在单车轮承受发动机100%的扭矩的可能，半轴会因为扭矩过大而变形或折断；车辆在转向的过程中，两半轴承受相反的扭矩，如果两侧轮胎的附着力都很大，会扭断半轴。另外这种差速器，在车辆行驶过程中执行锁止动作会产生比较大的噪音。 

电子差速器锁与上述的几种相比，没有改变开式差速器的结构和特性，而是利用防抱死制动系统(ABS)或电子制动力分配系统(EBD)泵统来执行单侧制动打滑的车轮的动作，限制两驱动轮的转速差，保证两个驱动轮都有动力。这种系统安全性较好，不会损坏车辆。但需要装备ABS和EBD系统，造价昂贵并且在严酷的越野环境下，电子产品的可靠性不如机械产品，且单侧车轮的驱动力，不如锁止式差 速器的大。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种适合于各种传统内燃机汽车、纯电动车、混合动力车的高效、简单的集驱动、差速功能于一体的差速传动系统，不仅解决了上述传统差速器运用于有电机驱动车辆的传动效率问题，而且经过简单的调整还可以作为普通车辆的缓速器使用。 

为了实现上述目的，本实用新型的目的通过如下技术方案实现： 

一种对转双转子电机车用驱动桥系统，所述对转双转子驱动桥系统包括双转子电机、控制器、电源总线；所述对转双转子电机由励磁绕组缠绕的外转子和内转子配合构成，所述外转子和内转子中一个转子通过连接装置与一侧车轮连接，另一个转子通过连接装置与另一侧车轮连接；所述外转子上的励磁绕组通过滑环机构与控制器连接，控制器还与电源总线连接,所述的双转子电机为串励直流电机、永磁直流电机、混励直流电机或交流电动机。 

所述的交流电动机为鼠笼式或绕线式交流异步对转拖带双转子电机。 

所述外转子和内转子的输出轴上两侧安装有电磁制动器。 

所述系统还包括储能器，所述储能器与电源总线连接。 

所述储能器为电池组或超级电容或者电池组与超级电容的组合。 

所述连接装置为左右等速万向节。 

所述的双转子电机中任一转子与换向齿轮连接，换向齿轮还与连 接装置连接。 

本实用新型在各种电动车上工作时，其主要的驱动差动工作原理是利用了双转子电机的对转拖带原理。对转拖带双转子电动机利用作用力与反作用力等同共用原则，使得该电机能同时适应两个工作分系统各自运动变化，从而在本系统中起到驱动差速作用。原动机中，能量转换过程形成的力，以作用力和反作用力共生的方式成对产生。作用力和反作用力之间除作用方向相反外，力的各种特征和基本性质都相同。对于混合动力车，由于配备有电能储能器，如电池，超级电容等。当车辆需要驱动时，储能器的能量通过电源总线和控制器，可以让双转子电机提供额外的驱动力，以利于提高车辆的动力性，并通过控制策略的控制，与发动机协调工作，实现节能和降低排放。当车辆制动时，双转子电机工作在发电模式，将车辆惯性的机械能转变成电能，储存到储能器中。因此，本专利中的双转子电机除具备差速功能外，还同时具有电机的功能，构成多功能差速系统。 

本实用新型的有益效果： 

本实用新型的差速系统由双转子电机、电控系统、电源总线等组成，其特点在于由于双转子电机有两个输出轴，既可以提供驱动力又能产生差速效果，功能合二为一，省去了传统的传动轴、主减速器、差速器等，从而大大缩短了整个动力传递路径，提高了整车的效率。同时，提供了一种新型的缓速器实用方案，不仅结构简单并且具有能量回收功能。 

附图说明

图l是传统开式差速器示意图。 

图2是本实用新型的结构示意图。 

具体实施方式

实施例l： 

对转双转子电机车用驱动桥系统用于差速器。电机选用鼠笼式交流异步对转拖带双转子电机。用于混合动力车。 

如图2，本实用新型装置由对转拖带双转子电机15、差速器壳6、换向齿轮11、左右等速万向节5、电机控制器10、电源总线9、防滑电磁制动器12等组成。对转拖带双转子电机15由励磁绕组缠绕的外转子17和内转子16配合构成，外转子17通过连接装置与一侧车轮4连接，内转子16通过换向齿轮l1和连接装置与另一侧车轮4连接；外转子17上的励磁绕组7通过滑环机构8与控制器10连接，控制器10还与电源总线9连接。连接装置为等速万向节。 

本系统的控制策略由装备的电动车或者混合动力车控制策略的不同而做相应的调整，控制信号由外界传入本系统的电机控制器10中，控制器10产生相应的动作控制双转子电机15运动参数。一般情况下，电机的内转子16和外转子17向两个不同的方向转动，外转子17直接带动等速万向节5转动，内转子16连接换向齿轮11后再与等速万向节5连接。换向齿轮起到变化由内转子16输出的转矩的方向，使得两车轮有相同的运动方向。在电机驱动车辆的时候，电源总线9向电机15供电，在制动能量回收的时候，电机15反过来向电源总线送电。 

如图3所示，由电机控制器10输出的电流经导线和碳刷、滑环机构8引入外转子17上的励磁绕组7并构成闭合回路。基于普通鼠笼式交流异步电机同样机理，流入该电机励磁绕组的交流电流产生旋转磁场，致使内转子16绕组的导条13内产生感应电势。因导条13电流滞后电势，励磁绕组7和内转子16间产生的相互作用构成电磁转矩，并进行能量转换。由于传送电磁功率的气隙磁场对内转子16构成电磁力时，励磁绕组7部件也同时承受反力，故这一对作用与反作用的电磁力构成的电磁转矩，是等值反向的两个转矩。而该电机15的机械机构具有两个机构自由度，于是分别作用在内转子16和励磁绕组7上等值反向的两个电磁转矩使内转子16和励磁绕组7分别组成的内、外两个转子16、17沿互反的方向同时运转。当两转子16、17转速差超过设定值时，转速较快一侧的电磁制动器12将动作，控制两侧的转速差。从角动量守恒原理出发，对转拖带双转子电机的内转子和外转子分别输出的电磁转矩也必须等值反向。 

对于隐极交流电机的电磁转矩为：乙=p等式中：Tm为电磁转矩：p是极对数；Wm是气隙内的磁共能；Os:r为励磁绕组磁势轴线和内转子转子磁势轴线间的夹角。 

而普通电机中，与驱动内转子运转的电磁力相对应的反作用力，通过设备的基础构架产生的反力抵消不做功，而本系统中的双转子电机则利用作用力和反作用力共同做功驱动车轮运转。旋转磁场运动速度一电磁转速n。，是相对于励磁绕组7为参照系的数值确定的量。可以看到，这种对转拖带双转子电机15的励磁绕组7同大地参 照系有相对转动。对于普通交流异步电机，转差On指电磁转速n。和内转子转子转速n之差： 

根据运动的相对性，对转拖带双转子电机15的励磁绕组7与旋转磁场转动的矢量方向相反时，电机的内转子16转速为nd=n-nj；励磁绕组7固定不动时，电机的内转子16转速为rid=ri;而当励磁绕组7与旋转磁场转动的矢量方向相同，电机的内转子转速则为rid-rl+rlj。普通电机的励磁绕组属于定子部件，故nj=0，所以普通电机是双转子电机15在励磁绕组7被固定时的一种特殊情况。 

本实施例所述系统的对转拖带双转子电机15构建了两个原动组件，所以在一般正常拖带负载的常规状态下，该电机运转构成的转速特征为：ri=r-id+rlj转速n实际上就是内转子16以运动的励磁绕组7为参照系的转速，在普通电机中当励磁绕组转速为零时，转速n就是内转子的转速。在对转拖带双转子电机15中，把转速n称为相对转速。在运行过程中，电机的电流、电磁转矩等技术参数不受nd.nj变化的影响，但相对转速n的任一微小变化，则都构成了电机的电流和电磁转矩等技术参数改变。因此，对转拖带双转子电机15的电流等一系列技术参数的变化都只通过该电机相对转速的变化一一建立对应关系。而该电机两个转子的实际转速则是以其之和或者之差的代数值形式与相对转速建立对等变化关系。这与传统车辆上使用的差速器的原理十分类似。 

当对转拖带双转子电机15运转的时候，在电动机的两个转子上产生同样大小而方向相反的力矩，所以电机的两个转子向相反的方向 运转。通过安装在电机外两转子任意一侧的换向齿轮11，最终由电机两个转子分别带动的两侧半轴向同一个方向以相同的扭矩输出功率。 

以上运动过程中，左右两车轮在没有角加速度时输出的力矩是相同的，方向是相同的，但当电动机加速或者减速运行的时候，由于电机15两个转子16、17及其相连的部分（左侧等速万向节5和左侧车轮4等）右侧（换向齿轮11、右侧等速万向节3、右侧车轮4等）的转动惯量不一定相同即： 

这样会造成左右车轮的加速或减速不统一，影响行驶稳定性。为解决这一问题，可适当选用换向齿轮11的大小和重量。因为对转拖带双转子电机17的励磁绕组部分7连接的外转子17的转动惯量大于内转子部分转子16的转动惯量，而左右等速万向节11和车轮4的转动惯量基本相等，所以只需要适当选用换向齿轮11的大小和重量就可以使得下式成立即： 

Jwl+Jal+Jd2Jz+Jg+J.,+Jar 

上述工作过程是车辆在直线行驶状态下的工作情况，本实用新型有驱动和差速两种功能，驱动功能由电机运转时两个转子的相对运动产生，差速功能可以由前面讲到的双转子电机的输出特性得出。 

对于普通的差速轮系如开式差速器，如图1所示，行星齿轮架l、左右半轴齿轮3的转速分别用np，nhl，nh。表示。在差速器中，三个转速np，nhl，nh。有如下关系：2np=nhl+nn： 

其中只有给定了其中两个转速的值，另一转速的值才能确定。而 本实施例中的对转拖带双转子电机的三个转速中n，rid，nj也只有知道了其中两个转速的值，剩余一个转速的值才能被确定。而对于普通的开式差速器，两个半轴齿轮上分配的力矩Th.，Thr有Th.：Th。，在本实用新型中，双转子电机两个转子输出力矩有：T md-一Tmj，由于换向齿轮的存在最后输出到左右半轴的力矩也有类似的Thl=Thr。由于本实施例采用的双转子电机特殊的运动学特性，所以本系统自身就具备有差动轮系的差动功能。 

为了提高汽车在坏路面上的通过能力，如汽车的一个驱动轮接触到泥泞或者冰雪路面时，在泥泞路面上的车轮原地滑转，而在好路面的车轮静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮与路面之间的附着力很小，路面只能对半轴作用很小的反作用力矩，虽然另一个车轮与好路面的附着力很大，但因为电机内两个转子输出转矩相同的特点，使得在好路面上的车轮分配到的转矩只能与产生滑转的驱动轮得到的转矩相等，致使总的牵引力不足以克服行驶阻力，汽车不能运动。为了解决上述问题，在电机15两个转子输出轴上都安装了电磁制动器12，当电动机两输出轴的绝对转速之差大于40%（根据一般汽车的转弯半径5m左右计算得到的最大的驱动轮轮速差，不同型号车辆参数设定不同）的时候，电磁制动器将工作，将转速较快的输出轴抱住，以增大其反作用力矩，提高转速较慢的输出轴的输出转矩。 

实施例2 

对转双转子电机车用驱动桥系统用于差速器。选用永磁直流电机为对转拖带双转子电机。用于内燃机汽车与实施例l相比，对转拖 带双转子永磁直流电机用永磁体代替励磁绕组，作为恒定磁场源，这样可以使得电机的体积、重量、损耗和发热等得到改善，而且其结构简单，也便于加工。电机所用的永磁材料种类较多，如通用的铁氧体、铝镍钻、稀土永磁、粘结永磁等，本实施例为铁氧体。永磁材料的形状一般也有环形、瓦形、扇形、方形等，本实施例为瓦形。 

实施例3 

对转双转子电机车用驱动桥系统用于差速器。选用串激直流电动机为对转拖带双转子电机。用于纯电动车。 

串激直流电动机具有转速高、体积小、重量轻、调速方便的特点，所以在很多电动工具中作为动力源。本系统中的双转子电机也可以选用此种类型的电机。但串激电动机较易出现堵转而使电枢温度急剧升高。所以在使用串激电动机时要在制造质量上提出比较高的要求，并且使用合理的控制策略和安全保护措施。对该电机的控制采用普通直流控制器。系统的结构和工作原理同实施例1。 

实施例4 

对转双转子电机车用驱动桥系统用于差速器。选用混励直流电机为对转拖带双转子电机。用于混合动力车。 

混励直流电机写串激电动机运行特性比较接近，只是改变转子间的励磁绕组连接方式。系统结构及工作原理同实施例1。 

对于上面4个实施例，无论选用何种类型的双转子电机，无论用于何种汽车，只是改变了电机内部的连接方式，选用合适的控制策略和控制器，都可以达到同样的输出效果。 

实施例5 

对转双转子电机车用驱动桥系统用于传统车辆作为缓速器。该系统安装在普通汽车驱动轴（该系统也可以安装在非驱动轴）。 

如图4所示，在正常行驶时，双转子电机励磁绕组7并不通电，虽然内转子16和励磁绕组7有相对运动，但由于电机在开路状态，没有励磁磁场的存在，两转子16、17之间没有相互阻碍的力矩存在，各自独立运转。当要减速时，励磁绕组7线圈通电，励磁磁场产生，内转子16的磁场和励磁绕组7的磁场相互作用阻碍对方的运动从而达到缓速的目的。此时的电机实际上是一个发电机，由机械能转换成的电能经过控制器10反馈回车载储能器14。本实施例储能器采用电池组。根据该类技术的常识，如采用超级电容或者电池组与超级电容的组合也具有同样的效果。 

工作模式：主要有两种工作模式： 

(1)驱动模式。汽车要前进或者后退（电机反向运转）时，由车载储能器14供电，经控制器10调节后输入电机15，控制器10可以同时监测油门开度信号，刹车信号，车速信号，工作状态信号以及电池SOC状态等。控制器10此时接受到以上这些信号后通过控制输入双转子电机15的电流和电压等物理量达到控制电动机输出转速和转矩的目的。 

(2)再生制动模式。当车辆要减速或者制动的时候，控制器10通过对油门开度信号，刹车信号的判断，以选择合适的刹车力矩。此时，动能从车轮4传到电机15的两个转子16、17后，转换为电能， 再通过控制器10的调节，把电能通过电源总线9反馈到储能器14中。如果刹车力矩达不到刹车信号的要求，控制器10将做出判断并发出指令，通过原机械油压刹车系统和电动机能量回馈两个系统共同制动。 

Claims (7)

1.一种对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述对转双转子驱动桥系统包括双转子电机、控制器、电源总线；所述对转双转子电机由励磁绕组缠绕的外转子和内转子配合构成，所述外转子和内转子中一个转子通过连接装置与一侧车轮连接，另一个转子通过连接装置与另一侧车轮连接；所述外转子上的励磁绕组通过滑环机构与控制器连接，控制器还与电源总线连接，所述的双转子电机为串励直流电机、永磁直流电机、混励直流电机或交流电动机。

2.根据权利要求1所述对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述的交流电动机为鼠笼式或绕线式交流异步对转拖带双转子电机。

3.根据权利要求1所述对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述外转子和内转子的输出轴上两侧安装有电磁制动器。

4.根据权利要求1所述对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述系统还包括储能器，所述储能器与电源总线连接。

5.根据权利要求4所述对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述储能器为电池组或超级电容或者电池组与超级电容的组合。

6.根据权利要求1所述对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述连接装置为左右等速万向节。

7.棍据权利要求1所述对转双转子电机车用驱动桥系统，其特征在于，所述的双转子电机中任一转子与换向齿轮连接，换向齿轮还与连接装置连接。

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