CN205017191U - 混合动力车用少极差磁齿轮复合电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，主要零部件包括定子机壳、定子铁芯、定子绕组、复合转子背铁、复合转子内外圈永磁体、行星转子铁芯、行星转子永磁体、销轴、拉紧螺钉、输入轴和输出轴、轴承、轴承端盖、支撑架及液压缸，该复合电机具有两个机械端口和一个电磁端口，可由内燃机和外电机的共同作用，实现机械功率流与电功率流的合成及能量传输，通过控制两种功率流的比例，使混合动力汽车在不同运行工况下，内燃机始终运行于最佳燃油经济区，实现整车的效率最高和排放最少，此外，采用少极差磁场耦合技术使得磁体的耦合程度增大，转矩密度显著提高，不仅可实现大力矩传动，而且可显著提升系统的传动能力。

Description

混合动力车用少极差磁齿轮复合电机

技术领域

本实用新型涉及一种混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，属于电磁齿轮传动系统技术领域。

背景技术

传统动力汽车燃油利用率低、尾气排放污染环境，节能减排已成为人们关注的焦点，其中混合动力汽车作为一种新能源汽车，具有燃油经济性高、尾气排放低、续航里程长等优点，成为解决该问题的有效途径。

混合动力汽车的动力耦合系统主要分为机械式和电磁式两种工作方式。机械式混合动力耦合系统主要是把由电机和内燃机提供的两种动力源通过多自由度机械行星齿轮高效耦合，两种动力源在不同行驶工况下灵活配合，使内燃机工作于最佳燃油区域，但其存在机械式行星齿轮电机体积庞大、机械结构复杂，且易出现机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音及润滑障碍等问题；最为典型的电磁式混合动力耦合系统由双转子电机构成，可有效规避机械式动力耦合系统存在的上述问题，但在该类系统中，采用集电环和电刷与外部电路相连的内转子电枢绕组在高速旋转时易使集电环和电刷之间产生火花和相应磨损；无刷化电磁式混合动力耦合系已成为电磁式混合动力汽车采取的热门技术解决方案，但由于现有无刷化双转子电机结构内电机体积小，难以实现大功率的动力合成与转矩传递，又使得该类电磁式混合动力系统难以在重型运输、公共交通等大功率作业场合使用。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型提出一种混合动力车用新型电磁式动力耦合系统解决方案，结合永磁同步电机设计方法和机械齿轮传动领域的新型少齿差行星齿轮传动技术，利用少极差磁场错极原理，将输入给偏心结构行星轮的公转通过行星转子磁体与复合转子磁体在径向偏心气隙磁场中相互异极性耦合转化为行星轮的自转，经输出结构将行星轮自转输出，从而实现力矩传递、变速传动及能量流的分配与传输。

该混合动力车用少极差磁齿轮复合电机主要零部件包括定子机壳、定子铁芯、定子绕组、复合转子背铁、复合转子内外圈永磁体、行星转子铁芯、行星转子永磁体、销轴、拉紧螺钉、输入轴和输出轴、轴承、轴承端盖、支撑架及液压缸，其中输入轴采用双偏心错位为180°的转臂结构，两个行星转子完全相同，平行而对称地安装在输入轴上，当输入轴带动两个行星转子旋转时，它们各自产生的离心力将互相抵消，使输入轴处于平衡状态，提高传动平稳性；行星转子通过销轴结构与输出轴进行连接；行星转子外表面以及复合转子内、外表面的永磁体均以N、S极交替排列，行星转子与偏心输入轴相连，作为主动轮绕旋转中心轴线公转，复合转子内圈永磁体通过偏心径向气隙与行星转子永磁体进行少极差磁场耦合，驱动行星转子绕自身轴线反向自转，在行星转子铁芯的磁轭部位加工有圆周均布销孔，通过销轴式输出机构，将行星转子的低速自转经输出轴输出，行星转子和复合转子构成径向磁场少极差磁齿轮副；定子机壳、定子铁芯、定子绕组构成定子，复合转子背铁、复合转子内圈永磁体和复合转子外圈永磁体构成复合转子，该带电励磁极的定子和复合转子构成模块化永磁驱动外电机；将高转矩密度的径向磁场少极差磁齿轮集成在模块化永磁驱动电机的转子内部，形成具有两个机械端口和一个电磁端口的多端口动力耦合系统。

结合图2来说明该混合动力车用少极差磁齿轮复合电机的工作原理，输入轴和输出轴作为两个机械端口分别与内燃机和车轮相连，带电励磁极的定子和复合转子共同构成外电机，是系统电功率的输入端口，通过内燃机和外电机的共同作用，实现机械功率流与电功率流的合成及能量传输，通过控制两种功率流的比例，并与离合－制动系统配合，使混合动力汽车在启动、重载、爬坡、加速、刹车以及高速巡航等不同运行工况下，内燃机始终运行于最佳燃油经济区，实现整车的效率最高和排放最少。

该混合动力车用少极差磁齿轮复合电机的主要参数之间存在如下关系：复合转子内圈永磁体极对数为p₁，行星转子永磁体的极对数为p₂，极对数p₁和p₂为彼此互素的正整数对，并满足p₁>p₂，1≤p₁-p₂<4的约束条件；复合转子与行星转子呈偏心分布结构，行星转子铁芯与旋转中心的偏心距为a，复合转子内圈永磁体与行星转子永磁体之间的最小气隙的长度为e，其中复合转子内圈永磁体的内径为D₁，行星转子永磁体外径为D₂，各参数之间满足(D₁-2×e)÷D₂＝p₁÷p₂，a＝0.5×(D₁-D₂-2×e)的约束条件；定子铁芯的槽数为N_s，复合转子外圈永磁体极对数为p_m，二者之间存在多种配比关系，为了获得较大的转矩密度，应当使电机的节距和极距相近，因此，定子铁芯的槽数N_s和复合转子外圈永磁体极对数之间满足N_s＝2p_m±2的约束条件；对于三相永磁电机来说，定子铁芯的槽数N_s还应能够被3整除；此外，令复合转子外圈永磁体极对数p_m与复合转子内圈永磁体极对数p₁相等。

采用上述技术方案可以达到如下技术效果：(1)克服了机械式齿轮传动易出现机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音及润滑障碍等问题，传动效率大大提高，具有高效节能、低碳环保经济特点，广泛推广可极大地节省能源；(2)少极差磁场耦合技术使得磁体的耦合程度增大，转矩密度显著提高，为实现大力矩传动奠定了基础，不仅有效提高整个混合动力汽车的动力耦合系统集成度，而且显著提升系统的传动能力；(3)输入轴采用双偏心错位为180°的转臂结构，两个完全相同的行星转子平行而对称地安装在输入轴上，输入轴旋转时，两个行星转子各自产生的离心力能够互相抵消，使输入轴处于平衡状态，提高传动平稳性；(4)采用永磁传动技术，可以使机构在过载时因主、从动轮滑转而随时切断传动关系，对负载和原动机起到保护作用；(5)多端口结构可以实现内燃机和外电机的共同作用，实现机械功率流与电功率流的合成及能量传输，通过控制两种功率流的比例，使混合动力汽车在不同运行工况下，内燃机始终运行于最佳燃油经济区，实现整车的效率最高和排放最少。

附图说明

图1是混合动力车用少极差磁齿轮复合电机具体结构图

图2是混合动力车用少极差磁齿轮复合电机径向结构拓扑图

图3是混合动力车用少极差磁齿轮复合电机工作原理示意图

以上图中：1.复合转子外圈永磁体，2.复合转子背铁，3.复合转子内圈永磁体，4.销轴，5.行星转子铁芯，6.轴承，7.轴承，8.输入轴，9.轴承端盖，10.支撑架，11.偏心轴，12.行星转子永磁体，13.定子绕组，14.定子机壳，15.引出线，16.定子铁芯，17.轴承，18.液压缸，19.支撑架，20.轴承，21.轴承端盖，22.输出轴，23.轴承，24.拉紧螺钉，25.传送带，26.内燃机，27.离合器，28.车轮，29.整流器一，30.蓄电池，31.整流器二，32.起发动机，5a.行星转子一，5b.行星转子二

具体实施方式

本实用新型提出一种混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，它是针对机械式混合动力耦合系统存在电机体积庞大、机械结构复杂、易出现机械疲劳、摩擦损耗、震动噪音及润滑障碍等问题，由双转子电机构成的电磁式混合动力耦合系统在内转子电枢绕组高速旋转时易使集电环和电刷之间产生火花和相应磨损的问题，以及当前无刷化双转子电机结构内电机体积小，难以实现大功率动力合成与转矩传递，限制其在重型运输、公共交通等大功率作业场合使用的问题而提出的。

从图1和图2可知，混合动力车用少极差磁齿轮复合电机主要由内部径向磁场少极差磁齿轮和外部模块化永磁驱动电机组成，其中内部径向磁场少极差磁齿轮的主要零部件包括复合转子内圈永磁体3、行星转子永磁体12、行星转子铁芯5，其中行星转子铁芯5与输入轴8相连，由偏心结构的输入轴8带动行星转子绕旋转轴线公转，偏心公转的行星转子铁芯5带动行星转子永磁体12与复合转子内圈永磁体3通过偏心径向气隙进行磁场耦合，驱使行星转子绕自身轴线反向自转，在行星转子铁芯5上均布销轴孔，放置销轴4，并与输出轴22相连，通过销轴机构将行星转子的低速自转输出；外部模块化永磁驱动电机主要由定子机壳14、定子铁芯16、定子绕组13以及复合转子外圈永磁体1组成，工作时，外部电源给定子绕组13提供电流，建立起定子电磁场，与复合转子外圈永磁体1进行电磁场耦合。

从图3可知，为提高系统传动平稳性，输入轴8采用双偏心错位为180°的转臂结构，采用两个完全相同的行星转子，即行星转子一5a和行星转子二5b，两个行星转子平行而对称地安装在输入轴8上，当输入轴8旋转时，两个行星转子各自产生的离心力互相抵消，输入轴8处于平衡状态。

由图2和图3可知，混合动力车用少极差磁齿轮复合电机的主要参数之间存在如下关系：复合转子内圈永磁体极对数为p₁，行星转子永磁体的极对数为p₂，极对数p₁和p₂为彼此互素的正整数对，并满足p₁>p₂，1≤p₁-p₂<4的约束条件；复合转子与行星转子呈偏心分布结构，行星转子铁芯与旋转中心的偏心距为a，复合转子内圈永磁体与行星转子永磁体之间的最小气隙的长度为e，其中复合转子内圈永磁体的内径为D₁，行星转子永磁体外径为D₂，各参数之间满足(D₁-2×e)÷D₂＝p₁÷p₂，a＝0.5×(D₁-D₂-2×e)的约束条件；定子铁芯的槽数为N_s，复合转子外圈永磁体极对数为p_m，二者之间存在多种配比关系，为了获得较大的转矩密度，应当使电机的节距和极距相近，因此，定子铁芯的槽数N_s和复合转子外圈永磁体极对数之间满足N_s＝2p_m±2的约束条件；对于三相永磁电机来说，定子铁芯的槽数N_s还应能够被3整除；此外，令复合转子外圈永磁体极对数p_m与复合转子内圈永磁体极对数p₁相等。

由图3可知，混合动力车用少极差磁齿轮复合电机具有两个机械端口和一个电磁端口，作为混合动力系统中的功率耦合部件，可将电功率和机械功率进行有效耦合，提供给负载使用，从而驱动混合动力车行驶，在不同的行驶工况下，各个端口的工作状态不同。

当混合动力车处于启动或轻载运行状态时，由电动机单独驱动，通过离合－制动系统固定行星转子，给外层驱动电机通电，带动复合转子绕旋转轴转动，进而由复合转子内圈永磁体与行星转子永磁体相互耦合作用，由销轴输出机构将行星转子的自转输出，只要蓄电池30电量充足，车辆可一直工作在纯电动模式，由于内燃机处于关闭状态，无机械功率输入，避免了内燃机低速运行时效率低、排放高的问题。

当汽车的行驶速度超过某一上限时，纯电动模式将不能满足汽车的行驶要求，必须启动内燃机，尤其是对于负载较小的高速轻载行驶工况，内燃机不能工作在高效率区，此时由起发动机ISG提供一个负转矩，假设成为一个负载，控制液压缸18固定复合转子，使其不参与功率传递，在该工况下，起发动机ISG作为发电机给电池充电，即高速轻载巡航发电工况。

汽车在斜坡上启动或者重载运行时时，需要较大的转矩，纯电动模式或者纯内燃机驱动模式已不能满足要求，必须由外电机和内燃机同时提供转矩，即混合驱动模式。

混合动力车在减速或停车时，关闭内燃机，外电机作为发电机，将汽车制动过程中剩余的机械能转换为电能回馈给蓄电池，提高经济性。

Claims (4)

1.一种混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，主要零部件包括定子机壳、定子铁芯、定子绕组、复合转子背铁、复合转子内外圈永磁体、行星转子铁芯、行星转子永磁体、销轴、拉紧螺钉、输入轴和输出轴、轴承、轴承端盖、支撑架及液压缸，其特征在于：复合转子内圈永磁体(3)、行星转子永磁体(12)、行星转子铁芯(5)构成内部径向磁场少极差磁齿轮，其中行星转子铁芯(5)与偏心结构的输入轴(8)相连，由输入轴(8)带动行星转子绕旋转轴线公转，偏心公转的行星转子铁芯(5)带动行星转子永磁体(12)与复合转子内圈永磁体(3)通过偏心径向气隙进行磁场耦合，驱使行星转子绕自身轴线反向自转，在行星转子铁芯(5)上均布销轴孔，放置销轴(4)，并与输出轴相连，通过销轴机构将行星转子的低速自转输出；定子机壳(14)、定子铁芯(16)、定子绕组(13)以及复合转子外圈永磁体(1)构成外部模块化永磁驱动电机，由外部电源给定子绕组(13)提供电流，建立起定子电磁场，与复合转子外圈永磁体(1)进行电磁场耦合。

2.根据权利要求1所述的混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，其特征在于：所述的输入轴(8)采用双偏心错位为180°的转臂结构，行星转子一(5a)和行星转子二(5b)完全相同，两个行星转子平行而对称地安装在输入轴(8)上，当输入轴(8)旋转时，两个行星转子各自产生的离心力互相抵消，输入轴(8)处于平衡状态，提高了系统传动平稳性。

3.根据权利要求1所述的混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，其主要参数之间存在如下关系：复合转子内圈永磁体极对数为p₁，行星转子永磁体的极对数为p₂，极对数p₁和p₂为彼此互素的正整数对，并满足p₁>p₂，1≤p₁-p₂<4的约束条件；复合转子与行星转子呈偏心分布结构，行星转子铁芯与旋转中心的偏心距为a，复合转子内圈永磁体与行星转子永磁体之间的最小气隙的长度为e，其中复合转子内圈永磁体的内径为D₁，行星转子永磁体外径为D₂，各参数之间满足(D₁-2×e)÷D₂＝p₁÷p₂，a＝0.5×(D₁-D₂-2×e)的约束条件；定子铁芯的槽数为N_s，复合转子外圈永磁体极对数为p_m，二者之间存在多种配比关系，为了获得较大的转矩密度，应当使电机的节距和极距相近，因此，定子铁芯的槽数N_s和复合转子外圈永磁体极对数之间满足N_s＝2p_m±2的约束条件；对于三相永磁电机来说，定子铁芯的槽数N_s还应能够被3整除；此外，令复合转子外圈永磁体极对数p_m与复合转子内圈永磁体极对数p₁相等。

4.根据权利要求1所述的混合动力车用少极差磁齿轮复合电机，其特征在于：该复合电机具有两个机械端口和一个电磁端口，可作为混合动力系统中的功率耦合部件，将电功率和机械功率进行有效耦合，提供给负载使用，驱动混合动力车行驶，在不同的行驶工况下，各个端口的工作状态不同。