CN103051125B - 控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，外转轴的第一端设置在第一腔室内，外转轴的第一端端部伸出第一腔室的端壁外，第一腔室内外转轴的第一端上设有感应器结构，第一腔室外设有逆变器，逆变器与感应器结构相连接；外转轴的第二端设置在第二腔室内，外转轴的第二端上设有外转子铁芯以及嵌入外转子铁芯的外转子绕组，外转轴的第二端端部设有端盖；内转轴的一端端部伸出第二腔室的端壁外，其余部分设置在外转轴的第二端内，第二腔室内内转轴上与外转子铁芯相对应处设有内转轴铁芯以及沿圆周方向交错设置在内转轴铁芯外侧壁上的永磁体。本发明突破一个旋转轴的限制，并省去了定子部分，可应用于多种场合。

Description

控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体是一种控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机。

背景技术

双转子电机具有两个转速彼此独立的转子及转轴，可实现双轴独立驱动，因此在多种场合具有广阔的应用前景，例如混合动力汽车的电驱动***、汽车和风力发电机的电无级变速器以及现代机床数控转台等。

目前国内外已经公发的双转子永磁电机是由外转子永磁电机和一台内转子永磁电机套在一起并共用一个定子的新型电机。但因其可以看成两个独立的普通电机，所以必须要有两个控制器，使得控制机构比较复杂，并且对于电机本体，因为结构上还存在定子部分，因此体积较大。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，包括机壳、外转子和内转子，所述机壳包括第一腔室和第二腔室，所述外转子包括外转轴，所述外转轴的第一端设置在第一腔室内，外转轴的第一端端部伸出第一腔室的端壁外，所述第一腔室内外转轴的第一端上设有感应器结构，所述第一腔室外设有逆变器，所述逆变器与感应器结构相连接；所述外转轴的第二端设置在第二腔室内，所述外转轴的第二端上设有外转子铁芯以及嵌入外转子铁芯的外转子绕组，所述外转轴的第二端端部设有端盖；所述内转子包括内转轴，所述内转轴的一端端部伸出第二腔室的端壁外，其余部分设置在外转轴的第二端内，所述第二腔室内内转轴上与外转子铁芯相对应处设有内转轴铁芯以及沿圆周方向交错设置在内转轴铁芯外侧壁上的永磁体。

所述感应器结构包括感应器壳体、发送线圈和接收线圈，所述感应器壳体设置在机壳第一腔室的内侧壁上，所述发送线圈固定在感应器壳体上，发送线圈产生的磁场与外转轴的第一端在空间上保持垂直，所述接收线圈固定在外转轴的第一端上并随之旋转，用于不断切割磁感线产生感应电动势，接收线圈与外转子绕组相连接。

所述发送线圈和接收线圈均为三相线圈。

所述控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，还包括蓄电池，所述蓄电池直接与逆变器相连接；所述逆变器的输出端直接与发送线圈相连，所述逆变器将蓄电池提供的直流电变换成交流，送到发送线圈，用于产生磁场。

所述逆变器将蓄电池提供的输出电流和电压，通过发送线圈和接收线圈的比例关系，控制外转子绕组中的电流和电压，从而调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差。

所述控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，包括以下能量双向流动：

-电动状态，能量由蓄电池经逆变器、发送线圈和接收线圈送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经接收线圈、发送线圈和逆变器送到蓄电池，机械能转化为电能。

所述外转子铁芯为圆环形，其外圆周表面沿轴向开有若干个槽，所述若干个槽的开口中心线围绕内转轴均匀分布，外转子绕组分别嵌入所述槽内形成三相绕组。

所述内转轴通过内转子-机壳间轴承与机壳转动连接，所述内转轴通过内转子-外转子间轴承与外转轴转动连接，形成内转子独立转动；所述外转轴通过外转子轴承与机壳转动连接，其端盖通过端盖轴承与内转轴转动连接，形成外转子独立转动。

所述内转轴为输入轴，并与外部旋转体相连接，相应地，所述外转轴为输出轴；或

所述内转轴为输出轴，相应地，所述外转轴为输入轴，并与外部旋转体相连接。

所述内转轴与外转轴的相邻端部之间设有气隙。

本发明提供的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，只设有外转子和内转子，取消了固定在机壳上的定子，因此电机制作复杂程度得到很大的降低，同时电机本体体积能得到减小。

本发明将逆变器固定在电机外，由蓄电池为逆变器提供直流电，逆变器的输出端直接与三相发送线圈相连，通过接收线圈按一定的比例关系感应出三相交流感应电动势，直接供给外转子绕组。因此本发明的电机不需要电刷和滑环，不存在了一般三电刷的双转子电机在运行稳定性和使用寿命方面存在的问题。

另外，由于本发明只需一个控制器，控制比较方便。控制器将直流蓄电池的电压电流进行变换，产生交流控制电压，经发送线圈和接收线圈按一定的比例关系感应产生所需的三相交流电，送给本发明电机的外转子绕组，以控制磁场的变化来达到控制电机输出转速与输出转矩的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明发送线圈和接收线圈结构示意图，其中，(a)为发送线圈，(b)为接收线圈；

图中，1为机壳；2为外转子轴承；3为外转轴；4为内转轴；5为内转子-外转子间轴承；6为永磁体；7为外转子铁芯；8为外转子绕组；9为端盖；1O为端盖轴承；11为接收线圈；12为发送线圈；13为蓄电池；14为逆变器；15为内转子-机壳间轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包括：机壳1、外转子和内转子，机壳1包括第一腔室和第二腔室，外转子包括外转轴3，外转轴3的第一端设置在第一腔室内，外转轴3的第一端端部伸出第一腔室的端壁外，第一腔室内外转轴3的第一端上设有感应器结构，第一腔室外设有逆变器14，逆变器14与感应器结构相连接；外转轴3的第二端设置在第二腔室内，外转轴3的第二端上设有外转子铁芯7以及嵌入外转子铁芯7的外转子绕组8，外转轴3的第二端端部设有端盖9；内转子包括内转轴4，内转轴4的一端端部伸出第二腔室的端壁外，其余部分设置在外转轴3的第二端内，第二腔室内内转轴上与外转子铁芯7相对应处设有内转轴铁芯以及沿圆周方向交错设置在内转轴铁芯外侧壁上的永磁体6。

进一步地，感应器结构包括感应器壳体、发送线圈12和接收线圈11，感应器壳体设置在机壳1第一腔室的内侧壁上，发送线圈12固定在感应器壳体上，发送线圈12产生的磁场与外转轴3的第一端在空间上保持垂直，接收线圈11固定在外转轴3的第一端上并随之旋转，用于不断切割磁感线产生感应电动势，接收线圈与外转子绕组相连接。

进一步地，发送线圈12和接收线圈11均为三相线圈，其绕线方式如图2(a)和(b)所示。

进一步地，本实施例还包括蓄电池13，蓄电池13直接与逆变器14相连接；逆变器14的输出端直接与发送线圈12相连，逆变器14将蓄电池13提供的直流电变换成交流，送到发送线圈12，用于产生磁场。

进一步地，逆变器14将蓄电池13提供的输出电流和电压，通过发送线圈12和接收线圈11的比例关系，控制外转子绕组8中的电流和电压，从而调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差。

进一步地，本实施例包括以下能量双向流动：

-电动状态，能量由蓄电池13经逆变器14、发送线圈12和接收线圈11送到电机，电能转化为机械能；

-放电状态，能量由电机经接收线圈11、发送线圈12和逆变器14送到蓄电池13，机械能转化为电能。

进一步地，外转子铁芯7为圆环形，其外圆周表面沿轴向开有若干个槽，所述若干个槽的开口中心线围绕内转轴均匀分布，外转子绕组8分别嵌入所述槽内形成三相绕组。

进一步地，内转轴4通过内转子-机壳间轴承15与机壳1转动连接，内转轴4通过内转子-外转子间轴承5与外转轴3转动连接，从而形成内转子独立转动；外转轴3通过外转子轴承2与机壳1转动连接，端盖9通过端盖轴承10与内转轴4转动连接，从而形成外转子独立转动。

进一步地，内转轴4和外转轴3均为输入轴，并与外部旋转体相连接，相应地，另一旋转轴为输出轴。

进一步地，内转轴与外转轴的相邻端部之间设有微小气隙。

本实施例的工作原理是：蓄电池13为逆变器14提供恒定的直流电，逆变器14根据电机所需的输出信息(负载转矩或者转速值)和传感器反馈回来的电机运行状况(输出转矩或转速值)以及发送线圈12与接收线圈11之间的比例关系，生成所需的三相交流电，通过发送线圈12和接收线圈11送到外转子绕组8，在绕组中产生旋转磁场，与永磁体6磁场相互作用，从而实现电机增速(增矩)或者减速(减矩)的控制要求。

本实施例的具体控制方法如下：

当要求输出轴转速与输入轴转速相等时，通过控制逆变器14，使其输出电流的频率为0，从而由发送线圈12产生恒定的磁场，接收线圈11感应出的电流的频率也为0，从而使外转子绕组8电流的频率为0，调节其大小使气隙磁场作用下所产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡。

当要求输出轴转速大于输入轴转速时，通过控制逆变器14，使其输出电流的频率与内外轴转速差成一定比例关系，从而由发送线圈12产生相应变化的磁场，确保接收线圈11感应出所需的电流，使其施加给外转子绕组8一个与输入轴同方向旋转的电流矢量，控制此电流的大小，使气隙磁场的作用下产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡，控制电流矢量对应的机械转速等于输入输出轴的转速差，即控制励磁电流矢量对应的转速与输入轴转速之和与输出轴转速相等。

当要求输出轴转速小于输入轴转速时，通过控制逆变器14，使其输出电流的频率与内外轴转速差成一定比例关系，从而由发送线圈12产生相应变化的磁场，确保接收线圈11感应出所需的电流，使其施加给外转子绕组8一个与输入轴反方向旋转的电流矢量，控制此电流的大小，使气隙磁场的作用下产生的电磁转矩和输出轴转矩平衡，控制电流矢量对应的机械转速等于输入输出轴的转速差，即控制励磁电流矢量对应的转速与输出轴转速之和与输入轴转速相等。

本实施例将逆变器14固定在电机外，由蓄电池13为逆变器14提供直流电，逆变器14的输出端直接与三相发送线圈12相连，通过接收线圈11按一定的比例关系感应出三相交流感应电动势，直接供给外转子绕组8。因此本实施例不需要电刷和滑环，不存在了一般三电刷的双转子电机在运行稳定性和使用寿命方面存在的问题。

本实施例只需一个控制器，控制机构比较简单。控制器将直流蓄电池的电压进行变换，产生控制电压，经发送线圈和接收线圈按一定的比例关系感应产生所需的三相交流电，送给本发明电机的外转子绕组，以控制磁场的变化来达到控制电机输出转速与输出转矩的目的。

因逆变器的输出功率只与内外转子的转速差和电磁转矩有关，即使内外转子转速都很高但功率却很小，因此逆变器模块体积小、重量轻，对于输入轴转动惯量的影响很小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，包括机壳、外转子和内转子，其特征在于，所述机壳包括第一腔室和第二腔室，所述外转子包括外转轴，所述外转轴的第一端设置在第一腔室内，外转轴的第一端端部伸出第一腔室的端壁外，所述第一腔室内外转轴的第一端上设有感应器结构，所述第一腔室外设有逆变器，所述逆变器与感应器结构相连接；所述外转轴的第二端设置在第二腔室内，所述外转轴的第二端上设有外转子铁芯以及嵌入外转子铁芯的外转子绕组，所述外转轴的第二端端部设有端盖；所述内转子包括内转轴，所述内转轴的一端端部伸出第二腔室的端壁外，其余部分设置在外转轴的第二端内，所述第二腔室内内转轴上与外转子铁芯相对应处设有内转轴铁芯以及沿圆周方向交错设置在内转轴铁芯外侧壁上的永磁体；

所述感应器结构包括感应器壳体、发送线圈和接收线圈，所述感应器壳体设置在机壳第一腔室的内侧壁上，所述发送线圈固定在感应器壳体上，发送线圈产生的磁场与外转轴的第一端在空间上保持垂直，所述接收线圈固定在外转轴的第一端上并随之旋转，其中，接收线圈与外转子绕组相连接。

2.根据权利要求1所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，所述发送线圈和接收线圈均为三相线圈。

3.根据权利要求1所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，还包括蓄电池，所述蓄电池直接与逆变器相连接；所述逆变器的输出端直接与发送线圈相连，所述逆变器将蓄电池提供的直流电变换成交流，送到发送线圈，用于产生磁场。

4.根据权利要求3所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，所述逆变器将蓄电池提供的输出电流和电压，通过发送线圈和接收线圈的比例关系，控制外转子绕组中的电流和电压，从而调节电机的电磁转矩以及内转子和外转子的转速差。

5.根据权利要求4所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，包括以下能量双向流动：

电动状态，能量由蓄电池经逆变器、发送线圈和接收线圈送到电机，电能转化为机械能；

放电状态，能量由电机经接收线圈、发送线圈和逆变器送到蓄电池，机械能转化为电能。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，所述外转子铁芯为圆环形，其外圆周表面沿轴向开有若干个槽，所述若干个槽的开口中心线围绕内转轴均匀分布，外转子绕组分别嵌入所述槽内形成三相绕组。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，所述内转轴通过内转子-机壳间轴承与机壳转动连接，所述内转轴通过内转子-外转子间轴承与外转轴转动连接，形成内转子独立转动；所述外转轴通过外转子轴承与机壳转动连接，其端盖通过端盖轴承与内转轴转动连接，形成外转子独立转动。

8.根据权利要求7所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，所述内转轴为输入轴，并与外部旋转体相连接，相应地，所述外转轴为输出轴；或

所述内转轴为输出轴，相应地，所述外转轴为输入轴，并与外部旋转体相连接。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的控制器固定的无定子无刷双转子内圈永磁体同步电机，其特征在于，所述内转轴与外转轴的相邻端部之间设有气隙。