CN106655671B - 一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心(1)、调制转子和永磁转子，所述定子铁心(1)内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一组为调制绕组(2)，另一组为永磁绕组(3)；所述调制转子包括调制转子铁轭(4)，其与所述调制绕组(2)及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；相邻调制转子铁轭(4)之间设有调制转子永磁体(5)，所述调制转子永磁体(5)为切向励磁结构，其与所述永磁绕组(3)构成永磁电机结构。该发明还公开了一种包括所述电机的混合动力汽车。本发明的电机可实现两个机械端口转速与转矩的独立控制，实现绕组无刷化，结构紧凑，且具有较大的输出转矩。

Description

一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用
技术领域
本发明属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用。
背景技术
混合动力汽车利用机械及电磁装置，将发动机的转速及输出转矩与车轮的转速及转矩完全解耦，从而实现发动机一直工作于高效率区，从而提高车辆的行驶效率。传统的混合动力汽车采用行星齿轮结构虽然能够较为方便地实现这一功能，但机械齿轮结构也带来摩擦损耗、振动噪声、维护较为频繁等固有问题，同时该结构需要一个行星齿轮、两个电机、多个离合器等设备，体积较为庞大。为了解决行星齿轮结构的问题，有学者提出了双机械端口这一概念，该电机具有双转子，从而实现两机械端口状态的完全解耦，即可以利用一套电机***实现行星齿轮***的功能，紧凑型大为提升。然而，由于其中一个转子需要设置电枢绕组，需要电刷滑环结构将电流引入旋转电枢中，而电刷滑环结构同样需要定期维护，同时可靠性较低，同时由于电枢旋转，无法使用水冷、油冷等冷却方式，导致电枢电流无法过高，因此输出转矩较低。为了克服这一缺陷，有学者提出了基于磁场调制原理的无刷双机电端口电机。
在专利文献CN105375714A公开了一种双机械端口双电端口永磁电机，其将磁场调制电机与普通永磁电机嵌入到同一台电机内，外部定子与永磁体构成一台普通永磁电机，内部定子、调制环与永磁体构成一台磁场调制电机。该结构通过内、外定子绕组的电流频率独立控制两转子的转速，通过普通永磁电机在永磁转子上施加额外转矩实现两转子的转矩解耦，从而利用无刷结构实现双机械端口电机的功能。
在该专利中，永磁电机具有双定子和双转子结构，每个定子对应一个独立电端口，每个转子对应一个独立机械端口，其中，两定子的电枢磁场极对数不同，定子I上的绕组与永磁转子和调制转子作用，调制出定子I的电枢磁场，在调制环转速固定时，通过调节定子电枢磁场的转速能够改变永磁转子的转速，从而实现两转子转速独立。定子II上的绕组与永磁转子作用，实现转矩调节功能。
但是该双机械端口双电端口永磁电机也存在以下不足：首先，该专利文献中提出的结构具有两个定子和两个转子，之间具有三层气隙，因此对于制造加工的工艺要求高，同时制造过程较为复杂，生产成本较高；其次，该拓扑中永磁体产生的励磁磁场需要穿越三层气隙，其磁路磁阻较大，造成磁场较弱，削弱了电机的转矩输出能力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其在混合动力汽车上的应用，其目的在于，将磁场调制电机以及普通永磁电机整合到单一径向磁通结构中，结构较为紧凑，且其两部分输出转矩能分别接近传统的磁场调制电机以及普通永磁电机，在实现功能的同时维持了较大的转矩密度。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心、调制转子和永磁转子；
所述定子铁心内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一组为调制绕组，另一组为永磁绕组；
所述调制转子包括调制转子铁轭，其与所述调制绕组及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；
相邻调制转子铁轭之间设有调制转子永磁体，所述调制转子永磁体为切向励磁结构，其与所述永磁绕组构成永磁电机结构。
进一步地，所述调制绕组(2)的极对数PA、永磁绕组(3)的极对数PA1、调制转子铁轭(4)块数Pf以及永磁转子极对数Pm满足以下关系：
进一步地，所述永磁绕组与调制转子之间相互作用产生稳定的电磁转矩Tf1、永磁绕组(3)的电流有效值IA1、电流角ψA1、调制转子的转速nf以及永磁绕组(3)的电流频率fA1之间满足如下关系：
Tf1＝k1IA1cosψA1
其中，k1为仅与电机尺寸结构有关的常数。
进一步地，所述调制转子和永磁转子均受到磁场调制作用产生的转矩,分别为Tf2与Tm，满足：
Tf2＝Pfk2IA cosψA
Tm＝Pmk2IA cosψA
其中，k2为仅与电机尺寸结构有关的常数，Pf为调制转子铁轭数量；
所述永磁转子转速nf、调制转子转速nm以及调制绕组的通电频率fA满足：
Pfnf-Pmnm＝60fA
调节两套绕组内电流频率fA、有效值IA1及电流角ψA1控制两机械端口转速与转矩。
进一步地，所述调制绕组与永磁绕组之间不存在耦合。
优选地，所述永磁转子永磁体为表贴式或内置式。
优选地，所述定子铁心可放置于所述调制转子和永磁转子的外部或内部，从而构成外转子或内转子结构。
按照本发明的另一个方面，提供一种混合动力汽车，其包括所述的高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)相比现有的无刷双机电端口电机拓扑，该结构将磁场调制电机以及普通永磁电机整合到单一径向磁通结构中，结构较为紧凑，且其两部分输出转矩能分别接近传统的磁场调制电机以及普通永磁电机，在实现功能的同时维持了较大的转矩密度；
(2)电机的两套绕组均放置在定子侧，实现电机无刷化；
(3)相比现有拓扑，该电机单定子，双气隙的结构更为紧凑，制造成本远低于三气隙的电机拓扑。
附图说明
图1为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子外侧；
图2为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子内侧；
图3为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且永磁转子为内置永磁体结构；
图4为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机应用于混合动力汽车的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—定子铁心，2—调制绕组，3—永磁绕组，4—调制转子铁轭，5—调制转子永磁体，6—永磁转子轭部，7—永磁转子永磁体，8—本发明提出的双机电端口电机，9—调制绕组控制器，10—永磁绕组控制器，11—发动机，12—车轮，13—蓄电池。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子外侧；图2为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子内侧；图3为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且永磁转子为内置永磁体结构。
在本发明的优选实施例中，以图1中的结构方案为例，对该电机的工作原理进行说明，其它实施例的高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机结构的工作原理类似。
如图1所示，高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机结构中，包含由硅钢片叠压而成的定子铁心1，其中铁心内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，分别记为调制绕组2与永磁绕组3，调制绕组2的极对数为2，永磁绕组3的极对数为11，两套绕组间不存在耦合；
如图1所示，高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机还包括调制转子，其置于定子内侧，包括硅钢片构成的沿圆周方向均匀分布的22块呈环状铁轭4以及置于相邻铁轭中间的永磁体5，永磁体为切向励磁，其极对数为11；
高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机还包括永磁转子，其由转子铁心及表贴式永磁体7构成，永磁体极对数为20，恰好为调制转子铁轭块数与调制绕组极对数的差。
由于电机永磁绕组3的极对数与调制转子上永磁体极对数相同，构成一普通切向励磁的永磁电机，因此定子与调制转子之间可以相互作用产生稳定的电磁转矩Tf1，该转矩的大小仅与永磁绕组上电流有效值IA1以及电流角ψA1有关，且调制转子转速nf受永磁绕组内电流频率fA1控制，它们之间的关系为：
Tf1＝k1IA1 cosψA1 (1)
公式中，k1为仅与电机尺寸结构有关的常数。
同时，调制绕组2极对数等于调制转子铁轭块数与永磁转子极对数的差，铁轭除了充当调制转子永磁体的轭部外，还充当调制永磁转子所产生磁场的作用，因此它们构成一双转子的磁场调制电机，其中调制转子与永磁转子上均受到磁场调制作用产生的转矩,分别记为Tf2与Tm。根据电机基本理论，两转子上由于该作用受到的转矩满足
Tf2＝22k2IA cosψA (3)
Tm＝20k2IA cosψA (4)
公式中，k2为仅与电机尺寸结构有关的常数。
同时，永磁转子转速nf、调制转子转速nm以及调制绕组内通电频率fA满足
22nf-20nm＝60fA (5)
作为一种传动装置，该电机需要匹配输入端的转矩以及转速，并在合适的转速下输出所需转矩。换言之，电机两个机械端口，也就是两个转子的转速与转矩均需独立控制。
对于两转子转速的控制，通过改变两绕组电流频率实现。根据公式(2)和(5)，通过所需的端口转速可计算两绕组电流频率，反之通入该频率电流后，两转子转速可维持所需值。
为了使永磁转子受到的转矩为其所需值，根据公式(4)可以确定调制绕组电流及其相位，同时调制转子上同样受到由于磁场调制作用产生的转矩，因此普通永磁电机提供给它的转矩应该是所需转矩与磁场调制电机转矩的差，计算该转矩的值后根据公式(3)确定永磁绕组内电流大小及相位。两绕组均根据计算值通入电流可确保两转子上实际转矩与所需要的值相同。
相比现有的无刷双机电端口电机拓扑，该结构将磁场调制电机以及普通永磁电机整合到单一径向磁通结构中，结构较为紧凑，且其两部分输出转矩能分别接近传统的磁场调制电机以及普通永磁电机，在实现功能的同时维持了较大的转矩密度。
在本发明的优选实施例中，提供一种混合动力汽车，其包括所述的高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机。图4为本发明实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机应用于混合动力汽车的示意图。如图4所示，当双机电端口电机8应用于混合动力汽车中时，可将永磁转子与汽车发动机11相连，调制转子与车轮12相连，在两套绕组均工作时，利用调制绕组控制器10以及永磁绕组控制器11控制，可通过上述控制策略维持发动机输入端转速以及输入转矩保持恒定，确保发动机工作于高效率区，同时根据行驶要求，通过电端口电流频率、幅值以及相位控制车辆行驶速度以及牵引力。此外，该***也可使发动机不工作，调制绕组不通电，从而实现纯电动，此时直接通过永磁绕组内电流的频率、幅值以及相位控制车辆行驶。在***中，蓄电池13可以从电端口储存多余能量，并在需要时提供给两电端口。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心(1)、调制转子和永磁转子，其特征在于：
所述定子铁心(1)内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一套为调制绕组(2)，另一套为永磁绕组(3)；
所述调制转子包括调制转子铁轭(4)，其与所述调制绕组(2)及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；
相邻调制转子铁轭(4)之间设有调制转子永磁体(5)，所述调制转子永磁体(5)为切向励磁结构，其与所述永磁绕组(3)构成永磁电机结构；
所述定子铁心(1)、所述调制转子和所述永磁转子按照由外向内或者由内向外的顺序依次设置。
2.根据权利要求1所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述调制绕组(2)的极对数PA、永磁绕组(3)的极对数PA1、调制转子铁轭(4)块数Pf以及永磁转子极对数Pm满足以下关系：
3.根据权利要求1或2所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述永磁绕组与调制转子之间相互作用产生稳定的电磁转矩Tf1、永磁绕组(3)的电流有效值IA1、电流角ψA1、调制转子的转速nf以及永磁绕组(3)的电流频率fA1之间满足如下关系：
Tf1＝k1IA1cosψA1
其中，k1为仅与电机尺寸结构有关的常数。
4.根据权利要求1或2所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述调制转子和永磁转子均受到磁场调制作用产生的转矩,分别为Tf2与Tm，满足：
Tf2＝Pfk2IAcosψA
Tm＝Pmk2IAcosψA
其中，k2为仅与电机尺寸结构有关的常数，Pf为调制转子铁轭数量；
所述永磁转子转速nf、调制转子转速nm以及调制绕组(2)的通电频率fA满足：
Pfnf-Pmnm＝60fA
调节两套绕组内电流频率fA、有效值IA1及电流角ψA1控制两机械端口转速与转矩。
5.根据权利要求1或2所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述调制绕组(2)与永磁绕组(3)之间不存在耦合。
6.根据权利要求1或2所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述永磁转子永磁体(7)为表贴式或内置式。
7.一种混合动力汽车，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机。
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