四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机及其动力传递方法

摘要

本发明提供了一种四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机及其动力传递方法，双转子轮毂电机包括行星齿轮机构和有内外电机组成的电机组，电机组和行星齿轮机构通过离合器连接，电机组和行星齿轮机构均位于机壳内，外转子和定子外绕组组成外电机，内转子和定子内绕组组成内电机，行星齿轮机构由齿圈、输出轴、太阳轮、行星轮和行星架组成；双转子电机通过与行星齿轮机构结合，能够实现转矩耦合、转速耦合以及差速，这样可以在选用较小功率电机的情况下仍然能满足不同的车况需求，缩小了整车布置空间，降低了成本。该双转子轮毂电机分为单电机制动和双电机制动两种模式，能够更有效地回收制动能量，并且能够实现缓速制动，提高了电机的制动稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电动汽车轮毂电机以及其控制领域，特指一种四轮驱动电动汽车的双转子轮 毂电机及其动力传递方法，涉及一种兼有驱动、差速、制动及能量回收的双转子轮毂电机， 尤其是通过双转子电机与行星齿轮机构结合实现动力转速耦合和转矩耦合。

背景技术

随着全球能源供应日益紧张，国际原油价格跌宕起伏，生态环境恶化，节能与环保已成 为全球范围的主题，正因如此新能源汽车的开发与研究迫在眉睫。纯电动汽车因为它零排放、 零污染、高效率的特性成为未来汽车发展的一大方向。

现有纯电动汽车的驱动系统布置形式目前主要有四种基本典型结构，即传统的驱动方式、 电动机一驱动桥组合式驱动方式、电动机-驱动桥整体式驱动方式、轮毅电动机分散驱动方式。 传统的驱动方式仍然采用内燃机汽车的驱动系统布置方式只是将内燃机换成电动机，属于改 造型电动汽车,布置形式结构复杂、效率低，不能充分发挥驱动电动机的性能；电动机一驱动 桥组合式驱动方式在驱动电动机端盖的输出轴处加装减速齿轮和差速器等，电动机、固定速 比减速器、差速器的轴互相平行，一起组合成一个驱动整体。它通过固定速比的减速器来放 大驱动电动机的输出转矩，但没有可选的变速挡位，也就省掉了离合器，并且对驱动电动机 的调速要求较高；电动机-驱动桥整体式与发动机横向前置一前轮驱动的内燃机汽车的布置方 式类似，把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这 种驱动方式由于增加了驱动电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对2 个驱动电动机进行精确控制的可靠性需要进一步研究；轮毅电动机分散驱动式一般采用低速 内定子外转子电动机，其外转子直接安装在车轮的轮缘上，可完全去掉变速装置，驱动电动 机转速和车轮转速相等，车轮转速和车速控制完全取决于驱动电动机的转速控制。由于不通 过机械减速，通常要求驱动电动机为低速大转矩电动机。低速内定子外转子电动机结构简单， 无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。

采用轮毅电动机驱动可大大缩短从驱动电动机到驱动车轮的传递路径，不仅能腾出大量 的有效空间便于总体布局并且能大大提高了对车轮的动态响应控制性能。每台驱动电动机的 转速可独立调节控制，便于实现电子差速。既省去了机械差速器，也有利于提高汽车转弯时 的操控性，因此近年轮毂电机驱动技术越来越受到人们的关注，成为电动汽车研究的一大热 点。

一般的轮毂电机都是传统的单定子，单转子结构。主要分成两种结构型式：内转子型和 外转子型，通常，外转子型采用低速外转子电机，电机的最高转速在1000-1500r/min左右， 无任何减速装置，电机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电机相同。 内转子型则采用高速内转子电机，同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度， 电机的转速通常高达10000r/min。减速结构通常采用传动比在10：1左右的行星齿轮减速装 置，车轮的转速在1000r/min左右。

虽然轮毂电机驱动系统相较于电动机集中动力驱动系统具有很大的优势，但其仍然存在 许多不足之处。单一的单电机驱动模式无法满足汽车低速和高速等行驶工况的需求，为了满 足整车动力性需求，轮毂电机仍然采用大功率电机，这样不仅功率得不到充分利用，而且电 机体积和质量的增加使得整车簧下质量增加不利于操控。同时，电子差速使得电机的控制系 统过于复杂，不利于整个系统的稳定性。近年来出现的双转子电机因为内外双转子结构具有 更好的驱动特性。不过国内外研究的热点主要集中于将双转子电机作为动力耦合装置用于混 合动力汽车，用它替代传统的变速箱、起动机、发电机作为一种无级变速器使用，而对将其 应用于轮毂电机的研究仍然空缺。

发明内容

本发明提出了一种新型轮毂电机结构，将双转子电机与行星齿轮机构结合，通过离合器、 制动器的结合断开可以工作在不同模式下，实现电机单独驱动、转速耦合及转矩耦合不同运 行状态。同时在汽车制动时能有效地进行制动能量的回收。

本发明双转子轮毂电机结构的具体技术方案如下：

一种四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机，包括电机组和行星齿轮机构，电机组和行星 齿轮机构通过离合器连接，电机组和行星齿轮机构均位于机壳内；

所述电机组包括内转子、外转子和定子支架，所述定子支架一端固定连接机壳一端，所 述内转子设于定子支架内部中心轴线，且与定子支架转动连接，所述外转子转动连接于定子 支架的外侧；

所述定子支架外侧壁设有定子外绕组，定子外绕组电性连接第二直流/交流转换器，定子 支架内侧壁设有与定子外绕组相对应的定子内绕组，定子内绕组电性连接第一直流/交流转换 器，第一直流/交流转换器和第二直流/交流转换器均电性连接储电装置；

所述内转子上设有与定子外绕组相对应的永磁体；

所述外转子内侧壁设有与定子外绕组相对应的永磁体；

所述内转子的输出端和外转子的输出侧通过第二离合器连接；

行星齿轮机构设于双转子轮毂电机的输出侧，行星齿轮机构由齿圈、输出轴、太阳轮、 行星轮和行星架组成；输出轴与太阳轮同轴固连；太阳轮与内转子同轴连接且中间设有第二 制动器和第一离合器，行星架与外转子的输出侧连接且中间设置第一制动器和第三离合器。

上述方案中，所述第二离合器的从动盘固定连接于外转子输出侧的外侧壁，所述第三离 合器的从动盘固定连接于外转子输出侧的外侧壁。

上述方案中，所述第二离合器和第三离合器的从动盘的固定连接方式均为螺栓连接。

上述方案中，所述外转子和内转子均通过轴承与定子支架转动连接。

上述方案中，所述储电装置为动力电池。

所述的四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机的动力传递方法，包括驱动模式、缓速制动 模式和差速模式；

一、驱动模式：

A、启动：

第一离合器接合，第二离合器和第三离合器松开，第一制动器制动，第二制动器不制动， 定子内绕组通电，动力通过储电装置、第一直流/交流转换器、定子内绕组、内转子、太阳轮、 齿圈、输出轴，最终传递到车轮；

B、转矩耦合：

第一离合器、第二离合器接合，第三离合器松开，第一制动器制动，第二制动器不制动， 定子外绕组和定子内绕组均通电，动力分两路传递，一路通过储电装置、第一直流/交流转换 器、定子内绕组、内转子、第一离合器和太阳轮，另一路通过储电装置、第二直流/交流转换 器、定子外绕组、外转子、第二离合器、内转子、第一离合器和太阳轮，实现转矩耦合，提 高转矩输出；

C、单电机驱动，包括C₁内电机驱动或C₂外电机驱动两种情况：

C₁：第一离合器接合，第二离合器、第三离合器松开，第一制动器制动，第二制动器不 制动，定子内绕组通电，动力通过储电装置、第一直流/交流转换器、定子内绕组、内转子、 第一离合器、太阳轮、齿圈和输出轴，最终传递到车轮；

C₂：第三离合器接合，第一离合器、第二离合器松开，第二制动器制动，第一制动器不 制动，定子外绕组通电，动力通过储电装置、第二直流/交流转换器、定子外绕组、外转子、 第三离合器、行星架、齿圈和输出轴，最终传递到车轮；

D、转速耦合：第一离合器和第三离合器接合，第二离合器松开，第一制动器、第二制动 器均不制动，定子外绕组和定子内绕组均通电，动力分两路传递，一路通过储电装置、第一 直流/交流转换器、定子内绕组、内转子、第一离合器、太阳轮和齿圈，另一路通过储电装置、 第二直流/交流转换器、定子外绕组、外转子、行星架和齿圈，通过行星齿轮机构实现转速耦 合，提高输出转速；

二、缓速制动模式，包括如下A或B两种情况：

A：第一离合器接合，第二离合器和第三离合器松开，第一制动器制动，第二制动器不制 动，定子内绕组短路，动力从输出轴、齿圈、太阳轮输入到内电机，根据电磁感应原理，定 子内绕组受外转子永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，实现汽车的缓速制动；

B：第三离合器接合，第一离合器和第二离合器松开，第二制动器制动，第一制动器不制 动，定子外绕组短路，动力从输出轴、齿圈、行星架输入到外电机，根据电磁感应原理，定 子外绕组受内转子永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，实现汽车的缓速制动；

三、差速模式：

第一离合器、第三离合器接合，第二离合器松开，第一制动器、第二制动器均不制动， 定子内绕组和定子外绕组均通电，动力分两路传递，一路通过储电装置、第一直流/交流转换 器、定子内绕组、内转子、第一离合器、太阳轮、齿圈，另一路通过储电装置、第二直流/ 交流转换器、定子外绕组、外转子、行星架、齿圈，内外转子通过行星齿轮机构实现转速耦 合，改变输出轴转速，实现左右车轮转速变换，实现差速。

所述的四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机的动力传递方法还包括再生制动模式，所述 再生制动模式包括单电机再生制动和双电机再生制动；

一、单电机再生制动，包括如下A或B两种情况：

A：第一离合器接合，第二离合器、第三离合器松开，第一制动器制动，第二制动器不制 动，动力从输出轴、齿圈、太阳轮输入到内电机，根据电磁感应原理，定子内绕组受外转子 永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，并将产生的感应电流经第一直流/交流转换器回 收到储电装置，实现汽车的再生制动；

B：第三离合器接合，第一离合器、第二离合器松开，第二制动器制动，第一制动器不制 动，动力从输出轴、齿圈、行星架输入到外电机，根据电磁感应原理，定子外绕组受内转子 永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，并将产生的感应电流经第二直流/交流转换器回 收到储电装置，实现汽车的再生制动；

二、双电机再生制动：

第一离合器、第二离合器接合，第三离合器松开，第一制动器制动，第二制动器不制动， 动力从输出轴、齿圈、太阳轮传递到内外电机，根据电磁感应原理，定子外绕组受内转子永 磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，定子内绕组受外转子永磁体产生的旋转磁场作用， 产生制动力矩，制动力矩由内、外两电机通过转矩耦合叠加产生，定子外绕组将产生的感应 电流经第二直流/交流转换器回收到储电装置，定子内绕组将产生的感应电流经第一直流/交 流转换器回收到储电装置，实现汽车的再生制动。

本发明结合了双转子电机和行星齿轮机构的优点，以上不同的工作模式适用于不同的车 况，提高了能量利用效率和整车动力性，通过行星齿轮机构实现的转矩耦合适用于低速大转 矩工况以及转速耦合适用于超速和差速工况。本发明的优点如下：

(1)、双转子电机内外电机定子绕组布置在同一定子架上，优化了电机结构，紧凑了电机 布置，减轻了电机重量。

(2)、三相绕组都在固定不动的定子上，转子采用永磁体，避免了滑环、碳刷的使用，提 高了电机的稳定性，电机具有更长的使用寿命。

(3)、双转子电机内外电机可以分别用于驱动和制动，简化了电机控制策略，并可以互相 切换，避免电机长时间工作导致的散热问题。

(4)、双转子电机通过与行星齿轮机构结合，能够实现转矩耦合、转速耦合以及差速，这 样可以在选用较小功率电机的情况下仍然能满足不同的车况需求，缩小了整车布置空间，降 低了成本。

(5)、该双转子轮毂电机分为单电机制动和双电机制动两种模式，能够更有效地回收制动 能量，并且能够实现缓速制动，提高了电机的制动稳定性。

附图说明

图1是本发明的四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机结构示意图。

图中：1-外转子 2-定子外绕组 3-定子内绕组 4-内转子 5-第一制动器 6-第二制动器 7-齿圈 8-输出轴 9-太阳轮 10-行星架 11-第一离合器 12-第二离合器 13-第三离合器 14- 第一直流/交流转换器 15-储电装置 16-第二直流/交流转换器 17-外壳 18-定子支架

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

一种四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机，包括电机组和行星齿轮机构，电机组和行星 齿轮机构通过离合器连接，电机组和行星齿轮机构均位于机壳17内；

所述电机组包括内转子4、外转子1和定子支架18，所述定子支架18一端固定连接机壳 17一端，所述内转子4设于定子支架18内部中心轴线，且与定子支架18转动连接，所述外 转子1转动连接于定子支架18的外侧；

所述定子支架18外侧壁设有定子外绕组2，定子外绕组2电性连接第二直流/交流转换器 16，定子支架18内侧壁设有与定子外绕组2相对应的定子内绕组3，定子内绕组3电性连接 第一直流/交流转换器14，第一直流/交流转换器14和第二直流/交流转换器16均电性连接储 电装置15，所述储电装置15采用动力电池，上述定子内绕组3和定子外绕组2为相互独立 的三相绕组；

所述内转子4上设有与定子外绕组2相对应的永磁体；

所述外转子1内侧壁设有与定子外绕组2相对应的永磁体；

所述内转子4的输出端和外转子1的输出侧通过第二离合器12连接，为减少工序，节省 材料，降低成本，将第二离合器12的从动盘直接通过螺栓固定于外转子1输出侧的外侧壁；

所述外转子1和定子外绕组2组成外电机，内转子4和定子内绕组3组成内电机，实现 了双电机系统的集成。

行星齿轮机构设于双转子轮毂电机的输出侧，行星齿轮机构由齿圈7、输出轴8、太阳轮 9、行星轮和行星架10组成；输出轴8与太阳轮9同轴固连；太阳轮9与内转子4同轴连接 且中间设有第二制动器6和第一离合器11，行星架10与外转子1的输出侧连接且中间设置 第一制动器5和第三离合器13，同样，为减少工序，节省材料，降低成本，将第二离合器12 的从动盘直接通过螺栓固定于外转子1输出侧的外侧壁。

所述第二离合器12的从动盘固定连接于外转子1输出侧的外侧壁，所述第三离合器13 的从动盘固定连接于外转子1输出侧的外侧壁。

所述第二离合器12和第三离合器13的从动盘的固定连接方式均为螺栓连接。

所述外转子1和内转子4均通过轴承与定子支架18转动连接。

所述储电装置15为动力电池。

所述的四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机的动力传递方法，包括驱动模式、缓速制动 模式、再生制动模式和差速模式；

一、驱动模式：

A、启动：

第一离合器11接合，第二离合器12和第三离合器13松开，第一制动器5制动，第二制 动器6不制动，定子内绕组3通电，动力通过储电装置15、第一直流/交流转换器14、定子 内绕组3、内转子4、太阳轮9、齿圈7、输出轴8，最终传递到车轮；

B、转矩耦合：

第一离合器11、第二离合器12接合，第三离合器13松开，第一制动器5制动，第二制 动器6不制动，定子外绕组2和定子内绕组3均通电，动力分两路传递，一路通过储电装置 15、第一直流/交流转换器14、定子内绕组3、内转子4、第一离合器11和太阳轮9，另一路 通过储电装置15、第二直流/交流转换器16、定子外绕组2、外转子1、第二离合器12、内 转子4、第一离合器11和太阳轮9，实现转矩耦合，提高转矩输出；

C、单电机驱动，包括C₁内电机驱动或C₂外电机驱动两种情况：

C₁：第一离合器11接合，第二离合器12、第三离合器13松开，第一制动器5制动，第 二制动器6不制动，定子内绕组3通电，动力通过储电装置15、第一直流/交流转换器14、 定子内绕组3、内转子4、第一离合器11、太阳轮9、齿圈7和输出轴8，最终传递到车轮；

C₂：第三离合器13接合，第一离合器11、第二离合器12松开，第二制动器6制动，第 一制动器5不制动，定子外绕组2通电，动力通过储电装置15、第二直流/交流转换器16、 定子外绕组2、外转子1、第三离合器13、行星架10、齿圈7和输出轴8，最终传递到车轮；

D、转速耦合：第一离合器11和第三离合器13接合，第二离合器12松开，第一制动器 5、第二制动器6均不制动，定子外绕组2和定子内绕组3均通电，动力分两路传递，一路通 过储电装置15、第一直流/交流转换器14、定子内绕组3、内转子4、第一离合器11、太阳 轮9和齿圈7，另一路通过储电装置15、第二直流/交流转换器16、定子外绕组2、外转子1、 行星架10和齿圈7，通过行星齿轮机构实现转速耦合，提高输出转速；

二、缓速制动模式，包括如下A或B两种情况：

A：第一离合器11接合，第二离合器12和第三离合器13松开，第一制动器5制动，第 二制动器6不制动，定子内绕组3短路，动力从输出轴8、齿圈7、太阳轮9输入到内电机， 定子内绕组3受外转子永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，实现汽车的缓速制动；

B：第三离合器13接合，第一离合器11和第二离合器12松开，第二制动器6制动，第 一制动器5不制动，定子外绕组2短路，动力从输出轴8、齿圈7、行星架10输入到外电机， 定子外绕组2受内转子永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，实现汽车的缓速制动；

三、差速模式：

第一离合器11、第三离合器13接合，第二离合器12松开，第一制动器5、第二制动器 6均不制动，定子内绕组3和定子外绕组2均通电，动力分两路传递，一路通过储电装置15、 第一直流/交流转换器14、定子内绕组3、内转子4、第一离合器11、太阳轮9、齿圈7，另 一路通过储电装置15、第二直流/交流转换器16、定子外绕组2、外转子1、行星架10、齿 圈7，内外转子通过行星齿轮机构实现转速耦合，改变输出轴转速，实现左右车轮转速变换， 实现差速。

所述动力传递方法还包括再生制动模式，所述再生制动模式包括单电机再生制动和双电 机再生制动，

一、单电机再生制动，包括如下A或B两种情况：

A：第一离合器11接合，第二离合器12、第三离合器13松开，第一制动器5制动，第 二制动器6不制动，动力从输出轴8、齿圈7、太阳轮9输入到内电机，定子内绕组3受外转 子永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，并将产生的感应电流经第一直流/交流转换器 14回收到储电装置15，实现汽车的再生制动；

B：第三离合器13接合，第一离合器11、第二离合器12松开，第二制动器6制动，第 一制动器5不制动，动力从输出轴8、齿圈7、行星架10输入到外电机，定子外绕组2受内 转子永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，并将产生的感应电流经第二直流/交流转换 器16回收到储电装置15，实现汽车的再生制动；

二、双电机再生制动：

第一离合器11、第二离合器12接合，第三离合器13松开，第一制动器5制动，第二制 动器6不制动，动力从输出轴8、齿圈7、太阳轮9传递到内外电机，定子外绕组2受内转子 永磁体产生的旋转磁场作用，产生制动力矩，定子内绕组3受外转子永磁体产生的旋转磁场 作用，产生制动力矩，制动力矩由内、外两电机通过转矩耦合叠加产生，定子外绕组2将产 生的感应电流经第二直流/交流转换器16回收到储电装置15，定子内绕组3将产生的感应电 流经第一直流/交流转换器14回收到储电装置15，实现汽车的再生制动。

下面就具体行驶工况分析双转子轮毂电机运行状态：

(1)汽车启动时，第一离合器11接合，第二离合器12、第三离合器13松开，第一制 动器5制动，第二制动器6不制动，定子内绕组3通电，动力经过内电机磁场传递到内转子 4，并最终由太阳轮9、齿圈7、输出轴8传递到车轮，实现汽车启动。

(2)汽车在中低速时，第一离合器11接合，第二离合器12、第三离合器13松开，第 一制动器5制动，第二制动器6不制动，定子内绕组3通电，动力经过内电机磁场传递到内 转子4，并最终由太阳轮9、齿圈7、输出轴8传递到车轮，实现内电机单独驱动；当汽车爬 坡或遇到较大阻力时，内电机输出转矩不能满足工况需求，外电机介入，第一离合器11、第 二离合器12接合，第三离合器13松开，第一制动器5制动，第二制动器6不制动，定子内 绕组3和定子外绕组2均通电，内外电机同时输出转矩，并通过第二离合器12实现转矩耦合， 提高输出轴的输出转矩，满足大扭矩工况。

(3)汽车在中高速时，第一离合器11接合，第二离合器12、第三离合器13松开，第 一制动器5制动，第二制动器6不制动，定子内绕组3通电，动力经过内电机磁场传递到内 转子4，并最终由太阳轮9、齿圈7、输出轴8传递到车轮，实现内电机单独驱动；当汽车需 要更大速度时，因为超出内电机额定转速，无法满足工况需求，外电机介入，第一离合器11、 第三离合器13接合，第二离合器11松开，第一制动器5、第二制动器6均不制动，定子内 绕组3和定子外绕组2通电，内电机动力传递到太阳轮9，外电机动力传递到行星架10，因 为行星齿轮机构的转速耦合特性，两者动力结合输出，提升输出轴的输出转速，满足超速工 况。

(4)汽车转弯时，左右车轮之间应该存在转速差，此时外电机介入，第一离合器11、 第三离合器13均接合，第二离合器12松开，第一制动器5、第二制动器6均不制动，定子 内绕组3和定子外绕组2均通电，外电机转速通过行星架10输入，以补偿内电机通过太阳轮 9输出的转速，实现内轮毂电机输出转速降低，外轮毂电机输出转速提高，产生内外轮毂电 机输出转速差异，最终实现汽车转弯。

汽车制动时，采用外电机作为发电机，避免了内电机既作为电动机，也作为发电机使用， 简化了电机的控制策略，同时也避免了电机长期运行导致的散热问题。此时第三离合器13接 合，第一离合器11、第二离合器12均松开，第二制动器6制动，第一制动器5不制动，动 力从输出轴8、齿圈7、行星架10输入到外电机，由电磁感应原理，外电机提供制动力矩， 并将定子外绕组2产生的感应电流回收到动力电池。当动力电池储能达到上限，无法回收能 量时，将定子外绕组2短路，定子外绕组2在由外转子永磁体产生的旋转磁场中产生感应电 流并因此产生制动力矩，实现汽车的缓速制动；当制动能量超出外电机的额定功率时，第一 离合器11、第二离合器12接合，第三离合器13松开，第一制动器5制动，第二制动器6不 制动，制动力矩由内外电机通过转矩耦合同时提供，感应电流分别经过定子内绕组3、定子 外绕组2到直流/交流转换器最终回收到动力电池。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均 属于本发明的保护范围。