双绕组双聚磁式电气无级变速器

摘要

双绕组双聚磁式电气无级变速器，属于混合动力汽车领域，本发明为解决目前混合动力汽车电动无级变速器需要与一台单独的永磁同步电机配合工作，导致系统体积大、集成度低的问题。本发明方案：机壳内依次为双绕组定子、外转子和内转子；双绕组定子包括定子铁心、第一定子绕组和第二定子绕组；外转子包括外转子永磁体、外转子导磁块和外转子支撑；内转子包括内转子永磁体和内转子铁心；定子铁心、第二定子绕组、外转子导磁块、内转子永磁体和内转子铁心组成磁场调制双转子电机，通过内转子输出轴和外转子输出轴输出动力用作变速器。定子铁心、第一定子绕组、外转子永磁体和外转子导磁块组成永磁同步电机，用于对磁场调制双转子电机调速。

说明书

技术领域

本发明属于混合动力汽车领域。

背景技术

在能源危机与节能减排背景下，新能源汽车具有巨大的发展潜力与市场价值。混合动力汽车兼具燃油驱动技术的性能优势和电驱动技术的经济与环保优势，是未来一段时间新能源汽车的主要发展方向之一。

目前混合动力汽车产品主要采用以行星齿轮机构为核心的机械式混合动力系统，如丰田Prius系统。行星齿轮机构作为一种机械啮合结构，在使用中会出现磨损、振动、噪声和定期维护等问题。基于复合结构电机的电气无级变速器不仅不存在上述问题，而且易于加工和控制，具有更高的经济性、实用性和可靠性，是一种较为理想的混合动力汽车动力系统，具有较深的应用潜力和广阔的发展前景。

中国专利CN101938199B和CN101951090B介绍了一类基于磁场调制无刷双转子电机的电气无级变速器方案，该类方案实际上是采用磁场调制无刷双转子电机取代行星齿轮机构，其中磁场调制无刷双转子电机的外转子和内转子对应行星齿轮机构的行星轮和太阳轮，定子绕组产生的旋转磁场对应行星齿轮机构的齿圈。这种方案需要一台永磁同步电机与磁场调制无刷双转子电机配合工作，导致动力系统体积大、集成度低。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前混合动力汽车电动无级变速器需要与一台单独的永磁同步电机配合工作，导致系统体积大、集成度低的问题，提供了一种将磁场调制无刷双转子电机与永磁同步电机合二为一的双绕组双聚磁电动无级变速器方案。

本发明所述双绕组双聚磁式电气无级变速器包括机壳4、双绕组定子5、外转子6、内转子7、外转子输出轴9和内转子输出轴1；内转子输出轴1和外转子输出轴9同轴，内转子输出轴1与内转子7固定连接、与外转子6转动连接；外转子输出轴9与外转子6固定连接；

双绕组定子5固定在机壳4的内圆表面，双绕组定子5内部由外到内依次设置有外转子6和内转子7；双绕组定子5和外转子6之间存在径向气隙L1，外转子6和内转子7之间存在径向气隙L2；

双绕组定子5包括定子铁心5-3、第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2，定子铁心5-3的定子槽中同时嵌放第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2；

外转子6包括外转子永磁体6-1、外转子导磁块6-2和外转子支撑6-3，外转子支撑6-3沿周向交替排布外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2；

内转子7包括内转子永磁体7-1和内转子铁心7-2，内转子铁心7-2沿周向均布内转子永磁体7-1；

定子铁心5-3、第二定子绕组5-2、外转子导磁块6-2、内转子永磁体7-1和内转子铁心7-2组成磁场调制双转子电机，通过内转子输出轴1和外转子输出轴9输出动力用作变速器；

定子铁心5-3、第一定子绕组5-1、外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2组成永磁同步电机，用于对磁场调制双转子电机调速。

优选地，双绕组定子5内表面加工有Q个定子槽，Q为正整数；Q个定子槽的外半槽嵌放第一定子绕组5-1，Q个定子槽的内半槽嵌放第二定子绕组5-2；第一定子绕组5-1是一个m

优选地，外转子6中的外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2均为p

优选地，p

优选地，外转子永磁体6-1横截面共有四条边，外转子永磁体6-1靠近外气隙L1和内气隙L2的两条边为圆弧且圆心位于电机中心；外转子永磁体6-1靠近外转子导磁块6-2的两条边为直线且互相平行；外转子永磁体6-1的充磁方向为切向平行充磁；相邻两块外转子永磁体6-1充磁方向相反。

优选地，外转子导磁块6-2选用硅钢片、软磁复合材料或非晶合金。

优选地，内转子7还包括内转子磁障7-3，内转子铁心7-2固定在内转子输出轴1上，内转子铁心7-2为开槽铁心，内转子铁心7-2沿周向开设内置的转子槽或面向气隙L2的开放的转子槽；

内转子铁心7-2沿周向均布p

优选地，内转子(7)还包括二号内转子永磁体(7-4)，内转子铁心(7-2)固定在内转子输出轴(1)上，内转子铁心(7-2)为开槽铁心，沿周向均布开放的径向槽，相邻两个径向槽内侧端部共同设置一个切向槽，径向槽内设置2×p

优选地，内转子永磁体7-1横截面共有四条边，内转子永磁体7-1靠近内气隙L2的一条边为圆弧且圆心位于电机中心；内转子永磁体7-1靠近内转子铁心7-2齿的两条边为直线且互相平行；内转子永磁体7-1靠近电机中心的一条边为直线。

优选地，内转子磁障7-3选用空气或聚合物材料。

本发明的有益效果：本发明提出的基于磁场调制原理的双绕组双聚磁式电气无级变速器将一台磁场调制双转子电机与一台永磁同步电机合二为一，通过一台电机实现两台电机的功能，能够缩小混合动力汽车动力系统体积，提高系统集成度；通过切向充磁永磁体的聚磁作用以及磁障的削弱漏磁作用，能够显著提高无级变速器性能，适合应用在混合动力汽车领域。

附图说明

图1是Q＝24、p

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图2的局部放大图；

图4是Q＝24、p

图5是图4的B-B剖视图；

图6是图5的局部放大图；

图7是Q＝24、p

图8是图7的C-C剖视图；

图9是图8的局部放大图；

图10是Q＝24、p

图11是图10的D-D剖视图；

图12是图11的局部放大图；

图13是Q＝24、p

图14是图13的E-E剖视图；

图15是图14的局部放大图；

图16是Q＝24、p

图17是图16的F-F剖视图；

图18是图17的局部放大图；

图19是Q＝24、p

图20是Q＝24、p

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1～20说明本实施方式，本实施方式所述双绕组双聚磁式电气无级变速器，包括机壳4、双绕组定子5、外转子6、内转子7、外转子输出轴9和内转子输出轴1；内转子输出轴1和外转子输出轴9同轴，内转子输出轴1与内转子7固定连接、与外转子6通过第二轴承3和第三轴承10转动连接、与机壳4左端面通过第一轴承2转动连接；外转子输出轴9与外转子6固定连接、与机壳4右端面通过第四轴承8转动连接；

双绕组定子5固定在机壳4的内圆表面，双绕组定子5内部由外到内依次设置有外转子6和内转子7；双绕组定子5和外转子6之间存在径向气隙L1，外转子6和内转子7之间存在径向气隙L2；

双绕组定子5包括定子铁心5-3、第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2，定子铁心5-3的定子槽中同时嵌放第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2；双绕组定子5内表面加工有Q个定子槽，Q为正整数；Q个定子槽的外半槽嵌放第一定子绕组5-1，Q个定子槽的内半槽嵌放第二定子绕组5-2；第一定子绕组5-1是一个m

外转子6包括外转子永磁体6-1、外转子导磁块6-2和外转子支撑6-3，外转子支撑6-3沿周向交替排布外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2；外转子6中的外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2均为p

外转子永磁体6-1横截面共有四条边，外转子永磁体6-1靠近外气隙L1和内气隙L2的两条边为圆弧且圆心位于电机中心；外转子永磁体6-1靠近外转子导磁块6-2的两条边为直线且互相平行；外转子永磁体6-1的充磁方向为切向平行充磁；相邻两块外转子永磁体6-1充磁方向相反。

外转子导磁块6-2选用硅钢片、软磁复合材料或非晶合金。

内转子7包括内转子永磁体7-1和内转子铁心7-2，内转子铁心7-2沿周向均布内转子永磁体7-1；内转子永磁体7-1横截面共有四条边，内转子永磁体7-1靠近内气隙L2的一条边为圆弧且圆心位于电机中心；内转子永磁体7-1靠近内转子铁心7-2齿的两条边为直线且互相平行；内转子永磁体7-1靠近电机中心的一条边为直线。

定子铁心5-3、第二定子绕组5-2、外转子导磁块6-2、内转子永磁体7-1和内转子铁心7-2组成磁场调制双转子电机，通过内转子输出轴1和外转子输出轴9输出动力用作变速器；

定子铁心5-3、第一定子绕组5-1、外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2组成永磁同步电机，用于对磁场调制双转子电机调速。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，p

外转子导磁块6-2的设置方式有三种：

第一种：参见图1～3的实施例一、图4～6的实施例二、图7～9的实施例三、图16～18的实施例六，外转子导磁块6-2靠近L1或L2端部均无连接关系，p

第二种：参见图10～12的实施例四，p

第三种：参见图13～15的实施例五，同时将外转子导磁块6-2靠近外气隙L1端部和内气隙L2的端部连接在一起，共2×p

具体实施方式三：下面结合图1～15说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，内转子7还包括内转子磁障7-3，内转子铁心7-2固定在内转子输出轴1上，内转子铁心7-2为开槽铁心，内转子铁心7-2沿周向开设内置的转子槽或面向气隙L2的开放的转子槽；

内转子铁心7-2沿周向均布p

内转子磁障7-3选用空气或聚合物材料。

内转子磁障7-3的设置方式有两种：

第一种：参见参见图1～3的实施例一、图7～9的实施例三、图10～12的实施例四、图13～15的实施例五，每块内转子永磁体7-1内侧端部均设有一个内转子磁障7-3，且p

第二种：参见图4～6的实施例二，相邻两块内转子永磁体7-1内侧端部共同设有一个内转子磁障7-3，相对于第一种方式，一对内转子磁障7-3之间的铁心被取消，合并为一个截面积更大的内转子磁障7-3，阻挡漏磁的效果更好。

设置内转子磁障7-3的有益效果是能够削弱内转子永磁体7-1的漏磁，提高变速器性能。

内转子铁心7-2开设的槽分为两种，相应的嵌入永磁体的方式也分为两种：

第一种：参见图1～3的实施例一、图4～6的实施例二、图10～12的实施例四、图13～15的实施例五和图16～18的实施例六，沿周向均布面向气隙L2的开放的转子槽，内转子7由内转子永磁体7-1、内转子铁心7-2和内转子磁障7-3构成；内转子永磁体7-1位于内转子铁心7-2槽中；每块内转子永磁体7-1外侧端部与内气隙L2相邻；内转子永磁体7-1的极对数和块数分别为p

第二种：参见图7～9的实施例三，内转子铁心7-2沿周向开设内置的转子槽，内转子永磁体7-1完全埋入内转子铁心7-2槽中；每块内转子永磁体7-1外侧端部与内气隙L2间存在隔磁桥；内转子永磁体7-1的极对数和块数分别为p

具体实施方式四：下面结合图16～18说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，内转子(7)还包括二号内转子永磁体(7-4)，内转子铁心(7-2)固定在内转子输出轴(1)上，内转子铁心(7-2)为开槽铁心，沿周向均布开放的径向槽，相邻两个径向槽内侧端部共同设置一个切向槽，径向槽内设置2×p

内转子磁障7-3选用空气或聚合物材料。

内转子铁心7-2的齿数为2×p

本实施方式的有益效果是切向平行充磁的内转子永磁体7-1和径向平行充磁的二号内转子永磁体7-4共同组成U形磁极，具有聚磁效应，能够提高变速器性能。

下面结合实施例一～六说明工作原理。

实施例一：参见图1～3，本发明所述双绕组双聚磁式电气无级变速器，包括机壳4、双绕组定子5、外转子6、内转子7、外转子输出轴9和内转子输出轴1；

双绕组定子5固定在机壳4的内圆表面，双绕组定子5内部由外到内依次设置有外转子6和内转子7；双绕组定子5和外转子6之间存在径向气隙L1，外转子6和内转子7之间存在径向气隙L2；

双绕组定子5由定子铁心5-3、第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2构成；定子铁心5-3内表面加工有Q个定子槽，Q为正整数；第一定子绕组5-1是一个m

外转子6位于双绕组定子5内侧，外转子6固定在外转子输出轴9上，外转子6通过第二轴承3和第三轴承10与内转子输出轴1转动连接，外转子输出轴9一端固定在外转子6上，外转子输出轴9的另一端通过机壳4的一个端盖伸出，并通过第四轴承8与机壳4转动连接。

外转子6由外转子永磁体6-1、外转子导磁块6-2和外转子支撑6-3构成；外转子永磁体6-1的极对数和块数分别为p

外转子永磁体6-1共有4条边；外转子永磁体6-1与外气隙L1和内气隙L2相邻的两条边为圆弧，圆心为电机中心；外转子永磁体6-1与外转子导磁块6-2相邻的两条边为直线，且互相平行；外转子永磁体6-1的充磁方向为切向平行充磁，平行充磁时垂直于与外转子导磁块6-2相邻的两条边；相邻两块外转子永磁体6-1的充磁方向相反；

内转子7固定在内转子输出轴1上，内转子输出轴1的一端通过第二轴承3与第三轴承10与外转子6滚动连接，内转子输出轴1的另一端通过机壳4的另一个端盖伸出，并通过第一轴承2与机壳4转动连接；

内转子由内转子永磁体7-1、内转子铁心7-2和内转子磁障7-3构成；内转子永磁体7-1位于内转子铁心7-2槽中；每块内转子永磁体7-1外侧端部与内气隙L2相邻；每块内转子永磁体7-1内侧端部均有一个内转子磁障7-3；内转子永磁体7-1的极对数和块数分别为p

内转子永磁体7-1共有4条边；内转子永磁体7-1与内气隙L2相邻的边为圆弧，圆心为电机中心；内转子永磁体7-1与内转子铁心7-2齿相邻的两条边为直线，且互相平行；内转子永磁体7-1与内转子磁障7-3相邻的一条边为直线，且垂直于与内转子铁心7-2齿相邻的两条边；内转子永磁体7-1的充磁方向为切向平行充磁；相邻两块内转子永磁体7-1的充磁方向相反。

本发明所述双绕组双聚磁式电气无级变速器在功能上相当于一台磁场调制双转子电机和一台永磁同步电机，其中定子铁心5-3、第二定子绕组5-2、外转子导磁块6-2、内转子永磁体7-1、内转子铁心7-2和内转子磁障7-3组成磁场调制双转子电机，定子铁心5-3、第一定子绕组5-1、外转子永磁体6-1和外转子导磁块6-2组成永磁同步电机。

设外转子6的永磁体极对数为p

在磁场调制双转子电机部分中，内转子永磁体7-1产生的永磁磁动势F

式中F

k——内转子永磁体7-1磁动势谐波次数；

θ——机械角；

t——时间。

外转子导磁块6-2产生的空间比磁导λ(θ,t)可表示为：

式中λ

i——空间比磁导谐波次数。

在内转子永磁体7-1产生的磁动势F

式中B

B

由式(3)可知，内转子永磁体7-1和外转子导磁块6-2共同作用将会产生两种磁场，分别为自然磁场和调制磁场。自然磁场是内转子永磁体7-1磁动势未经外转子导磁块6-2调制产生的分量，在式(3)中体现为内转子永磁体7-1磁动势F

p

式中p

ω

根据机电能量转换原理，只有在第二定子绕组电枢磁场极对数和转速与调制磁场极对数和转速相同时，磁场调制双转子电机才能够实现恒定转矩输出。为了确保磁场调制双转子电机性能较好，通常令第二定子绕组磁场极对数和转速与调制磁场中k＝i＝1分量的极对数和转速相同，即：

p

式中p

ω

基于第二定子绕组磁场转速ω

考虑到通常在电机性能计算中用转速取代角速度：

式中n

n

则第二定子绕组电频率可表示为：

在图1～3中，Q＝24，p

在磁场调制双转子电机中，在忽略电极损耗影响的前提下，外转子6和内转子7所受电磁转矩比例与外转子导磁块6-2块数2×p

在永磁电机部分中，由于永磁同步电机相关理论较为成熟，不作详细介绍。根据机电能量转换原理，只有在第一定子绕组电枢磁场极对数和转速与外转子永磁体6-1磁场极对数和转速相同时，永磁同步电机才能够实现恒定转矩输出，所以第一定子绕组极对数满足：

p

ω

式中p

ω

进而可得第一定子绕组电频率f

在图1～3中，Q＝24，p

实施例二：

图4～6为实施例二中的双绕组双聚磁式电气无级变速器结构示意图。

与实施例一不同之处仅在于：每两块内转子永磁体7-1共用同一个内转子磁障7-3，内转子磁障7-3总数为p

本实施方式的优点是能够削弱内转子永磁体7-1的漏磁，提高变速器性能。

实施例三：

图7～9为实施例三中的双绕组双聚磁式电气无级变速器结构示意图。

与实施例一不同之处仅在于：内转子永磁体7-1嵌入到内转子铁心7-2中，内转子永磁体7-1不再与内气隙L2相邻。

本实施方式的优点是内转子永磁体7-1完全埋入铁心中，内转子7的机械强度和可靠性较高。

实施例四：

图10～12为实施例四中的双绕组双聚磁式电气无级变速器结构示意图。

与实施例一不同之处仅在于：相邻两块外转子导磁块6-2在靠近内气隙L2一侧连接，所有外转子导磁块6-2组成外转子铁心，外转子永磁体6-1嵌入到外转子铁心中，外转子永磁体6-1不再与内气隙L2相邻。

本实施方式的优点是外转子导磁块6-2彼此连接，外转子6加工装配难度较低，可靠性较高。

实施例五：

图13～15为实施例五中的双绕组双聚磁式电气无级变速器结构示意图。

与实施例一不同之处仅在于：相邻两块外转子导磁块6-2在靠近外气隙L1和内气隙L2一侧连接，所有外转子导磁块6-2组成外转子铁心，外转子永磁体6-1嵌入到外转子铁心中，外转子永磁体6-1不再与外气隙L1和内气隙L2相邻。

本实施方式的优点是外转子导磁块6-2彼此连接，外转子6加工装配难度较低，可靠性较高。

实施例六：

图16～18为实施例六中的双绕组双聚磁式电气无级变速器结构示意图。

与实施例一不同之处仅在于：切向平行充磁的内转子永磁体7-1一端相邻内气隙L1，另一端为一径向平行充磁的二号内转子永磁体7-4，二号内转子永磁体7-4横截面为矩形，充磁方向为径向平行充磁；切向平行充磁的内转子永磁体7-1和径向平行充磁的二号内转子永磁体7-4共同组成U形永磁体磁极。

本实施方式的优点是切向平行充磁的内转子永磁体7-1和径向平行充磁的二号内转子永磁体7-4共同组成U形磁极，具有聚磁效应，能够提高变速器性能。