专利名称：混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机及工作方法
技术领域：
本发明属于无刷电机制造技术领域，特指一种适合于需要高效率、高可靠性的中/重度混合动力机车场合的五相容错式永磁电机。
背景技术：
目前，混合动力汽车以其燃油经济性高和排放少等特点受到重视。基于起动/发电模式的轻度混合动力汽车节能减排效果有限，所以，中/重度混合动力汽车就成为了该领域的发展方向。已有的混合动力合成系统在动力合成模式上分为两大类，一类是机械式混合动力合成系统。在该系统中，一般将机械行星齿轮系作为混合动力耦合装置，能够方便、高效地将发动机和电机两种动力源进行动力合成和能量传输。但机械行星齿轮作为一种接触式动力合成系统，在高速啮合时需要专门的油路润滑和冷却，汽车在不同运行工况下载荷的变化会对齿轮产生较大的啮合冲力，这对行星齿轮的硬度、刚度以及耐磨性都有更高的要求。并且，该系统的集成度较低，占据空间大且容易造成部件损坏。另一类是电磁式混合动力合成系统，利用双转子电机实现两种不同动力源的合成和无级变速，在该系统中，由中间转子和内转子构成的内层电机由于受空间的限制，一般体积较小、难以实现大功率的动力合成和转矩传递，使得该类电磁式混合动力系统在混合动力公交车、重型运输车等大功率场合的应用受到限制。并且，该系统所必须的电刷或集电环大大降低了传递效率。随着永磁材料性能的不断提高，永磁齿轮传动技术得到了新的发展，研究表明永磁齿轮在变速比、转矩传递密度(接近100kNm/nT3)、转矩传递效率(>96%)等方面已与机械齿轮性能接近，远大于水冷条件下的无刷直流电机的转矩密度(约30 kNm/nT3)。但该类永磁齿轮结构上内、外转子转速比固定，调磁铁心层静止不动，无法实现不同速度下两种动力源的合成和分配，难以直接应用于混合动力汽车领域。容错永磁电机是将开关磁阻电机与永磁同步电机相结合，将传统的永磁同步电机分布绕组改为集中绕组，且每个定子槽中只有一套绕组，把没有绕组的电枢齿作为磁通回路，同时也起着相间隔离的作用。集中绕组永磁容错电机相与相之间实现了电路、磁路和温度的隔离，大大提高了电机的可靠性和容错能力。
发明内容
本发明的目的是克服已有混合动力系统的缺点，提供一种具有高转矩密度、高效率、高可靠性、适合于中/重度混合动力汽车场合的容错式永磁行星齿轮电机及该电机的工作方法。本发明混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机采用的技术方案是电机最外圈是定子，每个定子槽中有一相电枢绕组，每两相电枢绕组之间有一个容错齿，径向相对的两套电枢绕组串联构成一相，定子内依次套有同轴的永磁齿圈、永磁太阳齿轮，永磁齿圈内、外表面上均贴有几对永磁体，内、外表面上相对应的两块永磁体的中心线位于径向上且两个中心线相重合，内表面上的永磁体紧密排列，外表面上的相邻两个永磁体之间留有空隙，永磁齿圈外表面上的永磁体和定子之间留有气隙；永磁齿圈内表面和永磁太阳齿轮外表面之间是4个沿圆周方向均布的相同的永磁行星齿轮，每个永磁行星齿轮外表面上紧密贴有永磁体，永磁行星齿轮连接行星架；永磁行星齿轮外表面上的永磁体与永磁齿圈内表面上的永磁体之间留有气隙；永磁太阳齿轮外表面上贴有几对紧密排列的永磁体，永磁太阳齿轮外表面上的永磁体和永磁行星齿轮外表面上的永磁体之间留有气隙；所有的永磁体沿各自所在的圆的径向充磁，且相邻两个永磁体是按N、S、N、S顺序排列；在初始位置，在径向上,永磁太阳轮和永磁行星轮之间最靠近的两块永磁体极性相反,永磁行星轮与永磁齿圈之间最靠近的两块永磁体极性相同，永磁齿圈内外两层相对应的两块永磁体极性相同。本发明混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机的工作方法的技术方案是采用如下步骤
A、将行星架的输出端口固定连接于混合动力汽车的驱动轴，将永磁太阳齿轮通过机械离合器和发动机相连，电池组通过一个整流逆变器连接启动发电一体机，通过另一个整流逆变器连接电枢绕组，将启动发电一体机连接发动机的输出轴；
B、混合动力汽车在纯电动启动、低速巡航时，关闭发动机，断开机械离合器，固定永磁太阳轮，电池组通过整流逆变器对放电，永磁齿圈旋转，永磁行星轮自转且公转，永磁行星轮通过行星架把电功率转化为机械功率传输给混合动力汽车的驱动轴；
C、混合动力汽车在高速巡航时，固定永磁齿圈，闭合机械离合器，发动机带动永磁太阳轮旋转，永磁行星轮及行星架旋转，把能量传输给驱动轴；同时发动机向电池组充电；
D、混合动力汽车在爬坡、重载、加速时，当所需负载转矩大于永磁太阳轮的最大拖动转矩时，发动机拖动永磁太阳轮旋转的同时，电池组对电枢绕组放电，永磁齿圈转动，永磁齿圈和永磁太阳轮一起带动永磁行星轮转动，通过行星架把电功率和机械功率传输给驱动轴；
E、混合动力汽车在减速、制动时，关闭发动机，断开机械离合器，固定永磁太阳轮，永磁行星轮带动永磁齿圈旋转，通过电枢绕组对电池组充电。本发明的有益效果是
1、本发明引入了非接触式永磁齿轮传动理论，将高功率密度的多相容错式永磁无刷电机与高转矩密度的永磁式行星齿轮相融合，形成了一类全新的双机械端口电机，有效克服了双转子电机受空间限制、存在集电环、电刷的不足，空间利用率、传动效率以及转矩密度都很闻;
2、本发明采用永磁式行星齿轮，在继承机械式行星齿轮动力合成优点的同时，实现了非接触式的能量传输，有效降低了运行噪声和振动，且不需采用专门的油路进行冷却和润滑，增强了系统的耐久性和可靠性。3、本发明由定子、电枢绕组、永磁齿圈构成的外电机运行时，通过永磁齿圈和永磁行星齿轮间磁力作用，把外电机的电能转化为磁能再转化为机械能由行星架向外传输；发动机带动永磁太阳轮工作时，通过永磁太阳轮和永磁行星齿轮间磁力作用，把机械能转化为磁能再转化为机械能由行星架向外传输。通过发动机和外层的永磁电机共同作用，可实现机械功率流与电功率流的合成和能量传输。通过控制两种功率流的比例，再加上离合-制动系统的配合，能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发动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。
4、本发明融入了永磁容错电机的特点，每个定子槽中只有一套绕组，没有绕组的容错齿作为磁通回路，同时也起着相间的电路和温度的隔离作用。电机的某一相绕组发生短路故障时，其短路电流将导致温度急剧上升，由于有容错齿的存在，不会引起其他相绕组的温升，从而实现了更好的独立性，提高了电机的可靠性和带故障运行能力。5、本发明的外电机反电势波形为正弦波，绕组可以通入正弦交流电，空间矢量控制可以有效的应用于该电机，这也使基于矢量控制的容错智能控制策略的应用成为了可倉泛。
图1是本发明混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机结构的截面 图2是图1中混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机工作时的连接 图3是本发明电机中永磁齿圈和永磁太阳轮的矩角特性曲线；
图4是本发明电机的电感曲线；
图5是本发明电机的转矩输出波形。图中有1.定子；2.电枢绕组；3.永磁齿圈；4.永磁行星齿轮；5.永磁太阳齿轮；
6.钕铁硼永磁体；7.容错齿；8.行星架；9.双转子电机的内转子；10.双转子电机的中间转子；11.发动机；12.启动发电一体机；13.整流逆变器；14.电池组；15.驱动轴；16.机械离合器；17.永磁齿圈相对永磁行星轮转过不同角度时的转矩输出曲线；18.永磁太阳轮相对永磁行星轮转过不同角度时的转矩输出曲线；19.本发明电机通入额定电流时的自感曲线；20.本发明电机通入额定电流时相邻绕组的互感曲线；21.本发明电机通入额定电流，正常工作时的输出转矩；22.本发明电机通入额定电流,一相短路时电机的输出转矩。
具体实施例方式本发明是将高转矩密度的非接触式永磁齿轮传动理论与高性能的永磁驱动电机相结合，又采用高容错性的绕组连接方式，使电机能以高转矩密度、高功率、高可靠性的状态对整个混合动力系统的机械功率流和电功率流进行调配，确保整个机车的低排放和高效率运行。参见图1中本发明混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机，电机最外圈是定子I，定子I内依次套有同轴的永磁齿圈3、永磁太阳齿轮5。定子I由0. 35mm的娃钢片叠压而成。定子槽数为20，每槽中只有一相电枢绕组2，每两相电枢绕组2之间有一个容错齿7，容错齿7上无绕组且极弧很小。电枢绕组2采用五相容错式接法，采用集中绕组，径向相对的两套电枢绕组2串联构成一相。永磁齿圈3内、夕卜表面上均贴有18对钕铁硼永磁体6，内、外表面上相对应的两块永磁体6的中心线位于径向上，并且两个中心线相互重合，内表面上的永磁体6紧密排列,外表面上的相邻两个永磁体6之间留有空隙。永磁齿圈3外表面上贴有的永磁体6和定子I之间留有Imm气隙。在永磁齿圈3内表面和永磁太阳齿轮5外表面之间是大小和材料完全相同的4个永磁行星齿轮4，4个永磁行星齿轮4沿圆周方向均布。永磁行星齿轮4也由硅钢片叠压而成。在每个永磁行星齿轮4外表面上紧密排列永磁体，永磁行星齿轮4通过轴承连接行星架8,行星架8是电机的动力输出端口。永磁行星齿轮4外表面上的永磁体与永磁齿圈3内表面上贴有的永磁体之间留有Imm气隙。永磁太阳齿轮5外表面上贴有10对紧密排列的永磁体,永磁太阳齿轮5由娃钢片叠压而成。永磁太阳齿轮5外表面上贴有的永磁体和永磁行星齿轮4外表面上的永磁体之间留有Imm气隙。永磁太阳齿轮5是电机的机械功率输入端口。所有的永磁体沿各自所在的圆的径向充磁，即沿半径向圆外(设为N)或向圆内(设为S)充磁，且相邻两个永磁体是按N、S、N、S顺序排列。在初始位置，永磁太阳轮5和永磁行星轮4之间，在径向上最靠近的两块永磁体极性相反；永磁行星轮4与永磁齿圈3之间，在径向最靠近的永磁体极性相同；永磁齿圈3内外两层相对应的永磁体极性相同，总之，要保证所有永磁齿轮是相互吸引的。永磁齿圈3极对数J3 =18，永磁太阳轮5极对数P =10，永磁行星轮4极对数A=4，满足关系式
权利要求
1.一种混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机，电机最外圈是定子(1)，每个定子槽中有一相电枢绕组(2)，每两相电枢绕组(2)之间有一个容错齿(7)，径向相对的两套电枢绕组(2)串联构成一相，其特征是定子(I)内依次套有同轴的永磁齿圈(3)、永磁太阳齿轮(5),永磁齿圈(3)内、夕卜表面上均贴有几对永磁体，内、夕卜表面上相对应的两块永磁体的中心线位于径向上且两个中心线相重合，内表面上的永磁体紧密排列,外表面上的相邻两个永磁体(6)之间留有空隙，永磁齿圈(3)外表面上的永磁体和定子(I)之间留有气隙； 永磁齿圈(3)内表面和永磁太阳齿轮(5)外表面之间是4个沿圆周方向均布的相同的永磁行星齿轮(4)，每个永磁行星齿轮(4)外表面上紧密贴有永磁体，永磁行星齿轮(4)连接行星架(8);永磁行星齿轮(4)外表面上的永磁体与永磁齿圈(3)内表面上的永磁体之间留有气隙； 永磁太阳齿轮(5)外表面上贴有几对紧密排列的永磁体,永磁太阳齿轮(5)外表面上的永磁体和永磁行星齿轮(4)外表面上的永磁体之间留有气隙； 所有的永磁体沿各自所在的圆的径向充磁，且相邻两个永磁体是按N、S、N、S顺序排列； 在初始位置，在径向上，永磁太阳轮(5)和永磁行星轮(4)之间最靠近的两块永磁体极性相反,永磁行星轮(4)与永磁齿圈(3)之间最靠近的两块永磁体极性相同，永磁齿圈(3)内外两层相对应的两块永磁体极性相同。
2.根据权利要求1所述的混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机，其特征是永磁齿圈(3)极对数、永磁太阳轮(5)极对数g以及永磁行星轮(4)极对数恳满足关系式
3.根据权利要求1所述的混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机，其特征是永磁齿圈(3)半径馬永磁太阳齿轮(5)半径矣以及永磁行星齿轮(4)半径Jtii满足关系式
4.根据权利要求1所述的混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机，其特征是所述永磁齿圈(3)外表面上贴有的每个永磁体的极弧均为7°，所述气隙是1mm。
5.—种如权利要求1所述的混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机的工作方法，其特征是采用如下步骤 A、将行星架(8)的输出端口固定连接于混合动力汽车的驱动轴(15)，将永磁太阳齿轮(5)通过机械离合器(16)和发动机(11)相连，电池组(14)通过一个整流逆变器连接启动发电一体机(12)，通过另一个整流逆变器连接电枢绕组(2)，将启动发电一体机(12)连接发动机(11)的输出轴； B、混合动力汽车在纯电动启动、低速巡航时，关闭发动机(11)，断开机械离合器(16)，固定永磁太阳轮(5)，电池组(14)通过整流逆变器(13)对放电，永磁齿圈(3)旋转，永磁行星轮(4 )自转且公转，永磁行星轮(4 )通过行星架(8 )把电功率转化为机械功率传输给混合动力汽车的驱动轴(15)； C、混合动力汽车在高速巡航时，固定永磁齿圈(3)，闭合机械离合器(16)，发动机(11)带动永磁太阳轮(5)旋转,永磁行星轮(4)及行星架(8)旋转,把能量传输给驱动轴(15)；同时发动机(11)向电池组(14)充电； D、混合动力汽车在爬坡、重载、加速时，当所需负载转矩大于永磁太阳轮(5)的最大拖动转矩时，发动机(11)拖动永磁太阳轮(5 )旋转的同时，电池组(14 )对电枢绕组(2 )放电，永磁 齿圈(3)转动，永磁齿圈(3)和永磁太阳轮(5) —起带动永磁行星轮(4)转动，通过行星架(8)把电功率和机械功率传输给驱动轴(15)； E、混合动力汽车在减速、制动时，关闭发动机(11)，断开机械离合器(16)，固定永磁太阳轮(5)，永磁行星轮(4)带动永磁齿圈(3)旋转，通过电枢绕组(2)对电池组(14)充电。
全文摘要
本发明公开一种混合动力汽车用五相容错式永磁行星齿轮电机及工作方法，定子内依次套有同轴的永磁齿圈、永磁太阳齿轮，永磁齿圈内、外表面上均贴有几对永磁体，永磁齿圈内表面和永磁太阳齿轮外表面之间是4个沿圆周方向均布的相同的永磁行星齿轮，每个永磁行星齿轮外表面上紧密贴有永磁体，永磁行星齿轮连接行星架；永磁太阳齿轮外表面上贴有几对紧密排列的永磁体；所有的永磁体沿各自所在的圆的径向充磁，且相邻两个永磁体是按N、S、N、S顺序排列；将高功率密度的多相容错式永磁无刷电机与高转矩密度的永磁式行星齿轮相融合，空间利用率、传动效率及转矩密度都很高。
文档编号B60K6/26GK103023206SQ20121056545
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者朱孝勇, 孙彦彪, 全力, 葛叶明, 李渊 申请人:江苏大学