径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的制造方法
【专利摘要】径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，属于汽车电机领域，本发明为解决现有串联式、并联式和混联式驱动装置中发动机和系统其他部件不能简单高效配合，从而使系统体积笨重、结构复杂、成本偏高、性能受限，不能有效将动力输出的问题。本发明电机在壳体内并列设置有径向双转子电机和径向转矩调节电机，径向双转子电机中带有q个突起单元的调磁转子由原动机驱动，其定子形成2p极磁场，由其2n极数永磁转子的输出轴输出所需转速，且p＝|hn+kq|，其输出转速不依赖输入转速，实现无级变速；径向转矩调节电机根据实际负载需要，输入驱动转矩或者制动转矩，满足负载的实际转矩需求，使得永磁转子输出轴输入和输出的能量相平衡。
【专利说明】径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合结构电机构成的功率分配器，属于汽车电机领域。
【背景技术】
[0002] 传统内燃机汽车的燃油消耗和尾气排放污染是举世关注的热点问题。使用电动汽 车可实现低能耗、低排放，但由于作为电动汽车的关键部件之一的电池其能量密度、寿命、 价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡，在这种情况 下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车发展迅速，成为新型汽车开发的 执占。
[0003] 现有串联式驱动装置的特点是：可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其 最佳的工作区稳定运行，并可选用功率较小的发动机，但需要功率足够大的发电机和电动 机，发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池 充放电的效率较低，使得燃油能量的利用率比较低；并联式驱动装置能量利用率相对较高， 但发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于变化频繁的行驶工况，相比于串联式 结构，需要较为复杂的变速装置和动力复合装置以及传动机构；混联式驱动装置融合了串 联式和并联式的优点，由于整个驱动系统的能量流动更加灵活，因此发动机、发电机、电动 机等部件能够进一步得到优化，从而使整个系统效率更高。但是仍然需要较为复杂的变速 装置和动力复合装置以及传动机构。
[0004] 在上述驱动装置中，存在发动机和系统其他部件不能协调配合的问题，使整个系 统存在体积笨重、结构复杂、耗能大、尾气排放量大的问题，而不能有效的将动力输出。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是为了解决现有串联式、并联式和混联式驱动装置中发动机和系统其 他部件不能简单高效配合，从而使整个系统存在体积笨重、结构复杂、成本偏高、性能受限， 而不能有效地将动力输出的问题，提供了一种径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器。
[0006] 本发明所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，在壳体内并列设置有径向 双转子电机和径向转矩调节电机，所述径向双转子电机包括第一定子、第一永磁转子、调磁 转子、调磁转子输出轴和永磁转子输出轴，所述径向转矩调节电机包括第二定子和第二永 磁转子，永磁转子输出轴同时作为径向转矩调节电机的转子轴，
[0007] 径向转矩调节电机的第二定子固定在壳体的内圆表面上，第二永磁转子固定在永 磁转子输出轴上，第二定子与第二永磁转子之间存在径向气隙L3 ;
[0008] 径向双转子电机的第一定子固定在壳体的内圆表面上，第一定子内部由外向内依 次设置有第一永磁转子和调磁转子；调磁转子固定在调磁转子输出轴上，调磁转子输出轴 的一端通过第二轴承和第四轴承与第一永磁转子转动连接，调磁转子输出轴的另一端从壳 体的一个端盖伸出，且通过第一轴承与壳体转动连接；第一永磁转子位于第一定子与调磁 转子之间，永磁转子输出轴的一端固定在第一永磁转子上，永磁转子输出轴的另一端从壳 体的另一个端盖伸出，且通过第三轴承与壳体转动连接；
[0009] 第一永磁转子和第一定子之间存在径向气隙L1 ;第一永磁转子与调磁转子之间 存在径向气隙L2 ;调磁转子输出轴和永磁转子输出轴的轴线重合；
[0010] 第一定子由第一定子铁心和m相第一定子绕组构成，第一定子绕组通有m相对称 交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；
[0011] 第一永磁转子为极对数为n的转子，n为正整数；
[0012] 调磁转子由调磁转子铁心和q个突起单元构成，q个突起单元沿圆周方向均勻分 布排列，q为正整数；
[0013] 且满足p = |hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
[0014] 本发明的优点：本发明所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器为复合结构 的电机，具有两个转轴，这两个转轴的转速彼此独立且转速可调，两个转轴输出的转矩彼此 独立且转矩可调，这样可以使一个转轴实现高速小转矩运行，另一个转轴实现低速大转矩 运行。
[0015] 本发明在与内燃机结合使用时，能使内燃机不依赖于路况，始终运行在最高效率 区，从而降低了燃油消耗和尾气排放，实现节能降耗；它同时也能取代汽车中变速箱，离合 器和飞轮等部件，使汽车结构简化，成本降低。它能通过电子器件实现汽车的速度驾驶控 制、宽范围平稳调速；同时还具有不需要复杂的冷却装置、结构简单、体积小、成本低廉的优 点。它还可应用在不同转速的两个机械转轴同时工作的工业装置中。
[0016] 本发明属于无刷结构，克服了有刷复合结构电机因采用电刷滑环馈电结构而导致 的运行效率下降、可靠性降低以及经常需要对电刷等部件进行维护等问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是实施方式二所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；
[0018] 图2是图1的A-A剖视图；
[0019] 图3是实施方式三所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；
[0020] 图4是图3的B-B剖视图；
[0021] 图5是实施方式四所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图；
[0022] 图6是图5的C-C剖视图；
[0023] 图7是实施方式六所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图； 此图为第一种情况；
[0024] 图8是图7的D-D剖视图；
[0025] 图9是实施方式六所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图； 此图为第二种情况；
[0026] 图10是图9的E-E剖视图；
[0027] 图11是实施方式六所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图； 此图为第三种情况；
[0028] 图12是图11的F-F剖视图；
[0029] 图13是实施方式六所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意图； 此图为第四种情况；
[0030] 图14是图13的G-G剖视图；
[0031] 图15是实施方式七所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器的结构示意 图；
[0032] 图16是图15的H-H剖视图；
[0033] 图17是实施方式二原理说明图；
[0034] 图18是中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机的磁路示意 图；
[0035] 图19是实施方式二所述径向双转子电机的磁路示意图；
[0036] 图20是中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机的外气隙磁 场波形示意图；
[0037] 图21是中国专利CN101951090A所述径向磁场调制型无刷双转子电机的内气隙磁 场波形示意图；
[0038] 图22是实施方式二所述径向双转子电机的外气隙磁场波形示意图；
[0039] 图23是实施方式二所述径向双转子电机的内气隙磁场波形示意图；
[0040] 图24是中国专利CN101951090A和实施方式二的径向双转子电机的反电势波形对 比示意图；图中实线波形为实施方式二的径向双转子电机的反电势波形，虚线波形为中国 专利CN101951090A的反电势波形。
[0041] 图25是中国专利CN101951090A和实施方式二的径向双转子电机的调磁转子的电 磁转矩波形对比示意图；图中实线波形为实施方式二的径向双转子电机的调磁转子的电磁 转矩波形，虚线波形为中国专利CN101951090A的调磁转子的电磁转矩波形。
[0042] 图26是中国专利CN101951090A和实施方式二的径向双转子电机的永磁转子的电 磁转矩波形对比示意图，图中实线波形为实施方式二的径向双转子电机的永磁转子的电磁 转矩波形，虚线波形为中国专利CN101951090A的永磁转子的电磁转矩波形。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0043] 一：下面结合图1?图17说明本实施方式，本实施方式所述径 向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，在壳体4内并列设置有径向双转子电机和径向转 矩调节电机，所述径向双转子电机包括第一定子5、第一永磁转子6、调磁转子7、调磁转子 输出轴1和永磁转子输出轴9,所述径向转矩调节电机包括第二定子11和第二永磁转子 12,永磁转子输出轴9同时作为径向转矩调节电机的转子轴，
[0044] 径向转矩调节电机的第二定子11固定在壳体4的内圆表面上，第二永磁转子12 固定在永磁转子输出轴9上，第二定子11与第二永磁转子12之间存在径向气隙L3 ;
[0045] 径向双转子电机的第一定子5固定在壳体4的内圆表面上，第一定子5内部由外 向内依次设置有第一永磁转子6和调磁转子7 ;调磁转子7固定在调磁转子输出轴1上，调 磁转子输出轴1的一端通过第二轴承3和第四轴承10与第一永磁转子6转动连接，调磁转 子输出轴1的另一端从壳体4的一个端盖伸出，且通过第一轴承2与壳体4转动连接；第一 永磁转子6位于第一定子5与调磁转子7之间，永磁转子输出轴9的一端固定在第一永磁 转子6上，永磁转子输出轴9的另一端从壳体4的另一个端盖伸出，且通过第三轴承8与壳 体4转动连接；
[0046] 第一永磁转子6和第一定子5之间存在径向气隙LI ;第一永磁转子6与调磁转子 7之间存在径向气隙L2 ;调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9的轴线重合；
[0047] 第一定子5由第一定子铁心5-2和m相第一定子绕组5-1构成，第一定子绕组5-1 通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数；
[0048] 第一永磁转子6为极对数为n的转子，n为正整数；
[0049] 调磁转子7由调磁转子铁心7-1和q个突起单元7-2构成，q个突起单元7-2沿 圆周方向均匀分布排列，q为正整数；
[0050] 且满足p = |hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
[0051] 第一定子铁心5-2为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口 中心线围绕调磁转子输出轴1均匀分布，第一定子绕组5-1分别嵌入所述槽内形成m相绕 组。
[0052] 调磁转子铁心7-1和突起单元7-2均选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁 氧体。调磁转子铁心7-1和突起单元7-2为一体件或分立件，突起单元7-2的形状随意。
【具体实施方式】 [0053] 二：下面结合图1、图2、图17?图26说明本实施方式，本实施方式 对实施方式一作进一步说明，第一永磁转子6包括转子支架6-1、n个第一永磁体单元6-2 和n个第二永磁体单元6-3,转子支架6-1沿圆周方向均勻交错分布第一永磁体单元6-2和 第二永磁体单兀6-3, n个第一永磁体单兀6-2的充磁方向相同，n个第二永磁体单兀6-3 的充磁方向相同，第一永磁体单兀6-2和第二永磁体单兀6-3充磁方向相反。
[0054] 第一永磁体单元6-2的充磁方向为径向充磁或沿径向平行充磁。
[0055] 第二永磁体单元6-3的充磁方向为径向充磁或沿径向平行充磁。
[0056] 为了说明本发明的工作原理，本实施方式以图1所示结构为例进行说明，具体原 理图参见图17,调磁转子输出轴1和永磁转子输出轴9中，被原动机拖动的轴为输入轴，另 一个则为输出轴，至于谁为输入轴，谁为输出轴，根据工作中的具体要求来定，本实施例以 调磁转子输出轴1为输入轴，永磁转子输出轴9为输出轴。
[0057] 径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器从可实现的功能上分为两部分：一部分 是径向双转子电机；另一部分是径向转矩调节电机。径向双转子电机主要实现的功能是使 永磁转子输出轴9的转速不依赖于调磁转子输出轴1的转速，并且使永磁转子输出轴9能 够实现无级变速，同时永磁转子输出轴9根据调磁转子输出轴1的输入的转矩按照一定的 比例输出相对应的转矩。径向转矩调节电机的作用是根据实际负载的需要，输入驱动转矩 或者制动转矩，使永磁转子输出轴9最终输出到负载的转矩不依赖于调磁转子输出轴1所 输入的转矩，实现了转矩的灵活调节。
[0058] 下面详细分析一下径向双转子电机的工作原理：
[0059] 首先原动机通过调磁转子输出轴1以驱动转矩T驱动调磁转子7逆时针旋转，其 旋转速度为Q m;
[0060] 为了使调磁转子7所受力矩平衡，此时将第一定子5的第一定子绕组5-1中通入m 相对称交流电流，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生2p极数的定子旋转磁场，所述定子 旋转磁场的旋转速度为;
[0061] 所述定子旋转磁场通过调磁转子7的磁场调制作用，在外层气隙L1和内层气隙L2 中产生与第一永磁转子6相同极数的旋转磁场，通过磁场的相互作用，产生的永磁转矩Tpm 作用在第一永磁转子6上，且永磁转矩TPM的方向为逆时针方向；同时永磁转子输出轴9以 永磁转矩TPM驱动负载；
[0062] 又根据作用力与反作用力的原理可知，存在与永磁转矩TPM大小相等且方向相反 的力矩T' PM同时作用在调磁转子7上，T' PM的方向为顺时针方向；
[0063] 同时，以速度Q PM旋转的第一永磁转子6产生的永磁转子旋转磁场通过调磁转子 7的磁场调制作用，在外层气隙L1和内层气隙L2中产生2p极数的旋转磁场，与定子旋转 磁场相互作用，可产生定子转矩T s，并作用在第一定子5上，且定子转矩Ts方向为逆时针方 向；
[0064] 根据作用力与反作用力的原理可知，存在与定子转矩Ts大小相等且方向相反的力 矩T s'同时作用在调磁转子7上，且方向为顺时针方向；
[0065] 因此，调磁转子7的转矩Tm满足条件：Tm = Ts' +T' PM = _(TS+TPM)，且方向为顺时针 方向；由上述分析可知，作用在调磁转子7上的转矩L与驱动转矩T的方向是相反的；当二 者大小相等时，调磁转子7处于稳定状态。
[0066] 由此可以看出，调磁转子7的转矩Tm是永磁转矩TPM与定子转矩Ts的合成转矩。 因此，调磁转子7的转矩Tm将大于第一永磁转子6的输出转矩TPM，并且二者具有一定的变 比。
[0067] 本发明的双转子结构电机是根据磁场调制原理工作的，由磁场调制原理可推导 出，第一定子5旋转磁场的旋转速度、调磁转子7的旋转速度^^和第一永磁转子6的 旋转速度QPM满足关系式（1):
【权利要求】
1. 径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，在壳体（4)内并列设置有 径向双转子电机和径向转矩调节电机，所述径向双转子电机包括第一定子（5)、第一永磁转 子（6)、调磁转子（7)、调磁转子输出轴（1)和永磁转子输出轴（9)，所述径向转矩调节电机 包括第二定子（11)和第二永磁转子（12)，永磁转子输出轴（9)同时作为径向转矩调节电机 的转子轴， 径向转矩调节电机的第二定子（11)固定在壳体（4)的内圆表面上，第二永磁转子（12) 固定在永磁转子输出轴（9)上，第二定子（11)与第二永磁转子（12)之间存在径向气隙L3 ; 径向双转子电机的第一定子（5)固定在壳体（4)的内圆表面上，第一定子（5)内部由 外向内依次设置有第一永磁转子（6)和调磁转子（7);调磁转子（7)固定在调磁转子输出 轴（1)上，调磁转子输出轴（1)的一端通过第二轴承（3)和第四轴承（10)与第一永磁转子 (6)转动连接，调磁转子输出轴（1)的另一端从壳体（4)的一个端盖伸出，且通过第一轴承 (2)与壳体（4)转动连接；第一永磁转子（6)位于第一定子（5)与调磁转子（7)之间，永磁 转子输出轴（9)的一端固定在第一永磁转子（6)上，永磁转子输出轴（9)的另一端从壳体 (4)的另一个端盖伸出，且通过第三轴承（8)与壳体（4)转动连接； 第一永磁转子（6)和第一定子（5)之间存在径向气隙L1 ;第一永磁转子（6)与调磁转 子（7)之间存在径向气隙L2 ;调磁转子输出轴（1)和永磁转子输出轴（9)的轴线重合； 第一定子（5)由第一定子铁心（5-2)和m相第一定子绕组（5-1)构成，第一定子绕组 (5-1)通有m相对称交流电流时，形成2p极数的旋转磁场，m、p为正整数； 第一永磁转子（6)为极对数为n的转子，n为正整数； 调磁转子（7)由调磁转子铁心（7-1)和q个突起单元（7-2)构成，q个突起单元（7-2) 沿圆周方向均匀分布排列，q为正整数； 且满足P= |hn+kq|关系式成立，其中，h是正奇数，k是整数。
2. 根据权利要求1所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一定 子铁心（5-2)为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线围绕调 磁转子输出轴（1)均匀分布，第一定子绕组（5-1)分别嵌入所述槽内形成m相绕组。
3. 根据权利要求1所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，调磁转 子铁心（7-1)和突起单元（7-2)均选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
4. 根据权利要求3所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，调磁转 子铁心（7-1)和q个突起单元（7-2)为一体件。
5. 根据权利要求1所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永 磁转子（6)包括转子支架（6-1)、n个第一永磁体单元（6-2)和n个第二永磁体单元（6-3)， 转子支架（6-1)沿圆周方向均匀交错分布第一永磁体单元（6-2)和第二永磁体单元（6-3)， n个第一永磁体单兀（6-2)的充磁方向相同，n个第二永磁体单兀（6-3)的充磁方向相同， 第一永磁体单兀（6-2)和第二永磁体单兀（6-3)充磁方向相反。
6. 根据权利要求1所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永 磁转子（6)包括转子支架（6-1)、n个第一永磁体单元（6-2)和n个永磁转子铁心（6-4)， 转子支架（6-1)沿圆周方向均勻交错分布第一永磁体单元（6-2)和永磁转子铁心（6-4)，n 个第一永磁体单兀（6-2)的充磁方向相同。
7. 根据权利要求1所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第一永 磁转子（6)包括转子支架（6-1)、n个第一永磁体单元（6-2)、n个第二永磁体单元（6-3)和n个永磁转子铁心（6-4)，转子支架（6-1)沿圆周方向均勻交错分布第一永磁体单元（6-2) 和第二永磁体单元（6-3)，任意相邻两个第一永磁体单元（6-2)和第二永磁体单元（6-3)之 间设置一个永磁转子铁心（6-4) ;n个第一永磁体单元（6-2)的充磁方向相同，n个第二永 磁体单元（6-3)的充磁方向相同，第一永磁体单元（6-2)和第二永磁体单元（6-3)充磁方 向相反。
8. 根据权利要求1所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第二定 子（11)由第二定子铁心（11-1)和m'相第二定子绕组（11-2)构成，第二定子铁心（11-1) 为圆环形，其内圆表面沿轴向开有多个槽，所述多个槽的开口中心线围绕永磁转子输出轴 (9)均匀分布，第二定子绕组（11-2)分别嵌入所述槽内形成m'相绕组，m'为正整数； 第二永磁转子（12)由第二永磁转子铁心（12-2)和2i个第三永磁体单元（12-1)构成， 第二永磁转子铁心（12-2)固定在永磁转子输出轴（9)上，2i个第三永磁体单元（12-1)沿 圆周方向均匀分布排列，2i个第三永磁体单元（12-1)嵌入第二永磁转子铁心（12-2)内部 或固定在第二永磁转子铁心（12-2)的外圆表面上，相邻两块第三永磁体单元（12-1)的充 磁方向相反，r为正整数。
9. 根据权利要求8所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，第三永 磁体单元（12-1)按以下四种方式中的任意一种进行设置： 第一种：第三永磁体单兀（12-1)设置在第二永磁转子铁心（12-2)的外圆表面上，第三 永磁体单元（12-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁； 第二种：第三永磁体单元（12-1)嵌入设置在第二永磁转子铁心（12-2)的外圆表面内， 第三永磁体单元（12-1)沿径向充磁或沿径向平行充磁； 第三种：第三永磁体单元（12-1)的横截面为矩形，2i个第三永磁体单元（12-1)以永 磁转子输出轴（9)为中心在第二永磁转子铁心（12-2)的内部放射状分布，第三永磁体单元 (12-1)的充磁方向为沿切向平行充磁； 第四种：第三永磁体单元（12-1)的横截面为矩形，2i个第三永磁体单元（12-1)在第 二永磁转子铁心（12-2)的内部以永磁转子输出轴（9)为中心均布，每相邻两个第三永磁体 单元（12-1)的夹角为360° /2r，第三永磁体单元（12-1)的充磁方向为沿径向平行充磁。
10. 根据权利要求8所述径向-径向磁场电磁行星齿轮功率分配器，其特征在于，每个 第三永磁体单元（12-1)由两块横截面为矩形的永磁体构成V字形结构，这两块永磁体的充 磁方向为分别垂直于V字形的两条边，且同时指向V字形的开口方向或同时背离V字形的 开口方向，2i个V字形的第三永磁体单元（12-1)以永磁转子输出轴（9)为中心均布在第二 永磁转子铁心（12-2)的内部，V字形的开口沿径向朝外开口。
【文档编号】H02K16/00GK104377915SQ201410757491
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】郑萍, 白金刚, 程路明, 王伟男, 周承豫 申请人:哈尔滨工业大学