磁场调制式电机及电控无级变速器的制作方法

本发明涉及混合动力汽车驱动技术领域，尤其涉及一种磁场调制式电机及电控无级变速器。

背景技术：

电控无级变速器(E-CVT)是能量分离式混合动力汽车(Power-split HEV)中的关键部件，其通过灵活控制来自发动机和其它能量源的能量传输路径，可以在其整个运行范围内为汽车提供平滑的驱动。由于发动机的最佳工作转速与汽车正常运行的需求往往存在差异，E-CVT的使用也可以保证发动机能够处于最佳工作状态从而提高能量利用效率。

传统的E-CVT由一组行星齿轮、两台电机及相应的整流/逆变器组成。在HEV中，行星齿轮中的行星轮与发动机相接，太阳轮与一台电机相接，行星架与另一台电机及后续传动装置相接。两台电机可以根据需要工作于发电机或者电动机状态。其基本工作原理为，发动机的能量通过行星齿轮被分为两部分，一部分通过行星轮和行星架的作用被传递至后续传动装置，称为机械路径，另一部分通过行星轮和太阳轮的作用带动发电机运行，从而将这部分能量转化为电能，再通过电池、逆变器和电动机的作用，转化为机械能传递至后续传动装置，称为电路径。通过对于能量流动路径的灵活调节，可以实现无级变速、可再生减速或刹车、提供额外动力加速或爬坡等多种功能。

但是，传统的E-CVT主要存在以下问题：行星齿轮的使用导致了摩擦损耗、噪声以及高维护费用等一系列机械问题；电机中电刷和滑环的使用降低了系统的稳定性并且提高了维护费用；在结构上较为庞大笨重。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可与任何需要传动系统的机械装置相结合使用的磁场调制式电机及电控无级变速器，以克服以上传统E-CVT存在的问题。

本发明为了解决上述技术问题，采用的技术方案是：一种磁场调制式电机，包括多个定子、外转子、内转子、第一绕组以及第二绕组，所述第二绕组与所述外转子相互作用，所述第一绕组同时与所述外转子和所述内转子相互作用，其中，当所述多个定子的个数为一时，所述定子套设于所述外转子上，所述外转子套设于所述内转子上，所述定子在沿靠近所述外转子的一侧的圆周方向上设置有定子槽，所述第一绕组和所述第二绕组放置在所述定子的槽内。

优选地，所述外转子由永磁体和调磁铁块相间排列构成，所述内转子由永磁体镶嵌于铁心中构成，所述永磁体的极化方向均沿径向向外或均沿径向向内。

优选地，所述内转子的所述永磁体的数量N₁、所述外转子的所述永磁体的数量N₂以及所述第一绕组的电枢磁场极对数P₁之间满足：N₁＝N₂–P₁；所述外转子的所述永磁体的数量N₂和所述第二绕组的电枢磁场极对数P₂之间满足：N₂＝P_2；所述第一绕组产生的基波磁场的转速为ω_pw，所述内转子的转速为ω_ir，所述外转子的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：-N₁×ω_ir+N₂×ω_or+P₁×ω_pw＝0。

优选地，当所述多个定子的个数为二时，所述多个定子包括外定子和内定子，所述外定子套设于所述外转子上，所述外转子套设于所述内转子上，所述内转子套设于所述内定子上，所述外定子在沿靠近所述外转子的一侧的圆周方向上设置有定子槽，所述第二绕组放置在所述外定子的槽内，所述内定子在沿靠近所述内转子的一侧的圆周方向上设置有定子槽，所述第一绕组放置在所述内定子的槽内。

优选地，所述外转子由沿径向向外极化的第一永磁体和由沿径向向内极化的第二永磁体相间排列构成，所述内转子由调磁铁块间断排列构成。

优选地，所述内转子的所述调磁铁块的数量N₃、所述外转子的所述第一永磁体和所述第二永磁体的极对数N₄、所述第一绕组的电枢磁场极对数P₃之间满足：N₃＝N₄–P₃；所述外转子的所述第一永磁体和所述第二永磁体的极对数N₄和所述第二绕组的电枢磁场极对数P₄之间满足：N₄＝P₄；所述第一绕组产生的基波磁场的转速为ω_pw，所述内转子的转速为ω_ir，所述外转子的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：-N₃×ω_ir+N₄×ω_or+P₃×ω_pw＝0。

优选地，所述内转子由沿径向向外极化的第一永磁体和由沿径向向内极化的第二永磁体相间排列构成，所述外转子由调磁铁块间断排列构成。

优选地，所述内转子的所述第一永磁体和所述第二永磁体的极对数N₅、所 述外转子的所述调磁铁块的数量N₆、所述第二绕组的电枢磁场极对数P₆之间满足：N₆＝N₅+P₆；所述内转子的所述第一永磁体和所述第二永磁体的极对数N₅和所述第一绕组的电枢磁场极对数P₅之间满足：N₅＝P₅；所述第二绕组产生的基波磁场的转速为ω_sw，所述内转子的转速为ω_ir，所述外转子的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：N₅×ω_ir-N₆×ω_or+P₆×ω_sw＝0。优选地，所述外转子和所述内转子由永磁体和调磁铁块相间排列构成，所述永磁体的极化方向均沿径向向外或均沿径向向内。

优选地，所述内转子的所述永磁体的数量N₇、所述外转子的所述永磁体的数量N₈以及所述第一绕组的电枢磁场极对数P₇之间满足：N₇＝N₈–P₇；所述外转子的所述永磁体的数量N₈和所述第二绕组的电枢磁场极对数P₈之间满足：N₈＝P₈；所述第一绕组产生的基波磁场的转速为ω_pw，所述内转子的转速为ω_ir，所述外转子的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：-N₇×ω_ir+N₈×ω_or+P₇×ω_pw＝0。

优选地，所述内转子的所述永磁体的数量N₅、所述外转子的所述永磁体的数量N₆以及所述第二绕组的电枢磁场极对数P₆之间满足：N₅＝N₆–P₆；所述内转子的所述永磁体的数量N₅和所述第一绕组的电枢磁场极对数P₅之间满足：N₆＝P₅；所述第二绕组产生的磁场的转速为ω_sw，所述内转子产生的磁场的转速为ω_ir，所述外转子产生的磁场的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：N₅×ω_ir-N₆×ω_or+P₆×ω_sw＝0。

相应地，本发明还提供了包括电能存储装置、第一逆变器、第二逆变器、以及如上所述的磁场调制式电机，其中，所述电能存储装置连接于所述第一逆变器与所述第二逆变器之间，所述第一逆变器与所述第一绕组相连，所述第二逆变器与所述第二绕组相连，在将所述电控无级变速器应用于混合动力汽车时，所述磁场调制式电机的外转子与所述混合动力汽车的发动机相连且所述磁场调制式电机的内转子与驱动车轮的传动装置相连，或者所述磁场调制式电机的所述内转子与所述混合动力汽车的发动机相连且所述磁场调制式电机的所述外转子与驱动车轮的传动装置相连。

优选地，所述电能存储装置为电池或者超级电容。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过本发明提供的具有两套绕组和两个转子的磁场调制式电机及电控无级变速器可为混合动力汽车或其它需要传动的装置提供连续而平滑的转矩和速度调节。相比于传统的电控无级变速器， 本发明提供的电控无级变速器具有无机械摩擦、整合度高、体积小的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的磁场调制式电机的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的电控无级变速器的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的磁场调制式电机的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的电控无级变速器的结构示意图；

图5为本发明第三实施例提供的磁场调制式电机的结构示意图；

图6为本发明第三实施例提供的电控无级变速器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明第一实施例提供的磁场调制式电机100的结构示意图。如图1所示，磁场调制式电机100包括定子110、外转子120、内转子130、第一绕组140以及第二绕组150。其中，定子110套设于外转子120上，外转子120套设于内转子130上。定子110在沿靠近外转子120的一侧的圆周方向上设置有定子槽，第一绕组140和第二绕组150放置在定子槽内，第一绕组140放置在靠近外转子120的一侧，第二绕组150放置在第一绕组140的外侧。外转子120由永磁体122和调磁铁块124相间排列构成，内转子130由永磁体132镶嵌于铁心134构成，永磁体122和永磁体132的极化方向均沿径向向外或均沿径向向内。

进一步地，在工作时，由于内转子130由高导磁率的铁心134和低导磁率的永磁体132相间排列构成，可以起到磁场调制的作用。具体而言，一方面， 将第一绕组140的电枢磁场调制为与内转子130的永磁磁场极对数相同的磁场，使之与内转子130的永磁磁场相互作用产生转矩；另一方面，将内转子130的永磁磁场调制为与第一绕组140的电枢磁场极对数相同的磁场，使之与第一绕组140的电枢磁场相互作用产生转矩。由于外转子120的永磁磁场极对数与第二绕组150的电枢磁场极对数相同，外转子120与第二绕组150也可以相互作用而产生转矩。

进一步地，在本发明一实施例中，第二绕组150与外转子120相互作用，组成一个多级分数槽永磁电机，第一绕组140同时与外转子120和内转子130相互作用，组成一个双转子永磁微调电机。

基于以上工作原理，内转子130的永磁体132的数量N₁、外转子120的永磁体122的数量N₂、第一绕组140的电枢磁场极对数P₁之间满足：N₁＝N₂–P₁。外转子120的永磁体122的数量N₂和第二绕组150的电枢磁场极对数P₂之间满足：N₂＝P₂。

进一步地，工作时，第一绕组140产生的磁场的转速为ω_pw，内转子130产生的磁场的转速为ω_ir，外转子120产生的磁场的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：

-N₁×ω_ir+N₂×ω_or+P₁×ω_pw＝0

图2为本发明第一实施例提供的电控无级变速器200的结构示意图。图2将结合图1进行描述，图2和图1中相同标号的元件具有相同的功能，在此不再赘述。如图2所示，电控无级变速器200包括电能存储装置210、第一逆变器220、第二逆变器230、以及由定子110、外转子120、内转子130、第一绕组140以及第二绕组150构成的磁场调制式电机。其中，电能存储装置210连接于第一逆变器220与第二逆变器230之间，第一逆变器220与第一绕组140相连，第二逆变器230与第二绕组150相连。在将电控无级变速器200应用于混合动力汽车时，外转子120与混合动力汽车的发动机250相连，内转子130与驱动车轮的传动装置240相连。电能存储装置210为电池或者超级电容。

进一步地，在工作时，发动机250的能量传递至磁场调制式电机的外转子120后被分为两部分：一部分通过外转子120、内转子130及第一绕组140的相互作用，被传递至内转子130，然后被传递至车轮；另一部分通过外转子120和第一绕组140、第二绕组150的相互作用，被转化为电能并经过第一逆变器220 和第二逆变器230传递至电能储存装置210，电能储存装置210存储的电能又可以通过第一绕组140、第二绕组150和外转子120、内转子130之间的相互作用，再次转化为机械能并传递至车轮。因此，通过改变发动机的工作状态，可以获得相当于改变传动比的效果，从而可以连续平滑地调节车轮的转速和转矩。

进一步地，在车辆启动时，锁定外转子120，由电能存储装置210提供电能，经第一逆变器220激励第一绕组140，从而可以驱动内转子130转动，由此解决了内燃发动机在汽车起动时效率低下的问题。

进一步地，在车辆需要加速或者爬坡时，电能存储装置210可以提供额外的能量，经第一逆变器220和第二逆变器230激励第一绕组140和第二绕组150，以驱动外转子120和内转子130，从而辅助内燃发动机驱动汽车。

进一步地，在车辆需要减速或者下坡时，多余的能量通过外转子120、内转子130和第一绕组140、第二绕组150的相互作用发电，经过第一逆变器220和第二逆变器230的整流后用于给电能存储装置210充电。

图3为本发明第二实施例提供的磁场调制式电机300的结构示意图。如图3所示，磁场调制式电机300包括外定子310、外转子320、内转子330、内定子340、第一绕组350以及第二绕组360。其中，外定子310套设于外转子320上，外转子320套设于内转子330上，内转子330套设于内定子340上。外定子310在沿靠近外转子320的一侧的圆周方向上设置有定子槽，第二绕组360放置在外定子310的槽内，内定子340在沿靠近内转子320的一侧的圆周方向上设置有定子槽，第一绕组350放置在内定子340的槽内。外转子320由沿径向向外极化的第一永磁体322和由沿径向向内极化的第二永磁体324相间排列构成，内转子330由调磁铁块332间断排列构成。进一步地，在工作时，由于内转子330由高导磁率的调磁铁块间断排列构成，它可以起到磁场调制的作用。具体而言，一方面，将第一绕组350的电枢磁场调制为与外转子320的永磁磁场极对数相同的磁场，使之与外转子320的永磁磁场相互作用产生转矩；另一方面，将外转子320的永磁磁场调制为与第一绕组350的电枢磁场极对数相同的磁场，使之与第一绕组350的电枢磁场相互作用产生转矩。由于外转子320的永磁磁场极对数与第二绕组360的电枢磁场极对数相同，外转子320与第二绕组360也可以相互作用而产生转矩。

进一步地，在本发明一实施例中，第二绕组360与外转子320相互作用， 组成一个多级分数槽永磁电机，第一绕组350同时与外转子320和内转子330相互作用，组成一个双转子永磁微调电机。

基于以上工作原理，内转子330的调磁铁块332的数量N₃、外转子320的第一永磁体322和第二永磁体324的数量N₄、第一绕组350的电枢磁场极对数P₃之间满足：N₃＝N₄–P₃。外转子320的第一永磁体322和第二永磁体324的数量N₄和第二绕组360的电枢磁场极对数P₄之间满足：N₄＝P₄。

进一步地，工作时，第一绕组350产生的磁场的转速为ω_pw，内转子330产生的磁场的转速为ω_ir，外转子320产生的磁场的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：

-N₃×ω_ir+N₂×ω_or+P₃×ω_pw＝0

优选地，作为示例(图中未示出)，内转子330由沿径向向外极化的第一永磁体和由沿径向向内极化的第二永磁体相间排列构成，外转子320由调磁铁块间断排列构成。内转子的第一永磁体和第二永磁体的极对数N₅、外转子的调磁铁块的数量N₆、第二绕组的电枢磁场极对数P₆之间满足：

N₆＝N₅+P₆；

内转子的第一永磁体和第二永磁体的极对数N₅和第一绕组的电枢磁场极对数P₅之间满足：N₅＝P₅；

第二绕组产生的基波磁场的转速为ω_sw，内转子的转速为ω_ir，外转子的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：

N₅×ω_ir-N₆×ω_or+P₆×ω_sw＝0。图4为本发明第二实施例提供的电控无级变速器400的结构示意图。图4将结合图3进行描述，图4和图3中相同标号的元件具有相同的功能，在此不再赘述。如图4所示，电控无级变速器400包括电能存储装置410、第一逆变器420、第二逆变器430、以及由外定子310、外转子320、内转子330、内定子340、第一绕组350以及第二绕组360构成的磁场调制式电机。其中，电能存储装置410连接于第一逆变器420与第二逆变器430之间，第一逆变器420与第一绕组350相连，第二逆变器430与第二绕组360相连。在将电控无级变速器400应用于混合动力汽车时，内转子330与混合动力汽车的发动机450相连，外转子320与驱动车轮的传动装置440相连。电能存储装置410为电池或者超级电容。

进一步地，在工作时，发动机450的能量传递至磁场调制式电机的内转子 330后被分为两部分：一部分通过外转子320、内转子330及第一绕组350的相互作用，被传递至外转子320，然后传递至车轮；另一部分通过内转子330和第一绕组350的相互作用，转化为电能并经过第一逆变器420与第二逆变器430传递至电能储存装置410，电能储存装置410存储的电能又可以通过第一绕组350、第二绕组360和外转子320间的相互作用，再次转化为机械能并传递至车轮。

进一步地，在车辆启动时，锁定内转子330，由电能存储装置410提供电能，经第一逆变器420激励第一绕组350，从而驱动外转子320转动，由此解决了内燃发动机在汽车起动时效率低下的问题。

进一步地，在车辆需要加速或者爬坡时，电能存储装置410可以提供额外的能量，经第一逆变器420和第二逆变器430激励第一绕组350和第二绕组360，以驱动外转子320和内转子330，从而辅助内燃发动机驱动汽车。

进一步地，在车辆需要减速或者下坡时，多余的能量通过外转子320、内转子330和第一绕组350、第二绕组360的相互作用发电，经过第一逆变器420和第二逆变器430的整流后用于给电能存储装置410充电。

图5为本发明第三实施例提供的磁场调制式电机500的结构示意图。如图5所示，磁场调制式电机500包括外定子510、外转子520、内转子530、内定子540、第一绕组550以及第二绕组560。其中，外定子510套设于外转子520上，外转子520套设于内转子530上，内转子530套设于内定子540上。外定子510在沿靠近外转子520的一侧的圆周方向上设置有定子槽，第二绕组560放置在外定子510的槽内，内定子540在沿靠近内转子520的一侧的圆周方向上设置有定子槽，第一绕组550放置在内定子540的槽内。外转子520由永磁体522和调磁铁块524相间排列构成，内转子530由永磁体532和调磁铁块534相间排列构成，永磁体522和永磁体532的极化方向均沿径向向外或均沿径向向内。

进一步地，在工作时，由于内转子530由高导磁率的调磁铁块534和低导磁率的永磁体532相间排列构成，可以起到磁场调制的作用。具体而言，一方面，将第一绕组550的电枢磁场调制为与内转子530的永磁磁场极对数相同的磁场，使之与内转子530的永磁磁场相互作用产生转矩；另一方面，将内转子530的永磁磁场调制为与第一绕组550的电枢磁场极对数相同的磁场，使之与第一绕组550的电枢磁场相互作用产生转矩。由于外转子520的永磁磁场极对数 与第二绕组560的电枢磁场极对数相同，外转子520与第二绕组560也可以相互作用而产生转矩。

进一步地，在本发明一实施例中，第二绕组560与外转子520相互作用，组成一个多级分数槽永磁电机，第一绕组550同时与外转子520和内转子530相互作用，组成一个双转子永磁微调电机。

基于以上工作原理，内转子530的永磁体532的数量N₇、外转子520的永磁体522的数量N₈、第一绕组550的电枢磁场极对数P₇之间满足：N₇＝N₈–P₇。外转子520的永磁体522的数量N₈和第二绕组560的电枢磁场极对数P₈之间满足：N₈＝P₈。

进一步地，工作时，第一绕组550产生的磁场的转速为ω_pw，内转子530产生的磁场的转速为ω_ir，外转子520产生的磁场的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：

-N₇×ω_ir+N₈×ω_or+P₇×ω_pw＝0

进一步地，内转子的永磁体的数量N₇、外转子的永磁体的数量N₈以及第二绕组的电枢磁场极对数P₈之间满足：N₇＝N₈–P₈；

内转子的永磁体的数量N₇和第一绕组的电枢磁场极对数P₇之间满足：N₇＝P₇；

第二绕组产生的磁场的转速为ω_sw，内转子产生的磁场的转速为ω_ir，外转子产生的磁场的转速为ω_or，三者之间满足以下关系：

N₇×ω_ir-N₈×ω_or+P₈×ω_sw＝0。

图6为本发明第三实施例提供的电控无级变速器600的结构示意图。图6将结合图5进行描述，图6和图5中相同标号的元件具有相同的功能，在此不再赘述。如图6所示，电控无级变速器600包括电能存储装置610、第一逆变器620、第二逆变器630、以及由外定子510、外转子520、内转子530、内定子540、第一绕组550以及第二绕组560构成的磁场调制式电机。其中，电能存储装置610连接于第一逆变器620与第二逆变器630之间，第一逆变器620与第一绕组550相连，第二逆变器630与第二绕组560相连。在将电控无级变速器600应用于混合动力汽车时，内转子530与混合动力汽车的发动机650相连，外转子520与驱动车轮的传动装置640相连。电能存储装置610为电池或者超级电容。

进一步地，在工作时，发动机650的能量传递至磁场调制式电机的内转子530后被分为两部分：一部分通过外转子520、内转子530及第一绕组550的相 互作用，被传递至外转子520，然后传递至车轮；另一部分通过内转子530和第一绕组550的相互作用，转化为电能并经过第一逆变器620与第二逆变器630传递至电能储存装置610，电能储存装置610存储的电能又可以通过第一绕组550、第二绕组560和外转子520间的相互作用，再次转化为机械能并传递至车轮。

进一步地，在车辆启动时，锁定内转子530，由电能存储装置610提供电能，经第一逆变器520激励第一绕组550，从而驱动外转子520转动，由此解决了内燃发动机在汽车起动时效率低下的问题。

进一步地，在车辆需要加速或者爬坡时，电能存储装置610可以提供额外的能量，经第一逆变器620和第二逆变器630激励第一绕组550和第二绕组560，以驱动外转子520和内转子530，从而辅助内燃发动机驱动汽车。

进一步地，在车辆需要减速或者下坡时，多余的能量通过外转子520、内转子530和第一绕组550、第二绕组560的相互作用发电，经过第一逆变器620和第二逆变器630的整流后用于给电能存储装置610充电。

有利地，通过本发明提供的具有两套绕组和两个转子的磁场调制式电机及电控无级变速器可为混合动力汽车或其它需要传动的装置提供连续而平滑的转矩和速度调节。相比于传统的电控无级变速器，本发明提供的电控无级变速器具有无机械摩擦、整合度高、体积小的特点。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。