一种基于双转子电机的电动轮集成结构及其工作方法与流程

本发明涉及电动汽车驱动电机及其控制技术领域，特别是涉及一种应用于轮毂电机驱动电动汽车的基于双转子电机的电动轮集成结构及其工作方法。

背景技术：

近年来，世界各国大力提倡节约石油能源和减少汽车排放污染，纯电动汽车具有能量转换效率高、无污染、噪声小和结构简单等优点，备受国内外汽车企业、高校和科研院所关注。轮毂驱动技术作为纯电动汽车的一种新的驱动方案，将动力装置、传动装置和制动装置都整合到轮毂内，使得电动汽车的动力传动部分大为简化，容易实现前驱、后驱和四驱形式；同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转来实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值。

目前，纯电动汽车所用电池的容量还有限，普通和轮毂驱动的纯电动汽车电制动能力都较小，需要电动真空泵提供制动助力，会消耗较多的能量，续航能力达不到全天候应用；传统的永磁磁通切换电机的气隙磁场由永磁体产生，且永磁体磁场大小难以调节，限制了其在纯电动汽车中的应用。双转子电机具有两个机械端口输出，可以实现两个机械轴能量的独立传递，在驱动车辆的同时还能发电，在纯电动汽车、混合动力电动汽车和电力无级变速器等领域已有成熟的应用研究。

中国专利(cn103935232b)提出了一种基于双转子电机的电动轮，扩大了电机再生制动的使用范围，续驶里程有所增加，但只有外转子驱动车辆，驱动模式单一；中国专利(cn103640470b)提出了由于轮毂驱动的双转子电机结构，具有驱动、制动、制动能量回收和在车发电四种模式，融入行星齿轮机构配合模式的切换，但是也仅限于内转子用于驱动，外转子用于制动/制动能量回收，均不能很好地适应汽车多变的行驶工况。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于双转子电机的电动轮集成结构及其工作方法，具有多种驱动和制动模式，且能实现能量回收与弱磁扩速等功能。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于双转子电机的电动轮集成结构，包括双转子电机、离合器i、离合器ii、行星齿轮机构、电磁缓速制动与摩擦制动总成以及复合电源与综合控制系统，所述双转子电机的外电机与离合器i连接，内电机与离合器ii连接，离合器i空套在离合器ii的外部，离合器i、离合器ii均与行星齿轮机构固连，行星齿轮机构的行星架的输出端上安装有电磁缓速制动与摩擦制动总成，复合电源与综合控制系统与双转子电机、电磁缓速制动与摩擦制动总成相连。

上述方案中，所述双转子电机由内向外依次为内转子、中间定子和外转子，两两之间均由轴承支承；所述中间定子的铁芯由若干个背对的h形外定子铁芯和内定子铁芯径向连接而成，长条状内层永磁体和外层永磁体分别布置于两个相邻的内定子铁芯、两个相邻的外定子铁芯之间，内定子铁芯和外定子铁芯的轭部分别布置有内层励磁绕组和外层励磁绕组，中间定子的内、外层凸极上分别套装有内层电枢绕组和外层电枢绕组，外转子内侧均匀开槽，形成内凸极，与外层电枢绕组、外层永磁体和外层励磁绕组构成外电机；内转子外侧均匀开槽，形成外凸极，与内层电枢绕组、内层永磁体和内层励磁绕组构成内电机。

上述方案中，所述行星齿轮机构为单行星排结构，包括齿圈、行星轮、行星架和太阳轮，所述齿圈固定连接于电机壳体内侧，行星架与离合器i固连，太阳轮与离合器ii固连，行星架为双转子电机的动力输出端。

上述方案中，所述电磁缓速制动与摩擦制动总成包括电磁缓速制动器和摩擦制动器，电磁缓速制动器包括励磁线圈i、铁芯i、电机端盖和摩擦制动盘，所述电机端盖固定安装在电机壳体端面上，作为电磁缓速制动器的定子部分，励磁线圈i套装在铁芯i上，形成励磁绕组，铁芯i固定安装在靠近电机端盖的圆心区域，摩擦制动盘与行星架的输出轴端固定连接，作为电磁缓速制动器的转子部分，铁芯i端面与摩擦制动盘之间留有间隙；摩擦制动器由摩擦制动盘、制动钳和摩擦片组成，摩擦片安装在制动钳上，摩擦片与摩擦制动盘设有间隙。

上述方案中，所述复合电源与综合控制系统由复合电源系统和综合控制系统组成，复合电源系统包括动力电池、超级电容器、dc/dc变换器，综合控制系统包括ac/dc变换器i、集成控制器、ac/dc变换器ii、开关i、开关ii和开关iii；dc/dc变换器与超级电容器串联，ac/dc变换器i分别与内层电枢绕组和复合电源系统相连接，ac/dc变换器ii分别与外层电枢绕组和复合电源系统相连接，集成控制器判断驱车辆驱动力矩或制动强度的大小，从而控制离合器i和离合器ii的动作；开关i和开关ii分别与外励磁绕组、内层励磁绕组连接，开关iii与励磁线圈i连接。

一种基于双转子电机的电动轮集成结构的工作方法，可实现驱动工况下的内电机单独驱动、外电机单独驱动和内外电机共同驱动三种模式，制动工况下的再生制动、电磁缓速制动和摩擦制动三种模式中的某一种或几种联合制动以及弱磁扩速功能。

进一步，所述内电机单独驱动的具体过程为：超级电容器和动力电池共同提供电能，离合器i断开，离合器ii闭合，内层电枢绕组通入三相电流，内转子转动产生驱动转矩，经过行星齿轮机构进行动力输出，用来满足车辆的启动工况；所述外电机单独驱动的具体过程为：仅由动力电池提供电能，离合器ii断开，离合器i闭合，外层电枢绕组通入三相电流，外转子转动产生驱动转矩，经过行星齿轮机构进行动力输出，用来满足车辆高速行驶工况；所述内外电机共同驱动的具体过程为：超级电容器和动力电池共同提供电能，离合器ii和离合器i均闭合，内层电枢绕组和外层电枢绕组分别通入三相电流，内转子和外转子均转动分别产生驱动转矩，经过行星齿轮机构进行动力耦合后输出，用来满足车辆大功率需求行驶工况。

进一步，所述电动汽车的制动工况根据超级电容器、动力电池的soc值以及温度分为两种情况，假设车辆制动时的需求制动力矩为t，双转子电机再生制动提供的制动力矩为t1，电磁缓速制动提供的制动力矩为t2，摩擦制动提供的制动力矩为t3，则：

1)允许内外电机再生制动，由超级电容器首先回收制动能量，其制动过程具体为：

a.当t1>t时，车辆采用再生制动模式，根据综合控制系统判断车辆的制动强度大小，可采取内电机再生制动、外电机再生制动和内外电机联合再生制动中的某一种模式；

b.当t1<t时，车辆同时采用再生制动和电磁缓速制动模式，并根据综合控制系统判断车辆的制动强度大小，可采取内电机再生制动、外电机再生制动和内外电机联合再生制动中的某一种模式与电磁缓速制动进行联合制动；

c.当t1+t2<t时，车辆同时采用再生制动、电磁缓速制动和摩擦制动模式，并根据综合控制系统判断车辆制动强度大小，可采取内电机再生制动、外电机再生制动和内外电机联合再生制动中的某一种模式与电磁缓速制动和摩擦制动进行联合制动；

2)不允许内外电机再生制动，只能采用电磁缓速制动或摩擦制动模式，其制动过程具体为：

a.当t2>t时，车辆采用电磁缓速制动模式；

b.当t2<t时，车辆同时采用电磁缓速制动和摩擦制动模式。

进一步，所述弱磁扩速功能的具体过程为：励磁电流使相邻的两个电枢绕组一个匝链的磁链增大，另一个匝链的磁链减少，两个电枢绕组匝链的总磁链仍为双极性，且幅值随励磁电流的增大而逐渐减小，实现电机的弱磁调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过引入行星齿轮机构和离合器，该双转子电机可实现内、外电机单独驱动和共同驱动模式，满足车辆的启动、低速和高速行驶、爬坡和加速等多工况运行需求；可实现内外电机联合再生制动模式，与单电机相比，回收制动能量的能力增强，并采用由动力电池和超级电容器组成的复合电源系统，储存能量容量更大，提高纯电动汽车的续航能力；加入电磁缓速制动和摩擦制动模式，配合再生制动可满足不同制动工况下的制动需求，确保制动安全；该双转子电机的内定子铁芯和外定子铁芯均为h型结构，在其轭部分别布置有内、外层励磁绕组，构成励磁绕组和永磁体两个磁势源，通过控制励磁电流大小可方便调节气隙磁场，实现弱磁控制，扩大电机的应用范围。

附图说明

图1为基于双转子电机的电动轮集成总体结构示意图；

图2为双转子电机本体结构示意图；

图3为双转子电机剖视图；

图4为行星齿轮机构示意图；

图5为电磁缓速制动器定子示意图；

图6为电磁缓速制动与摩擦制动总成示意图；

图7为复合电源与综合控制系统示意图；

图8为内电机单独驱动模式的能量流动路线图；

图9为外电机单独驱动模式的能量流动路线图；

图10为内外电机共同驱动模式的能量流动路线图；

图11为内电机再生制动模式的能量流动路线图；

图12为外电机再生制动模式的能量流动路线图；

图13为内外电机联合再生制动模式的能量流动路线图。

其中，1-双转子电机；2-离合器i；3-离合器ii；4-行星齿轮机构；5-电磁缓速制动与摩擦制动总成；6-复合电源与综合控制系统；101-中间定子；102-内层永磁体；103-内层电枢绕组；104-外层电枢绕组；105-外层永磁体；106-外转子；107-内转子；108-外定子铁芯；109-隔磁磁障；110-内定子铁芯；111-内层励磁绕组；112-外层励磁绕组；41-齿圈；42-行星轮；43-行星架；44-太阳轮；45-电机壳体；51-螺钉i；52-电机端盖；53-制动钳；54-摩擦片；55-摩擦制动盘；56-螺栓；57-铁芯i；58-螺钉ii；59-励磁线圈i；61-动力电池；62-超级电容器；63-dc/dc变换器；64-ac/dc变换器i；65-集成控制器；66-ac/dc变换器ii；67-开关i；68-开关ii；69-开关iii。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种基于双转子电机的电动轮集成结构，由双转子电机1、离合器i2、离合器ii3、行星齿轮机构4、电磁缓速制动与摩擦制动总成5、复合电源与综合控制系统6组成。

如图2和图3所示，双转子电机1由中间定子101、外转子106和内转子107三部分构成；其中，内层永磁体102、内层电枢绕组103、外层电枢绕组104、外层永磁体105、内层励磁绕组111、外层励磁绕组112均布置在中间定子101上，中间定子101的铁芯由若干个背对的h形外定子铁芯108和内定子铁芯110径向连接而成；内层永磁体102和外层永磁体105均为长条状，分别布置于两个相邻的内定子铁芯110、两个相邻的外定子铁芯108之间，呈现切向充磁，且与h形铁芯形成内外双层凸极的定子结构，内层电枢绕组103和外层电枢绕组104分别套装在中间定子101的内、外层凸极上；外转子106和内转子107上均无永磁体和绕组，外转子106内侧均匀开槽，形成内凸极，与外层电枢绕组104、外层永磁体105和外层励磁绕组112构成外电机；内转子107外侧均匀开槽，形成外凸极，与内层电枢绕组103、内层永磁体102和内层励磁绕组111构成内电机；集中式内层励磁绕组111和外层励磁绕组112分别布置在内定子铁芯110和外定子铁芯108的轭部，内层励磁绕组111、内定子铁芯110与内层永磁体102构成内电机的两个磁势源-励磁绕组和永磁体，外层励磁绕组112、外定子铁芯108与外层永磁体105构成外电机的两个磁势源-励磁绕组和永磁体，从而形成混合励磁型电机；中间定子101与电机壳体45为一个整体，中间定子101与内转子107之间、中间定子101与外转子106之间均由轴承支承，保证内转子107和外转子106均可以自由转动。

离合器i2为圆环形，空套在圆形离合器ii3的外部，离合器i2固定在外转子106和行星架43的输入端之间，可断开或接合外转子106与行星架43的动力传递；离合器ii3固定在内转子107和太阳轮44之间，可断开或接合内转子107与太阳轮44的动力传递，通过控制不同的离合器产生动作，可实现基于双转子电机的电动轮集成结构的多种工作模式。

如图4所示，行星齿轮机构4为单行星排结构，由齿圈41、行星轮42、行星架43和太阳轮44组成，其中，齿圈41固定连接于电机壳体45内侧，齿圈41与行星轮42啮合，行星轮42与太阳轮44啮合，行星轮42套装在行星架43上；行星架43既作为内、外电机的共同动力输出端，又是外电机的动力输入端，内电机的动力经由太阳轮44输入，即当外电机单独工作时，可实现传动比为1的动力输出，满足小负荷高速运行需求；当内电机单独工作时，传动比大于1，行星齿轮机构4起减速增扭作用，可满足车辆启动时较大负荷需求的低速运行工况；当车辆在爬坡或加速行驶需求大功率输入时，内外电机可实现联合驱动。

如图5和图6所示，电磁缓速制动与摩擦制动总成5由电磁缓速制动器和摩擦制动器组成，电磁缓速制动器包括励磁线圈i59、铁芯i57、电机端盖52和摩擦制动盘55，电机端盖52通过若干沿圆周均匀分布的螺钉i51固定安装在电机壳体45右端面上，作为电磁缓速制动器的定子部分；励磁线圈i59套装在铁芯i57上，铁芯i57通过若干沿圆周均匀分布的螺钉ii58固定安装在靠近电机端盖52的圆心区域，共布置有八个由励磁线圈i59和铁芯i57组成的励磁绕组，形成交替分布的n极和s极；摩擦制动盘55通过若干周向均布螺栓56与行星架43输出轴端固定连接，同时作为电磁缓速制动器的转子部分，铁芯i57端面与摩擦制动盘55之间留有间隙；摩擦制动器由摩擦制动盘55、制动钳53和摩擦片54组成，摩擦片54安装在制动钳53上，摩擦片54与摩擦制动盘55设有间隙，制动时，摩擦片54与摩擦制动盘55接触产生摩擦阻力。

如图7所示，复合电源与综合控制系统6由复合电源系统和综合控制系统组成，复合电源系统包括动力电池61、超级电容器62、dc/dc变换器63，综合控制系统包括ac/dc变换器i64、集成控制器65、ac/dc变换器ii66、开关i67、开关ii68和开关iii69，dc/dc变换器63与超级电容器62串联，用于调节超级电容器62端电压和控制复合电源系统中各储能单元的充放电电流大小；ac/dc变换器用于改变电路中电流的状态，即由直流电变换为交流电，或由交流电变换为直流电，而执行哪一种类型的电流转换则由集成控制器65根据车辆运行情况进行控制；ac/dc变换器i64分别与内层电枢绕组103和复合电源系统相连接，可实现内电机在发电机和电动机工作状态之间的转换；ac/dc变换器ii66分别与外层电枢绕组104和复合电源系统相连接，可实现外电机在发电机和电动机工作状态之间的转换；集成控制器65根据超级电容器62和动力电池61的soc值、轮速、油门/制动踏板等信号，综合判断驱车辆驱动力矩或制动强度的大小，控制离合器i2和离合器ii3的不同动作；开关i67和开关ii68可分别断开或接通外层励磁绕组112和内层励磁绕组111与复合电源系统之间的电路连接，决定外电机和内电机是否采取电励磁方式产生磁场，用来调节气隙磁场大小；开关iii69可断开或接通励磁线圈i59与复合电源系统之间的电路连接，决定车辆是否执行电磁缓速制动模式，开关i67、开关ii68和开关iii69的动作均由集成控制器65控制；集成控制器65与dc/dc变换器63、ac/dc变换器i64、ac/dc变换器ii66导线连接，动力电池61与超级电容器62并联，且与ac/dc变换器i64、ac/dc变换器ii66导线连接。

该基于双转子电机的电动轮集成结构具有内电机单独驱动、外电机单独驱动、内外电机共同驱动、再生制动、电磁缓速制动和摩擦制动多种工作模式，并能实现弱磁扩速功能，下面进行详细说明。

(一)驱动工况

为了充分发挥复合电源系统中超级电容器62和动力电池61的各自优势，纯电动车辆的平均需求功率由动力电池61提供，而高于平均功率时则由超级电容器62进行补充。

①内电机单独驱动

车辆启动时，电机需求功率通常较大，若仅由动力电池61提供电能，则其输出电流会较大，甚至超出承受极限，造成动力电池61温度急剧上升，减少使用寿命，故此时应由超级电容器62和动力电池61共同提供电能；当离合器i2断开，离合器ii3闭合时，内层电枢绕组103通入三相电流，基于磁通切换和磁阻最小原理，内转子107转动产生驱动转矩，经过行星齿轮机构4进行动力输出，实现内电机单独驱动模式；其能量流动路线为：动力电池61和超级电容器62→ac/dc变换器i64→内层电枢绕组103→内转子107→离合器ii3→太阳轮44→行星架43→摩擦制动盘55，驱动车辆行驶，如图8所示。

②外电机单独驱动

车辆高速行驶时，电机需求功率通常较小，此时仅采用动力电池61提供电能可满足功率需求；当离合器ii3断开，离合器i2闭合时，外层电枢绕组104通入三相电流，基于磁通切换和磁阻最小原理，外转子106转动产生驱动转矩，经过行星齿轮机构4进行动力输出，实现外电机单独驱动模式；其能量流动路线为：动力电池61→ac/dc变换器ii66→外层电枢绕组104→外转子106→离合器i2→行星架43→摩擦制动盘55，驱动车辆行驶，如图9所示。

在此工况下，若超级电容器62的soc值较低，动力电池61驱动车辆的同时，可向超级电容器62补充能量，以满足在超车加速等大功率输出工况的需求。

③内外电机共同驱动

车辆爬坡或加速行驶时，电机需求功率更大，此时由超级电容器62和动力电池61共同提供电能；当离合器ii3和离合器i2均闭合时，内层电枢绕组103和外层电枢绕组104分别通入三相电流，基于磁通切换和磁阻最小原理，内转子107和外转子106均转动分别产生驱动转矩，并经过行星齿轮机构4进行动力耦合后输出，实现内外电机共同驱动模式；图10为其能量流动路线图，具体为：

(二)制动工况

根据车辆制动时的需求，可实现再生制动、电磁缓速制动、摩擦制动模式中的某一种或几种形式联合制动。

①再生制动

在该模式下，电动机切换成发电机运转，利用车辆制动减速时的惯性带动电机转子旋转而产生反转力矩，将一部分动能转化为电能并加以储存或利用，进行能量回收。由于超级电容可实现大电流充放电，再生制动时首先由超级电容器62回收制动能量。根据车辆反拖双转子电机1转子的不同，可分为内电机再生制动、外电机再生制动和内外电机联合再生制动三种形式，且内电机再生制动模式回收制动能量的能力最小，外电机再生制动模式次之，内外电机联合再生制动模式最大。

内电机再生制动模式的能量流动路线为：车辆行驶→摩擦制动盘55→行星架43→太阳轮44→离合器ii3→内转子107→内层电枢绕组103→ac/dc变换器i64→超级电容器62→动力电池61，如图11所示。

外电机再生制动模式的能量流动路线为：车辆行驶→摩擦制动盘55→行星架43→离合器i2→外转子106→外层电枢绕组104→ac/dc变换器ii66→超级电容器62→动力电池61，如图12所示。

图13为内外电机联合再生制动模式的能量流动路线，具体为：

②电磁缓速制动

当开关iii69闭合后，励磁线圈i59通入直流电流产生磁场，旋转的摩擦制动盘55在磁场中产生电涡流，电涡流和磁场相互作用产生制动力矩施加在摩擦制动盘55上，使车轮减速。

通入励磁线圈i59的直流电可由车辆的行驶动能经过内、外电机和ac/dc变换器进行能量转换后获取，而不直接取自电源系统，从而保持超级电容器62和动力电池61的soc值处于良好水平。

③摩擦制动

向制动钳53中充入制动液，产生制动力矩作用在制动摩擦盘55上，使车轮逐渐减速。

由于动力电池61和超级电容器62的充电需求决定着是否采取再生制动模式，根据动力电池61和超级电容器62的soc值和温度，纯电动汽车的制动工况分为以下两种情况，假设车辆制动时的需求制动力矩为t，双转子电机再生制动提供的制动力矩为t1，电磁缓速制动提供的制动力矩为t2，摩擦制动提供的制动力矩为t3，则：

第一种情况：动力电池61和超级电容器62的soc值和温度允许再生制动，即内、外电机均可作为发电机用，向动力电池61和超级电容器62进行充电，回收制动能量，其制动过程具体为：

a.当双转子电机再生制动提供的制动力矩大于车辆制动时的需求制动力矩，即t1>t时，车辆采用再生制动模式，根据综合控制系统判断车辆的制动强度大小，可采取内电机再生制动、外电机再生制动和内外电机联合再生制动中的某一种模式，即制动强度较小时，采用内电机再生制动；制动强度中等时，采用外电机再生制动；制动强度较大时，采用内外电机联合再生制动。

b.当双转子电机再生制动提供的制动力矩小于车辆制动时的需求制动力矩，即t1<t时，车辆同时采用再生制动和电磁缓速制动模式，与a情况类似，具体采取哪一种再生制动模式，也根据综合控制系统判断车辆的制动强度大小来决定。

c.当双转子电机再生制动提供的制动力矩与电磁缓速制动提供的制动力矩之和小于车辆制动时的需求制动力矩，即t1+t2<t时，车辆同时采用再生制动、电磁缓速制动和摩擦制动模式，与a情况类似，具体采取哪一种再生制动模式，也根据综合控制系统判断车辆的制动强度大小来决定。

第二种情况：动力电池61和超级电容器62的soc值和温度均达到最大极限值，不允许采取再生制动，即内外电机不能再作为发电机向动力电池61和超级电容器62进行充电，这时只能采用电磁缓速制动或摩擦制动模式，其制动过程具体为：

a.当电磁缓速制动提供的制动力矩大于车辆制动时的需求制动力矩，即t2>t时，车辆采用电磁缓速制动模式。

b.当电磁缓速制动提供的制动力矩小于车辆制动时的需求制动力矩，即t2<t时，车辆同时采用电磁缓速制动和摩擦制动模式。

(三)弱磁扩速

图3为双转子电机1的截面剖视图，其内定子铁芯110和外定子铁芯108均为将传统u型铁芯的轭部沿径向移动而形成h型结构，并在其上设置了集中式内层励磁绕组111和外层励磁绕组112，从而使内外电机具有两个磁势源-励磁绕组和永磁体，形成混合励磁型电机，既继承了传统永磁磁通切换电机的高功率密度和效率等优点，又具有较强的调磁能力。

当开关i67闭合时，外层励磁绕组112通入直流电流进行励磁，外电机气隙磁场由外层励磁绕组112和外层永磁体105共同建立，对于相邻的两个外层电枢绕组104，励磁电流将使其中一个电枢绕组匝链的磁链增大，另一个电枢绕组匝链的磁链减少，两个电枢绕组匝链的总磁链仍为双极性，且幅值随励磁电流的增大而逐渐减小，实现外电机的弱磁调节，从而适应高转速运行。

当开关ii68闭合时，内层励磁绕组111通入直流电流进行励磁，内电机气隙磁场由内层励磁绕组111和内层永磁体102共同建立，对于相邻的两个内层电枢绕组103，励磁电流将使其中一个电枢绕组匝链的磁链增大，另一个电枢绕组匝链的磁链减少，两个电枢绕组匝链的总磁链仍为双极性，且幅值随励磁电流的增大而逐渐减小，实现内电机的弱磁调节，从而适应高转速运行。

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、替换均属于本发明的保护范围。