一种基于磁性齿轮的动力耦合复合电机及其控制方法与流程

本发明涉及一种基于磁性齿轮的动力耦合复合电机，属于高端农业装备制造技术领域，特别针对电动拖拉机提出的一种用在双电机驱动系统中的磁性齿轮动力耦合复合电机及控制方法。

背景技术：

日益严峻的能源问题和环境问题促使交通运输和农业装备朝着高效、清洁和可持续的方向发展，从新能源的发展方向和新技术的应用领域来看，农业装备将逐渐实现电动化。电动拖拉机替代传统内燃机型拖拉机是满足环保型高端农业装备作业要求的首选方案之一。

另一方面，传统传动设备系统通常采用高速电机带动多级减速齿轮箱来实现电机系统的低速大转矩输出，而传统机械减速箱通过机械齿轮啮合实现转矩的传递，其机械接触式的传递方式会产生摩擦，导致机械磨损、噪音等问题，所以通常需要大量的润滑剂来辅助工作；在过载情况下，更会发生齿轮断裂等极端故障，因此增加了使用和维护成本。现有技术中，通过将磁齿轮与永磁电机相互结合，提出磁齿轮低速大转矩复合电机，来取代传统高速电机连接机械齿轮箱结构，基于磁齿轮的磁场耦合实现变速变转矩能量传递，是消除机械式齿轮箱固有的诸多问题，和有效提高系统效率、降低噪音、节约使用和维护成本的有效方式之一。

在电动拖拉机的研究中，尤其是双电机驱动的电动拖拉机，目前通常采用两个电机相互独立工作的驱动方式，即一个电机单独驱动动力输出系统(powertakeoff,pto)输出轴，另一个电机负责驱动车轮，即所谓的双电机独立驱动方式，该方式具有结构简单等优点，但同样存在很多问题，例如，当电动拖拉机不需要pto输出轴输出动力时，该系统中只有一个驱动电机工作，而另一个电机始终不工作，造成了严重的功率浪费。

技术实现要素：

针对现有技术电动拖拉机在耕、耙、播及运输等多种作业时的不足，本发明根据电动拖拉机pto和牵引双输出要求，提出一种基于磁性齿轮的电动拖拉机双电机动力耦合(magnetic-gearedpowercoupling，mg-pc)复合电机，使得电动拖拉机中电动机对不同负载具有良好的匹配特性和整机续航能力。

为达到以上目的，本发明复合电机采取的技术方案是：

一种基于磁性齿轮的动力耦合复合电机，该复合电机从一侧到另一侧依次包括电机i、磁性齿轮i、磁性齿轮ii和电机ii，电机i和磁性齿轮i通过pto输出轴连接布置，电机ii和磁性齿轮ii通过牵引输出轴连接布置，磁性齿轮i的中间转子与磁性齿轮ii的外转子通过离合器i机械连接，磁性齿轮ii的外转子与设备壳体通过离合器ii机械连接。

上述方案中，所述电机i的转子和磁性齿轮i的内转子机械连接，磁性齿轮i的中间转子与pto输出轴机械连接。

上述方案中，所述电机ii的转子和磁性齿轮ii内转子机械连接，磁性齿轮ii的中间转子与牵引输出轴机械连接。

上述方案中，所述磁性齿轮i的外转子与设备壳体固定连接。

上述方案中，所述磁性齿轮i、磁性齿轮ii采用永磁式行星齿轮或磁场调制式同轴磁齿轮。

一种基于磁性齿轮的动力耦合复合电机的控制方法，包括两电机独立驱动模式和双电机耦合助力驱动模式。

进一步，所述两电机独立驱动模式具体为：当离合器i分离、离合器ii闭合时，两个磁性齿轮的外转子均锁死，且相互之间无连接，电机i和电机ii的输出转矩经过各自的磁性齿轮内转子和中间转子耦合降速后，分别为pto和牵引输出端提供动力。

进一步，所述双电机耦合助力驱动模式具体为：当输出轴或牵引输出轴的负载突增，且需求大于各自电机所能提供的动力时，离合器i闭合，离合器ii分离，电机i和电机ii之间可通过相连的磁性齿轮i中间转子和磁性齿轮ii外转子实现相互助力运行。

本发明的有益效果为：本发明提出的动力耦合装置，基于磁性齿轮组和两个离合器的配合工作，可以实现两台电机之间独立工作和相互助力，因此该装置具有以下有益效果，

1.基于磁性齿轮进行变速、变转矩动力传递和动力耦合，具有无磨损、无噪音、无需润滑维护等优点，且具有天生的过载保护能力。

2.在电机选型时，无需根据电动拖拉机pto和牵引两套动力系统各自的需求，全额配置各自的电机系统，可以有效降低电机和驱动控制器的功率等级，最大可能的降低成本、系统体积和重量，从而实现电动拖拉机的轻量化设计和增加其续航能力。

3.正常情况时，两个电机系统各自负责pto和牵引两个动力输出；当电动拖拉机两个动力输出口中的一个发生功率需求突增时，另一个系统的电机可以通过动力耦合装置实现助力功能；当整个拖拉机系统功率需求较低时，则可以进一步停止某一台电机，而通过另一台电机提供整车所需的pto和牵引功率需求，这种灵活的驱动策略，可以有效提高电机系统运行效率，进一步增加电动拖拉机的续航能力。

附图说明

图1是基于磁性齿轮的动力耦合(mg-pc)复合电机拓扑结构图；

图2为磁性齿轮第一个实施例永磁式行星齿轮结构图；

图3为磁性齿轮第二个实施例磁场调制式同轴磁齿轮结构图；

图4是基于mg-pc复合电机的电动拖拉机多模式动力系统结构框图；

其中：1、电机i，2、电机ii，3、磁性齿轮i，4、磁性齿轮ii，5、pto输出轴，6、牵引输出轴，7、离合器i，8、离合器ii，9、齿轮环，10、行星轮，11、太阳轮，12、支架，13、内转子，14、外转子，15、调磁极块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的磁性齿轮动力耦合(mg-pc)复合电机结构，包括永磁游标电机i1和高功率密度内置式永磁电机ii2、磁性齿轮i3、磁性齿轮ii4、pto输出轴5、牵引输出轴6、离合器i7、离合器ii8、电机i1的定子、电机i1的转子、电机ii2的定子、电机ii2的转子、磁性齿轮i3的内转子、磁性齿轮i3的中间转子、磁性齿轮i3的外转子、磁性齿轮ii4的内转子、磁性齿轮ii4的中间转子、磁性齿轮ii4的外转子。

电机i1和磁性齿轮i3通过pto输出轴5连接布置，电机i1的转子和磁性齿轮i3的内转子机械连接，电机ii2和磁性齿轮ii4通过牵引输出轴6连接布置，电机ii2的转子和磁性齿轮ii4内转子机械连接，磁性齿轮i3的中间转子与pto输出轴5机械连接，磁性齿轮ii4的中间转子与牵引输出轴6机械连接，磁性齿轮i3的中间转子与磁性齿轮ii4的外转子通过离合器i7机械连接，磁性齿轮ii4的外转子与设备壳体通过离合器ii8机械连接，磁性齿轮i3的外转子与设备壳体固定连接。

本发明的磁性齿轮i3、磁性齿轮ii4采用永磁式行星齿轮或磁场调制式同轴磁齿轮。如图2所示，永磁式行星齿轮包括齿轮环9、行星轮10、太阳轮11和支架12，齿轮环9位于外围，行星轮10与太阳轮11通过支架12相连接，永磁式行星齿轮将机械式行星齿轮的结构与磁力传动结合，采用磁耦合的方式进行传动，该结构具有磁性变速器的优点，转矩密度高。

如图3所示，磁场调制式同轴磁齿轮包括具有较少磁极的内转子13、具有较多磁极的外转子14和一个高导磁材料与非导磁材料交错组成的调磁环15(或称为中间转子)三部分组成。

如图4所示，为基于mg-pc复合电机的电动拖拉机多模式动力系统结构方案，包括中央控制器、传感器检测设备、监控系统、动力电池、mg-pc复合电机、电机控制器i、电机控制器ii、动力输出系统、传动机构及转速转矩传感器。将操作信号、监控系统、动力电池状态等信息给到中央控制器，中央控制器根据作业参数、多电机控制策略结合电机转速转矩的实时数据进行计算，并将计算得到的控制命令分别发送给电机控制器i和电机控制器ii，对两台电机的转速、转矩进行实时控制，从而实现拖拉机的牵引、作业农具、悬挂系统及其他设备正常有效作业，实现电动拖拉机高效率、低能耗、低噪音环境友好的运行。

本发明提出的基于mg-pc复合电机的电动拖拉机多模式动力系统具有两种工作模式，即两电机独立驱动模式和双电机耦合助力驱动模式。

(1)两电机独立驱动模式：当离合器i7分离、离合器ii8闭合时，两个磁性齿轮的外转子均锁死，且相互之间无连接，即pto和牵引系统相互独立，电机i1和电机ii2的输出转矩经过各自的磁性齿轮内转子和中间转子耦合降速后，分别为pto输出轴5和牵引输出轴6提供动力。此时，该动力系统与上述两套电机系统独立驱动的方案类似，具有运行原理简单、控制灵活等优势。

(2)双电机耦合助力驱动模式：当pto输出轴5或牵引输出轴6的负载突增，且需求大于各自电机所能提供的动力时，离合器i7闭合，离合器ii8分离，此时，电机i1和电机ii2之间可通过相连的磁性齿轮i3中间转子和磁性齿轮ii4外转子实现相互助力运行。助力驱动模式可有效降低两套电机系统各自的功率配置，进而实现电动拖拉机轻量化设计和降低制造成本等要求，并能有效提高电动拖拉机续航能力。

(3)电机i独立驱动运输模式：当电动拖拉机只需要实现运输牵引的作用时，电机i1独立驱动，电机ii2停止工作，离合器i7分离，离合器ii8闭合，此时，电机i1处于独立工作状态，整个复合电机只有电机i1产生能耗，有效提高运输牵引里程能力。

(4)电机ii独立驱动作业模式：当电动拖拉机只需要实现静止作业的时，电机ii2独立驱动，电机i1停止工作，离合器i7分离，离合器ii8闭合，此时，电机ii2处于独立工作状态，整个复合电机只有电机ii2产生能耗，有效提高静止作业工作时间能力。

综上，本发明提出的一种用在电动拖拉机双电机磁齿轮传动驱动系统中的磁性齿轮动力耦合(mg-pc)复合电机及其控制方法，包括中央控制器、传感器检测设备、监控系统、复合电机、电机控制器、动力输出系统、传动机构及转速转矩传感器，其中，mg-pc复合电机由具有功率分汇流功能的磁性齿轮组和两台低速大转矩电机组成，其核心思想即基于双排磁性齿轮的两种工作模式，实现电动拖拉机牵引与pto输出间独立驱动、耦合助力多模式运行等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。