基于双转子电机的飞轮与电机磁力耦合传动混合动力系统的制作方法

本实用新型涉及一种包含储能装置的混合动力系统，特别是涉及一种飞轮储能磁力耦合混合动力系统。

背景技术：

随着能源危机和环境问题的日益凸显，开发节能环保型汽车已成为未来汽车工。业的发展趋势。从节能的角度，目前驱动车辆的节能效果主要体现在两个方面：一是在混合动力汽车(包括部分插电式)上，可以控制内燃机始终在效率较高的区域工作；二是在制动过程中可以大幅回收动能。由于在汽车行驶所消耗的能量中，制动消耗的能量占了很大的比例，故大多数电驱动车辆都配备的制动能量回收功能。飞轮储能具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、长寿命、无污染和维修花费低等优点。

但现有电驱式飞轮储能系统普遍是通过电动机和发电机对飞轮储能系统进行能量储存和释放，电驱式飞轮储能系统的高速飞轮和电动/发电机需要封闭在真空箱体中，其温升问题难以解决。其次是机械式飞轮储能系统中的飞轮与行星齿轮等部件连接属于机械连接，由于飞轮转速高，因此运行过程中会出现严重的振动、噪声、磨损等问题。

实用新型人2018年申请的中国实用新型专利(2018104533982)公开了一种飞轮储能磁力耦合传动装置；主要包括机壳、内箱体、飞轮转子、主轴和磁力耦合传动机构；磁力耦合传动机构的定子、永磁转子和调磁环转子都为圆筒形，调磁环转子位于定子和永磁转子之间；调磁环转子和定子之间存在径向气隙，调磁环转子与永磁转子之间存在径向气隙；调磁环转子轴一端与调磁环转子连接；另一端伸出机壳；该技术主要是解决现有飞轮储能系统存在结构复杂、体积较大、集成度低以及系统中的机械齿轮存在振动、噪声和摩擦损耗等问题。但该技术是由电机定子绕组直接取代磁力齿轮中的低速转子的结构，通过调节电流频率调节飞轮转速。由于飞轮转速要求高，电流频率调节范围有限，该方案在飞轮的最大储能量上存在限制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有飞轮储能系统存在的飞轮最大储能量受限的问题，提供了一种飞轮耦合传动装置的最大同步转速成倍提高，飞轮的最大储能量获得较大幅度提升的基于双转子电机的飞轮与电机磁力耦合传动混合动力系统。

本实用新型采用具有内外两层永磁体的永磁外转子，通过电机定子绕组对永磁外转子进行驱动，组成永磁电机基本结构，同时永磁外转子与调磁环转子和永磁内转子直接组成永磁齿轮结构；本实用新型在保留中国发明专利申请2018104533982原有优点的基础上，大幅度减少定子磁场的磁极对数，使得飞轮耦合传动装置的最大同步转速成倍提高，在飞轮的最大储能量获得较大幅度的提升。

本实用新型目的通过如下技术方案实现：

一种基于双转子电机的飞轮与电机磁力耦合传动混合动力系统，包括飞轮储能磁力耦合传动装置；飞轮储能磁力耦合传动装置主要包括主箱体、内箱体、飞轮转子、飞轮主轴和磁力耦合传动机构；所述主箱体为空心结构，中部设有向内的连接体，内箱体设置在主箱体的空心内，与连接体连接，内箱体和连接体形成密封空腔结构；飞轮转子和磁力耦合传动机构的永磁内转子设置在密封空腔结构中，飞轮转子和永磁内转子分别和主轴连接；

所述磁力耦合传动机构主要包括定子、永磁外转子、调磁环转子和永磁内转子；定子、永磁外转子、调磁环转子和永磁内转子都主要为圆筒形结构，永磁外转子位于定子和调磁环转子之间；调磁环转子和永磁内转子之间由内箱体隔开；定子与永磁外转子、永磁外转子与调磁环转子、调磁环转子与内箱体、内箱体与永磁内转子之间均存在径向气隙；调磁环转子位于内箱体的外周；调磁环转子包括导磁块、非导磁块、绝缘垫片、调磁环转子轴；沿内箱体圆周方向交错设置有ns个导磁块和ns个非导磁块；绝缘垫片沿主轴的轴向设置在导磁块和非导磁块的两端；一端的绝缘垫片通过轴承与内箱体转动连接，另一端的缘垫片与调磁环转子轴连接，调磁环转子轴的另一端从右轴承端盖伸出主箱体，调磁环转子轴通过轴承与永磁外转子转动连接，调磁环转子轴采用轴承与右端盖转动连接；定子电磁场磁极对数与永磁外转子的外层永磁体磁极对数相等；设永磁外转子的内层永磁体磁极对数、调磁环转子中导磁块数、永磁内转子磁极对数分别为pout、ns、pin，ns＝pin+pout；pout、ns、pin都为正整数；

所述的基于双转子电机的飞轮与电机磁力耦合传动混合动力系统还包括电磁离合器和双转子电机，飞轮储能磁力耦合传动装置通过电磁离合器和双转子电机连接；

所述的电磁离合器主要包括主动部分和从动部分，从动部分与磁力耦合传动机构中调磁环转子轴连接，主动部分与双转子电机的内转子连接；

所述的双转子电机主要包括电机主箱体、电机定子、电机内转子轴、电机永磁内转子和电机调磁外转子；电机主箱体分别和电机左端盖和电机右端盖连接形成空腔结构；电机定子、电机内转子轴、电机永磁内转子和电机调磁外转子设置在空腔结构中，电机内转子轴的一端通过轴承与电磁离合器的主动部分活动连接，电机内转子轴的另一端通过轴承与连接体活动连接；电机定子、电机永磁内转子和电机调磁外转子都为圆筒形结构；电机永磁内转子与电机内转子轴连接；电机定子与主箱体连接；电机调磁外转子间隔设置在电机定子和电机永磁内转子之间；电机调磁外转子的一端通过轴承和电机主箱体活动连接，电机调磁外转子的另一端与连接体的一端固接；连接体的另一端伸出空腔结构外，与外界负载连接；设电机定子铁芯电磁场磁极对数、电机调磁外转子中导磁块数、电机永磁内转子磁极对数分别为p′out、n′s、p′in，n′s＝p′in+p′out；p′out、n′s、p′in都为正整数。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述的电机调磁外转子与电机定子和电机永磁内转子的间隔值范围是均为1mm。

优选地，所述的双转子电机中定子绕组形成旋转磁场对数p′out＝2；电机调磁外转子中导磁块数n′s＝7；电机永磁内转子磁极对数p′in＝5。

优选地，所述的电机右端盖通过第十一轴承与连接体活动连接；电机右轴承端盖设置在第十一轴承31外侧。

优选地，所述的定子由定子铁芯和定子绕组构成，定子绕组是一个m相定子绕组，当定子绕组通有m相交流电流时，形成pm极对数的旋转电枢磁场，m、pm为正整数。

优选地，所述的永磁外转子中的外层永磁体和内层永磁体分别由2ps个和2pout个永磁体单元组成，永磁体单元沿圆周方向均匀间隔分布排列，相邻磁体单元充磁方向相反；外层永磁体、外层转子铁芯、不锈钢圈、内层转子铁芯和内层永磁体为均为圆筒状结构，各层结构通过粘贴剂连接；永磁外转子通过第四轴承与主箱体连接；永磁外转子通过第六轴承与调磁环转子转动连接。

优选地，所述的永磁内转子主要由永磁转子铁心和2pin个永磁体单元构成，2pin个永磁体单元沿圆周方向均匀间隔分布排列并固定在永磁转子铁心的外圆表面上，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反。

优选地，所述的定子与永磁外转子、永磁外转子与调磁环转子、调磁环转子与内箱体、内箱体和永磁内转子之间均存在1mm径向气隙；定子绕组是一个3相定子绕组，当定子绕组通有3相交流电流时，形成4极对数的旋转电枢磁场，pm取4；永磁外转子的外层永磁体磁极对数取4；永磁外转子的内层永磁体磁极对数取17对，pout＝17；永磁内转子的内转子永磁体单元极对数取2对，pin＝2；调磁环转子中有15个导磁块和15个非导磁块，ns＝15。

优选地，所述的导磁块选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；导磁块由硅钢片叠压形成时，硅钢片沿轴向方向叠压形成导磁块或者是硅钢片沿圆周方向叠压形成导磁块；非导磁块选用环氧树脂或氧化锆瓷材材料；飞轮转子选用超高强度钢。

优选地，所述的主箱体设置在基座上，主轴左端通过第一轴承与左端盖转动连接，主轴中间部位通过第二轴承与主箱体的连接体转动连接，主轴右端通过第五轴承与内箱体转动连接；堵头设置左端盖上，调磁环转子轴和主轴的轴线重合。

飞轮储能磁力耦合传动装置通过电磁离合器与双转子电机连接；飞轮储能磁力耦合传动装置中的主轴、调磁环转子轴、电磁离合器、双转子电机的永磁内转子轴和调磁环转子在同一轴线上。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型飞轮储能磁力耦合传动装置、磁力耦合传动机构和双转子电机协同配合，实现汽车正常匀速运行、汽车刹车与下坡时制动能量回收以及汽车加速与上坡时飞轮动能转化为汽车动能，由中国发明专利申请2018104533982单独由磁力耦合传动机构转变为飞轮储能磁力耦合传动装置、磁力耦合传动机构和双转子电机协同控制，可以大幅度减少定子磁场的磁极对数，使得飞轮耦合传动装置的最大同步转速成倍提高，在飞轮的最大储能量获得较大幅度的提升，并同时保留中国发明专利申请2018104533982原有优点。

2、本实用新型将飞轮储能磁力耦合传动装置和双转子电机通过电磁离合器连接，飞轮储能装置可以与电机实现快速结合或分离。

3、本实用新型对比中国发明专利申请2018104533982，本虽然增加了双转子电机，但是省去了车辆控制器、常规传动系统、制动器等，结构反而更加简化。

4、本实用新型离合器可根据需求阻断或导通磁力耦合传动装置与双转子电机之间的机械连接。

5、本实用新型汽车正常匀速运行时，电磁离合器分离，由双转子电机直接作为动力驱动，通过主减速器给驱动轮提供动力，简化传动结构，动力提供稳定。

6、本实用新型汽车刹车和下坡时，电机定子切换成电磁离合状态，控制电磁离合器结合，此时电机调磁外转子转速高于新的平衡转速，使得电机调磁外转子转速下降，同时调磁环转子速度下降，飞轮转子转速上升，使得汽车动能转化为飞轮动能，实现制动能量回收。

7、本实用新型汽车加速和上坡时，调节磁力耦合传动机构中的定子磁场转速，改变永磁外转子转速，此时飞轮转子转速高于平衡转速，飞轮速度下降，同时调磁环转子转速提升，带动电机调磁外转子转速提升，使得飞轮动能转化为汽车动能，为汽车加速、上坡提供动力支持。

附图说明

图1为本实用新型飞轮—电机磁力耦合传动混合动力系统结构示意图。

图2为本实用新型飞轮储能磁力耦合传动装置结构示意图。

图3为图1的a-a向剖视图。

图4为本实用新型飞轮—电机磁力耦合传动混合动力系统结构简图。

图5位本实用新型应用于纯电动车辆时的驱动系统示意图。

图中示出：基座1、堵头2、左轴承端盖3、主轴4、第一轴承5、左端盖6、飞轮转子7、主箱体8、第二轴承9、内箱体10、第三轴承11、第四轴承12、定子13、定子铁芯13-1、定子绕组13-2、永磁外转子14、外层永磁体14-1、外层转子铁芯14-2、不锈钢圈14-3、内层转子铁芯14-4、内层永磁体14-5、调磁环转子15、导磁块15-1、非导磁块15-2、绝缘垫片15-3、调磁环转子轴15-4、永磁内转子16、永磁内转子铁芯16-1、内转子永磁体单元16-2、第五轴承17、右端盖18、右轴承端盖19、电磁离合器20、从动部分20-1、主动部分20-2、第八轴承21、电机左端盖22、电机主箱体23、第九轴承24、电机定子25、电机定子铁芯25-1、电机定子绕组25-2、电机调磁外转子26、电机永磁内转子27、电机内转子轴28、第十轴承29、电机右端盖30、第十一轴承31、电机右轴承端盖32、第七轴承33、第六轴承34、飞轮储能磁力耦合传动装置35、磁力耦合传动机构36、双转子电机37。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限如此。

如图1-4所示，一种基于双转子电机的飞轮与电机磁力耦合传动混合动力系统，包括飞轮储能磁力耦合传动装置35、电磁离合器20、电磁离合器和双转子电机37；

飞轮储能磁力耦合传动装置35主要包括主箱体8、内箱体10、飞轮转子7、主轴4和磁力耦合传动机构36；磁力耦合传动机构36主要包括定子13、永磁外转子14、调磁环转子15和永磁内转子16；

主箱体8为空心结构，优选为圆筒形，中部设有向内的连接体，形成工字型结构；内箱体10设置在主箱体空心内，与连接体连接；主箱体8、内箱体10、左轴承端盖3和左端盖6形成密封空腔结构；飞轮转子7和永磁内转子16分别和主轴4连接；主轴4左端通过第一轴承5与左端盖6转动连接，主轴4中间部位通过第二轴承9与主箱体8的连接体转动连接，主轴右端通过第五轴承17与内箱体8转动连接，主轴4密封在密封空腔结构内，飞轮转子7和磁力耦合传动机构36的永磁内转子16设置在密封空腔结构中。

定子13、永磁外转子14调磁环转子15和永磁内转子16都为圆筒形，永磁外转子14位于定子13和调磁环转子15之间，调磁环转子15和永磁内转子16之间由内箱体10隔开，定子13与永磁外转子14、永磁外转子14与调磁环转子15、调磁环转子15与内箱体10、内箱体10与永磁内转子16间均存在径向气隙；调磁环转子15位于内箱体10的外周；调磁环转子15包括导磁块15-1、非导磁块15-2、绝缘垫片15-3、调磁环转子轴15-4；沿内箱体10圆周方向交错设置有ns个导磁块15-1和ns个非导磁块15-2，ns为正整数；绝缘垫片15-3沿主轴4的轴向设置在导磁块15-1和非导磁块15-2的两端；绝缘垫片15-3优选通过螺栓与导磁块15-1和非导磁块15-2固定，组成圆筒状结构；一端的绝缘垫片通过轴承11与内箱体10转动连接，另一端的缘垫片与调磁环转子轴15-4连接，调磁环转子轴15-4的另一端从右轴承端盖18伸出主箱体，调磁环转子轴15-4通过第六轴承34与永磁外转子14转动连接，调磁环转子轴15-4采用第七轴承33与右端盖18转动连接；右轴承端盖19与右端盖18连接；右端盖18与主箱体8右端连接。调磁环转子轴15-4通过电磁离合器20与双转子电机的电机内转子轴28连接；定子13与主箱体8的内腔连接。

如图2所示，定子13由定子铁心13-1和定子绕13-2组构成，定子绕组13-2是一个m相定子绕组，当定子绕组13-2通有m相交流电流时，形成pm极对数的旋转电枢磁场，m、pm为正整数。

如图3所示，永磁外转子14中的外层永磁体14-1和内层永磁体14-5分别由2ps个和2pout个永磁体单元组成，永磁体单元沿圆周方向均匀间隔分布排列，相邻磁体单元充磁方向相反；外层永磁体14-1、外层转子铁芯14-2、不锈钢圈14-3、内层转子铁芯14-4和内层永磁体14-5为均为圆筒状结构，各层结构通过粘贴剂连接；永磁外转子14通过第四轴承12与主箱体8连接；永磁外转子14通过第六轴承34与调磁环转子15转动连接。永磁内转子16主要由永磁转子铁心16-1和2pin个永磁体单元16-2构成，2pin个永磁体单元16-2沿圆周方向均匀间隔分布排列并固定在永磁转子铁心16-1的外圆表面上，相邻两块永磁体单元16-2的充磁方向相反。永磁外转子14的内层永磁体14-1磁极对数pout、调磁环转子15中导磁块数ns、永磁内转子16磁极对数pin满足条件ns＝pout+pin。

调磁环转子15由15个导磁块15-1、15个非导磁块15-2构成且沿圆周方向交错布置，即ns＝15。

优选地，导磁块15-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；导磁块由硅钢片叠压形成时，硅钢片沿轴向方向叠压形成导磁块或者是硅钢片沿圆周方向叠压形成导磁块；非导磁块15-2选用环氧树脂或氧化锆瓷材材料。优选飞轮转子7可选用超高强度钢。

磁力耦合传动机构主要由定子13、永磁外转子14、调磁环转子15、永磁内转子16组成。优选定子13与永磁外转子14、永磁外转子14与调磁环转子15、调磁环转子15与内箱体10、内箱体10和永磁内转子16之间均存在1mm径向气隙。

优选定子绕组13-2是一个3相定子绕组，当定子绕组13-2通有3相交流电流时，会形成4极对数的旋转电枢磁场，即pm取4；即永磁外转子14的外层永磁体14-1磁极对数取4。

优选永磁外转子14的内层永磁体14-5磁极对数取17对，即pout＝17。

优选永磁内转子16的内转子永磁体单元16-2极对数取2对，即pin＝2。

主箱体8设置在基座1上，堵头2优选设置左端盖6上，控制密封腔体结构的真空度，启动真空泵进行抽气，由于系统中的空气很难抽尽，为了达到0.1pa的真空度，抽真空要分数次进行，其间隔为10min左右，以使系统内的压力均衡。

优选调磁环转子轴15-4和主轴4的轴线重合。

电磁离合器20主要包括主动部分20-2和从动部分20-1，从动部分20-1与磁力耦合传动机构36中调磁环转子轴连接，主动部分20-2与双转子电机37的内转子连接。

双转子电机37主要包括电机主箱体23、电机定子25、电机内转子轴28、电机永磁内转子27和电机调磁外转子26；电机主箱体23分别和电机左端盖22和电机右端盖30连接形成空腔结构；电机定子25、电机内转子轴28、电机永磁内转子27和电机调磁外转子26设置在空腔结构中，电机内转子轴28的一端通过第八轴承21与电磁离合器20的主动部分20-2活动连接，电机内转子轴28的另一端通过第十轴承29与连接体活动连接。电机定子25、电机永磁内转子27和电机调磁外转子26都为圆筒形结构；电机永磁内转子27与电机内转子轴28连接；电机定子25与电机主箱体23连接；电机定子25由电机定子铁芯25-1和电机定子绕组25-2构成，电机定子绕组25-2设置在电机定子铁芯25-1上；电机调磁外转子26间隔设置在电机定子25和电机永磁内转子27之间；电机调磁外转子26的一端通过第九轴承24和电机主箱体23活动连接，电机调磁外转子26的另一端与连接体的一端固接；连接体的另一端伸出空腔结构外，与外界负载连接。电机右端盖30通过第十一轴承31与连接体活动连接；电机右轴承端盖32设置在第十一轴承31外侧。电机调磁外转子26与电机定子25和电机永磁内转子27的间隔值范围是均为1mm。

电机内转子轴28通过电磁离合器20与磁力耦合传动机构36中调磁环转子连接，电机调磁外转子26与外界负载连接。

设电机定子25电磁场磁极对数、电机调磁外转子26中导磁块数、电机永磁内转子磁极对数分别为p′out、n′s、p′in；电机定子25电磁场磁极对数p′out、电机调磁外转子26中导磁块数n′s、电机永磁内转子27磁极对数p′in，满足条件n′s＝p′in+p′out。

优选双转子电机37中定子绕组形成旋转磁场对数为2，即p′out＝2；电机调磁外转子中导磁块数为7，即n′s＝7；电机永磁内转子磁极对数为5，即p′in＝5。

为了说明本实用新型的工作原理，下面以所示应用为例进行说明。

设定子磁极对数、永磁外转子的内层永磁体磁极对数、调磁环转子中导磁块数、内转子永磁体单元极对数分别为pm、pout、ns、pin，同时假设外转子内层永磁体磁场转速、调磁环转子转速和内转子永磁体转速分别是ωm、ωout、ωs、ωin。

根据磁场调制原理，定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速满足如下关系：

由式(1)可知，永磁外转子转速、调磁环转子转速和永磁内转子之间的平衡关系。通过改变定子磁场转速，可以调节外转子转速。当调磁环转子转速发生改变时，外转子转速、调磁环转子转速和永磁转子之间的平衡关系被打破，并在短时间内形成平衡转速差，此时永磁内转子和永磁外转子转速向新的平衡状态变化。

如图5所示，定子13和电机定子25分别与变频器和电力电子变换器连接；变频器和电力电子变换器与蓄电池连接；电机调磁外转子26通过连接体与主减速器连接，主减速器与驱动轮连接。汽车正常匀速运行时，电磁离合器20分离，由双转子电机37作为动力驱动，通过主减速器给驱动轮提供动力；当汽车刹车、下坡时，电机定子25切换成电磁离合状态，控制电磁离合器20结合，此时电机调磁外转子26转速高于新的平衡转速，使得电机调磁外转子26转速下降，同时调磁环转子15速度下降，飞轮转子7转速上升，使得汽车动能转化为飞轮动能，实现制动能量回收；当汽车加速、上坡时，调节磁力耦合传动机构36中的定子磁场转速，改变永磁外转子14转速，此时飞轮转子7转速高于平衡转速，飞轮速度下降，同时调磁环转子15转速提升，带动电机调磁外转子26转速提升，使得飞轮动能转化为汽车动能，为汽车加速、上坡提供动力支持。

中国发明专利申请2018104533982驱动系统由蓄电池、车辆控制器、电力电子变换器、飞轮储能磁力耦合传动装置、常规传动系统、制动器、离合器、差速器和驱动轮组成。蓄电池作为直流供电电源，该电源的端电压近似为恒定值，通过电力电子变换器的作用可得到可变频率和电压的三相交流电。蓄电池、车辆控制器、常规传动系统、制动器、离合器、差速器和驱动轮构成汽车的主驱动系统。飞轮储能磁力耦合传动装置的机械端口与制动器相连，且通过离合器、差速器作用于驱动轮，飞轮储能磁力耦合传动装置电气端口通过电力电子变换器与蓄电池相连，构成了汽车的制动能量回收系统及汽车辅助驱动系统。汽车正常运行时，由主驱动系统驱动；当汽车刹车、下坡时，由飞轮储能磁力耦合传动装置、制动器、离合器、差速器和驱动轮、电力电子变换器、蓄电池组成制动能量回收系统，可将制动能量转化为飞轮的机械能称为快充；当汽车需加速行驶，由飞轮储能磁力耦合传动装置、制动器、离合器、差速器和驱动轮、电力电子变换器、蓄电池组成辅助驱动系统，飞轮机械能瞬时释放，可通过调节电力电子变换器的输出频率使车辆负载的速度上升，称为快放；当飞轮存储能量不足以驱动汽车加速运行或汽车不需加速行驶，可先将飞轮的机械能缓慢转化为电能存储在蓄电池中，称为慢放。

对比中国发明专利申请2018104533982，本实用新型虽然增加了双转子电机37，但是省去了车辆控制器、常规传动系统、制动器等，结构反而更加简化，重要的是由于飞轮储能磁力耦合传动装置35、磁力耦合传动机构36和双转子电机37协同配合，实现汽车正常匀速运行、汽车刹车与下坡时制动能量回收以及汽车加速与上坡时飞轮动能转化为汽车动能，由中国发明专利申请2018104533982单独由磁力耦合传动机构转变为飞轮储能磁力耦合传动装置35、磁力耦合传动机构36和双转子电机37协同控制，可以大幅度减少定子磁场的磁极对数，使得飞轮耦合传动装置的最大同步转速成倍提高，在飞轮的最大储能量获得较大幅度的提升，并同时保留中国发明专利申请2018104533982原有优点。