專利名稱：一種集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于雙轉子電機的電力無級變速器，特別涉及用于深度混合動力車輛的 驅動場合的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器。
背景技術：
雙轉子電機是一種新型電機，具有兩個可以獨立旋轉的轉子。當這種電機的兩個轉子分 別連接至發動機輸出軸和車輛驅動軸時，可以把這種新型電機當作一種新型的變速器。由于 這兩個轉子的轉速和轉矩等都是通過電力驅動和控制的，且它們之間的比例關系是連續可調 的，因此把這種由雙轉子電機構成的變速裝置稱作電力無級變速器。這種變速器與現有的基 于機械或者液壓技術的變速器相比，具有明顯的優勢。首先，電力無級變速器的調速是連續 的，平滑的。這種連續的變速可以使得發動機工作點與車輛運行狀況解耦。達到發動機運行 的優化，從而提高效率和降低排放。第二，電力無級變速器是有源的，其外部通過變頻器與 功率電池相連。因此，可以使用電力無級變速器啟動發動機和啟動車輛。這樣可以取消發動 機怠速工況，進一步降低系統的排放提升燃油經濟性。第三，電力無級變速器可以在發動機 動力不足的工況下補充能量，因此可以在提高車輛經濟性的同時兼顧動力性。
但是，在另一方面，依靠電力進行變速的變速器與機械式或者液壓式變速器相比具有一 定的局限性。首先，純機械或者液壓機構的可靠性是最高的，電氣系統的可靠性與之相比較 低。第二、電氣系統不適合實現大調速比變速，而機械式變速箱在此方面具有很大優勢。可 以在很緊湊的空間內實現很大的調速比。這些問題在一定程度上限制了純電力無級變速器的 應用前景。
發明專利CN1929243, CN1738163, CN1945939以及CN1694339中提出的都是只包含 雙轉子電機的純電力無級變速器。在應用中面臨前述現實問題。為了解決純電力無級變速器 的上述問題， 一些集成了機械輔助結構的電力無級變速器被提出。發明專利 ZL2006100001974中提出了一種改進型電力無級變速器。這種電力無級變速器以雙轉子電機 為基礎，在此以外增加了一個齒輪箱，輔助雙轉子電機完成電力無級變速的功能。通過適當 的選擇齒輪箱中齒輪組的齒比，在系統總輸出不變的前提下降低了雙轉子電機的體積和重 量。但該方案存在三個比較突出的問題。第一個問題是電力無級變速器的輸出軸不再是外
轉子軸，而是與之平行的一根輸出軸。這兩根軸通過上述附加齒輪箱中的一對互相嚙合的齒 輪連接在一起。在專利ZL2006100001974中，齒輪箱位于發動機和雙轉子電機中間。為了防 止出現干涉，前述輸出軸和外轉子軸之間的軸距至少要大于整個雙轉子電機的半徑，而這個 軸距遠遠超出了一般齒輪箱中輸入軸和輸出軸之間的合理軸距。這種結構使得該專利中涉及 的改進型電力無級變速器體積重量都比較大，而且會造成車輛離地間隙較小通過性差。第二 個問題是，這種改進型的電力無級變速器輸入軸與發動機剛性連接。發動機輸出轉矩的脈動 直接傳遞到雙轉子電機的內轉子上。造成電機控制非常困難。第三個問題是，存在單獨的離 合器和鎖止器。進一步增加了系統的重量和體積。除了上述問題以外，更為重要的是，這種 改進型電力無級變速器僅僅在系統可靠性上進行了改進，并沒有解決電力無級變速器不適用 于大變速比場合的問題。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的缺點，提出一種雙速比輸出的電力無級變速器。
本發明變速器的核心依然是雙轉子電機。與現有電力無級變速器相同的是，本發明提出 的變速器輸入軸依然是雙轉子電機的內轉子。與現有電力無級變速器不同的是，本發明提出 的變速器不再是外轉子通過單一速比進行輸出，而是通過一種雙速比輸出機構進行輸出。顧 名思義，這種輸出機構具有兩個速比。在低速范圍內時使用高速比輸出，而進入高速范圍內 時使用低速比輸出。這樣，變速器整個輸出平面根據速度范圍不同被劃分成兩個區域，在每 個區域內部變速是無級的。而兩個區域之間的轉換是通過切換前述雙速比輸出機構的速比實 現的。這種輸出方式的優勢在于，電力無級變速只在一個較小的范圍內進行，大范圍的速度 轉換通過切換附加的速比實現。用以實現小范圍內無級變速的電機容量也隨著顯著降低，系 統效率得到了相應提升。
本發明提出的電力無級變速器由雙轉子電機和雙速比輸出機構組成。雙速比輸出機構位 于雙轉子電機和車輛驅動橋之間。其輸入軸與雙轉子電機的輸出軸即外轉子相連，其輸出軸 與車輛驅動橋的輸入軸相連。這種雙速比輸出機構的基本特征在于，其輸入軸和輸出軸之間 存在兩個速度比。但是在任意時刻這個速度比是唯一的。使得與之相連的雙轉子電機可以通 過兩個不同的速度比驅動車輛。
能夠實現前述雙速比數據機構基本特征的具體結構是多種多樣的，可以是機械式的，也 可以是液壓式的，甚至是混合了機械和液壓的。在機械式內部，可以是基于定軸輪系的也可 以是基于周轉輪系的。兩個速比的切換和控制方式更是多種多樣的，可以是基于離合器的， 也可以是基于制動器的。在本發明中，給出一種基于定軸輪系并用雙離合器控制的雙速比輸 出機構的具體實現方式。
前述基于定軸輪系并用雙離合器控制的雙速比輸出機構包括輸入軸和輸出軸、兩個離合 器、兩組常嚙合齒輪和其他附屬結構。輸出軸和輸入軸之間通過前述兩組常嚙合齒輪相連。 這兩組齒輪的狀態是互補的，即在任意同一時刻只有一組齒輪同時與輸入軸和輸出軸相連。 與此同時，另一組齒輪是自由旋轉的，不對輸入軸和輸出軸的運動產生約束。通過兩組齒輪 狀態的切換實現輸入軸和輸出軸之間速度比的選擇。
所述的兩組齒輪中的兩個主動輪分別和雙速比輸出機構中的輸入軸通過離合器相連。而 兩組齒輪中的兩個被動輪分別和雙速比輸出機構中的輸出軸固連。
所述的兩組離合器的結合狀態是互補的，即任意同一時刻只有一組離合器是結合的，而 另一組離合器是脫開的。用以實現兩組齒輪狀態的切換。
本發明中，雙轉子電機的內轉子軸是電力無級變速器的輸入軸，與發動機通過離合器相 連。雙轉子電機的外轉子軸與雙速比輸出機構輸入軸固連。雙速比輸出機構的輸出軸是電力 無級變速器的輸出軸。
所述雙轉子電機的外轉子軸是空心的，內轉子軸從中穿過。滑環和電刷連接在內轉子末端。
所述雙轉子電機的內轉子和外轉子之間通過離合器相連。在一般情況下，離合器是脫開 的，內外轉子之間運動獨立。可以實現完整的電力無級變速功能，工作在混聯混合動力狀態。 在車輛運行達到一定條件時，內外轉子之間的離合器閉合。此時電力無級變速器進入到并聯
混合動力狀態。
圖l是本發明的電力無級變速器結構示意圖；圖中l發動機、2雙轉子電機的定子、3 雙轉子電機的外轉子、4雙轉子電機內轉子、9雙速比輸出機、25雙轉子電機、26車輛驅動 橋。
圖2是本發明電力無級變速器與發動機連接后的示意圖；圖中5第四離合器、6內轉 子軸，7碳刷，8滑環；
圖3是雙速比輸出機構的放大圖；圖中IO外轉子軸，ll第一離合器壓盤，12第一離 合器主動盤，13第一離合器從動盤，14第二離合器壓盤，15第二離合器主動盤，16第二 離合器從動盤，17第三離合器壓盤，18第三離合器主動盤，19第三離合器從動盤，20 第一齒輪組主動齒輪，21第一齒輪組被動齒輪，22第二齒輪組主動齒輪，23第二齒輪組被 動齒輪，24雙速比輸出機構的輸出軸。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
如圖1所示，本發明提出的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器主要包括由雙轉子 電機25和雙速比輸出機構9。這兩個部分相互級聯構成電力無級變速器。其中雙速比輸出機 構9是本發明的關鍵。如圖所示，雙速比輸出機構9中，A表示了一個位置，對應一個 速比，B表示了另一個位置，對應另一個速比。當雙轉子電機的外轉子3與雙速比輸出機構 9的連接從A位置切換到B位置時就完成了速比的切換。圖l還表示，這兩個速度比在任意 時刻只能存在唯一的一個。雙速比輸出機構9位于雙轉子電機25與車輛驅動橋26之間，可 以把車輛的驅動需求通過其速比的切換進行變換。
如前所述，雙速比輸出機構的具體實現方式和控制方式是多種多樣的，本發明專利只給 出其中一種。如圖2所示，本發明提出的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器主要由兩 部分構成雙轉子電機25和雙速比輸出機構9。雙轉子電機25位于整個電力無級變速器的 輸入端，雙速比輸出機構9位于輸出端。發動機和雙轉子電機內轉子4的通過第四離合器 5連接。雙轉子電機25主要包括定子2、外轉子3和內轉子4。內轉子4嵌套在外轉子3內 部，而外轉子3和內轉子4又作為一個整體嵌套在定子2內部。雙速比輸出機構9由兩組齒 輪、兩根軸和兩個離合器構成。這兩根軸，即雙速比輸出機構的輸入軸和輸出軸平行偏移一 定空間距離，在輸入軸和輸出軸上相隔一定距離的位置安裝有前述的兩組齒輪。兩個離合器 位于兩組齒輪外側。本發明提出的電力無級變速器還包括碳刷7和滑環8，以及綁定內外轉 子用的第一離合器等。碳刷7和滑環8位于電力無級變速器的末端。
如圖3所示，雙速比輸出機構9的兩個離合器是指第二離合器和第三離合器。第二離合 器由第二離合器壓盤14，第二離合器主動盤15和第三離合器從動盤16構成。第三離合器壓 盤17，第三離合器主動盤18和第三離合器從動盤19構成第三離合器。第二離合器和第三離 合器的構成相同。以第二離合器為例，其中第二離合器壓盤14、第二離合器主動盤15和第 二離合器從動盤16都是圓環狀物體。三個圓環狀物體第二離合器壓盤14、第二離合器主 動盤15和第二離合器從動盤16的軸線在同一條直線上，第二離合器主動盤15位于第二離 合器壓盤14和第二離合器從動盤16之間。外轉子軸10,即雙速比輸出機構的輸入軸從前述 的三個圓環狀物體第二離合器壓盤14、第二離合器主動盤15和第二離合器從動盤16的中 間空洞中穿過。雙速比輸出機構9的兩組齒輪中，第一齒輪組主動齒輪20和第一齒輪組被 動齒輪21構成第一齒輪組。第二齒輪組主動齒輪22和第二齒輪組被動齒輪23構成第二齒 輪組。兩組齒輪的主動齒輪均與雙速比輸出機構9的輸入軸，即雙轉子電機外轉子軸10連 接，兩組齒輪的被動齒輪均與雙速比輸出機構9的輸出軸24固連。雙速比輸出機構9的輸 出軸24同時也是整個電力無級變速器的輸出軸。
雙轉子電機內轉子4是電力無級變速器的輸入軸，與發動機1相連。雙速比輸出機構9
的輸出軸24是電力無級變速器的輸出軸，與車輛驅動橋26相連。外轉子軸m伺時也是雙 速比輸出機構9的輸入軸，外轉子軸10是空心的，內轉子軸6從外轉子軸10中穿過。在內 轉子軸6的末端連接有滑環8。碳刷7和滑環8在旋轉時相互摩擦傳導電流。碳刷7和滑環 8布置在整個電力無級變速器的末端，使得碳刷7和滑環8的更換以及其他維護工作十分方 便。
在外轉子軸10與雙速比輸出機構輸出軸24之間有兩組齒輪。分別是第一齒輪組和第二 齒輪組。兩組齒輪組具有不同的齒比，可以根據電力無級變速器的設計需求自由選擇。第一 齒輪組由第一齒輪組主動輪20和第一齒輪被動齒輪21構成。第二齒輪組由第二齒輪組主動 齒輪22和第二齒輪組被動齒輪23構成。其中，兩個被動齒輪第一齒輪被動齒輪21和第 二齒輪組被動齒輪23均與雙速比輸出機構輸出軸24固連。而兩個主動齒輪第一齒輪組主 動輪20和第二齒輪組主動輪22均通過軸承套在外轉子軸10的外側。
如圖3所示，在本發明提出的電力無級變速器中，按照功能劃分，有兩組離合器。第一 組離合器包括前述第一離合器，而第二組離合器包括前述第二離合器和第三離合器。第一組 離合器由第一離合器壓盤11、第一離合器主動盤12和第一離合器從動盤13構成。它的功能 是綁定雙轉子電機的內轉子4和外轉子3，其中，第一離合器主動盤12與內轉子軸6固連， 第一離合器從動盤13與外轉子軸10固連。當第一離合器壓盤11接收到控制指令時發生軸 向移動，壓緊第一離合器的主動盤12和從動盤13，使得第一離合器的主動盤12和從動盤 13以同一個速度轉動。由于第一離合器的主動盤12與雙轉子電機內轉子4固連，第一離合 器從動盤13與雙轉子電機外轉子3固連，因此雙轉子電機的內外兩個轉子也通過對第一離 合器的控制實現同速度旋轉，完成綁定的功能。本發明提出的電力無級變速器中的第二組離 合器包括第二離合器和第三離合器，它們都由壓盤、主動盤和從動盤構成。它們的功能與第 一離合器不同，起到切換電力無級變速器輸出速比的作用。集成有雙速比機構的電力無級變 速器的名稱也由此得來。
第二離合器主動盤15和第三離合器主動盤18均與外轉子軸10固連。而第二離合器從 動盤16和第三離合器從動盤19分別與第一齒輪組主動齒輪20和第二齒輪組主動齒輪22固 連。第二離合器和第三離合器的壓盤控制著離合器主動盤和從動盤之間的結合狀態。當第二 離合器和第三離合器中任意一個壓盤接收到結合的控制信號時，壓盤發生軸向微小位移壓向 對應的主動盤。此時，主動盤便會在壓盤的壓力下與從動盤結合，使得三者(主動盤、從動 盤和壓盤)以同一個速度旋轉。由于前述主動盤和從動盤分別與外轉子軸和齒輪組主動齒輪 相連，因此此時外轉子軸會與某一個齒輪組中的主動齒輪以同一個速度旋轉。由于齒輪組是 常嚙合的，因此當外轉子軸與某一組齒輪中的主動齒輪結合時，則意味著外轉子軸通過該組
齒輪的速比輸出。 -
本發明提出的第二離合器和第三離合器的控制是互補的，即同時只有一個離合器是結合 的，而另一個是脫開的。這樣的設計保證雙轉子電機的外轉子軸10和雙速比輸出裝置的輸 出軸24之間在任意同一時刻只有唯一的一個速度關系。
權利要求
1、一種集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，包括位于電力無級變速器輸入端的雙轉子電機(25)，雙轉子電機包括定子(2)、外轉子(3)和內轉子(4)，內轉子(4)嵌套在外轉子(3)內部，外轉子(3)和內轉子(4)作為一個整體嵌套在定子(2)內部，其特征在于，該變速器還包括位于變速器輸出端的雙速比輸出機構(9)；雙速比輸出機構(9)位于雙轉子電機(25)和車輛驅動橋(26)之間，雙速比輸出機構(9)的輸入軸與雙轉子電機(25)的輸出軸即外轉子(3)相連，雙速比輸出機構(9)的輸出軸與車輛驅動橋(26)輸入軸相連；雙速比輸出機構(9)的輸入軸和輸出軸之間存在兩個速度比，在任意時刻速度比是唯一的，通過切換所述的雙速比輸出機構(9)的速比，使與之相連的雙轉子電機(25)以兩種不同的速度比驅動車輛。
2、 根據權利要求1所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于所述 的雙轉子電機內轉子(4)是電力無級變速器的輸入軸，與發動機(1)相連，雙速比輸出機 構(9)的輸出軸(24)是電力無級變速器的輸出軸；發動機(1)和雙轉子電機內轉子(4) 通過第四離合器(5)相連；雙速比輸出機構(9)由兩組齒輪，輸入軸和輸出軸，以及兩個 離合器構成；雙速比輸出機構(9)的輸入軸和輸出軸平行偏移一定空間距離，在輸入軸和 輸出軸上安裝有所述的兩組齒輪，輸出軸與雙轉子電機外轉子之間通過兩個定齒比齒輪連 接；兩個離合器位于兩組齒輪的外側。
3、 根據權利要求1或2所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于 所述的雙速比輸出機構(9)通過對兩個離合器的控制，實現只有唯一的一個速比進行輸出； 所述的兩個離合器第二離合器和第三離合器的控制是互補的，即同一時刻只有一個離合器 是結合的，而另一個是脫開的。
4、 根據權利要求3所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于所述 的雙速比輸出機構(9)的兩個離合器，即第二離合器和第三離合器均由主動盤、從動盤和 壓盤構成；第二離合器主動盤(15)和第三離合器主動盤(18)均與外轉子軸(10)固連； 而第二離合器從動盤(16)和第三離合器從動盤(19)分別與第一齒輪組主動齒輪(20)和 第二齒輪組主動齒輪(22)固連；第二離合器和第三離合器的壓盤控制著離合器主動盤和從動盤之間的結合狀態當第二離合器和第三離合器中任意一個壓盤接收到結合的控制信號時，壓盤發生軸向微小位移壓向對應的主動盤；此時，主動盤便會在壓盤的壓力下與從動盤 結合，使得主動盤、從動盤和壓盤這三者以同一個速度旋轉。
5、 根據權利要求3所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于所述 的雙速比輸出機構的兩組齒輪組第一齒輪組和第二齒輪組位于外轉子軸(10)與雙速比輸 出機構輸出軸(24)之間；兩組齒輪組具有不同的齒比；第一齒輪組由第一齒輪組主動輪(20)和第一齒輪被動齒輪(21)構成，第二齒輪組由第二齒輪組主動齒輪(22)和第二齒輪組被 動齒輪(23)構成；第一齒輪被動齒輪(21)和第二齒輪組被動齒輪(23)均與雙速比輸出 機構輸出軸(24)固連，第一齒輪組主動輪(20)和第二齒輪組主動輪(22)均通過軸承套 在外轉子軸(10)的外側。
6、 根據權利要求4所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于所述 的外轉子軸(10)同時也是雙速比輸出機構(9)的輸入軸，外轉子軸(10)是空心的，內 轉子軸(6)從外轉子軸(10)中穿過。
7、 根據權利要求1所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于電力 無級變速器還包括綁定雙轉子電機內轉子(4)和外轉子(3)的第一離合器；所述的第一離合器包括第一離合器壓盤(H)、第一離合器主動盤(12)和第一離合器從動盤(13);第一離合器主動盤(12)與內轉子軸(6)固連，第一離合器從動盤(13)與外轉子軸(10) 固連；當第一離合器壓盤(11)接收到控制指令時發生軸向移動，壓緊第一離合器的主動盤 (12)和從動盤(13)，使得二者以同一個速度轉動；由于第一離合器的主動盤(12)與雙 轉子電機內轉子(4)固連，第一離合器從動盤(13)與雙轉子電機外轉子(3)固連，因此 雙轉子電機的內外兩個轉子也通過對第一離合器的控制實現同速度旋轉，完成綁定的功能。
8、 根據權利要求1所述的集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，其特征在于所述 的碳刷(7)和滑環(8)位于電力無級變速器的末端。
全文摘要
一種集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器，包括雙轉子電機(25)和雙速比輸出機構(9)。雙速比輸出機構(9)位于雙轉子電機(25)和車輛驅動橋(26)之間，其輸入軸與雙轉子電機(25)的輸出軸即外轉子(3)相連，其輸出軸與車輛驅動橋(26)輸入軸相連。這種雙速比輸出機構的特征在于，其輸入軸和輸出軸之間存在兩個速度比。但是在任意時刻這個速度比是唯一的。使得與之相連的雙轉子電機可以通過兩個不同的速度比驅動車輛。
文檔編號H02K7/116GK101388586SQ20081022361
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者孫學京, 溫旭輝, 茍曉宏, 濤 范, 蒙海鷹, 峰 趙 申請人:中國科學院電工研究所;陜西航空電氣有限責任公司