專利名稱：用于純電動轎車的雙轉子發動機及其控制方法
技術領域：
本發明涉及純電動轎車的新型動力裝置和車載發電系統，尤其涉及雙轉子發動機 結構和控制方法。
背景技術：
隨著能源與環境問題的日益突出，零污染、高效的電動汽車已成為當前汽車領域 研究和發展的熱點。電動汽車以大容量電池組作為動力源，以電動機作為動力裝置，通過控 制器控制獲取電池組提供的動力。電動汽車在使用過程中，其行駛里程依賴于電池組的容 量，而現有電動汽車的電池組充足一次電，能行駛的里程數多數不超過200公里，續航能力 差；為此，具備不間斷地向電池組及與電池組并聯的超級電容器充電、有效控制汽車制動和 回收制動能量、加速功能等的動力裝置是解決電動汽車續航能力差最有效的解決辦法。具備車載發電及充電功能的汽車常見于混合動力汽車上，典型的混合動力汽車具 有電動無級變速器，電動無級變速器有兩個機械接口 一個是輸入和輸出接口，另一個是和 電池相連的電力接口。電動無級變速器輸入軸和發動機的輸出軸相連，輸出軸和汽車的驅 動軸相連，電力接口和汽車的蓄電池相連接。目前，無論是電動汽車還是混合動力汽車都是將發電裝置與傳動裝置作為一體布 置在發動機與變速器之間，這種布置方式不利于汽車底盤的結構設計，同時也造成了底盤 結構過于復雜。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單、傳輸效率高的用于純電動轎車的雙轉子發動 機，在行駛過程中能使雙轉子發動機不間斷地向電池組及超級電容器充電，延長電動汽車 的行駛里程數。本發明的另一目的是提供一種上述雙轉子發動機的控制方法，完成純電動轎車的 動力輸出、起動、發電、制動及加速功能。本發明用于純電動轎車的雙轉子發動機采用的技術方案是包括雙轉子發動機外 殼、轉子軸和控制單元，雙轉子發動機外殼固定支撐于轉子軸，控制單元設置在雙轉子發動 機外殼外部，雙轉子發動機外殼內部具有永磁鐵、定子三相繞組、內轉子、外轉子和動力傳 輸軸，動力傳輸軸固定支撐在轉子軸上且固定連接外轉子，內轉子固定連接轉子軸，在內轉 子和外轉子之間設置固定支撐在轉子軸上的永磁鐵，定子三相繞組固定連接在雙轉子發動 機外殼內壁上且位置對應于外轉子；在動力傳輸軸與雙轉子發動機外殼之間的轉子軸上設 置滑環，滑環上固定連接碳刷；碳刷電連接內轉子內部具有的勵磁繞組；動力傳輸軸同軸 固定連接輸出軸一端，輸出軸另一端固定連接飛輪；控制單元分別外接定子三相繞組和碳 刷，控制單元具有嵌入式系統、變壓整流器、1號繼電器、2號繼電器和大功率場效應管；外 轉子電連接變壓整流器，嵌入式系統分別電連接1號繼電器、2號繼電器和大功率場效應 管；變壓整流器的輸出分別電連接2號繼電器和12V電壓輸出，大功率場效應管電連接內轉子輸入端。本發明用于純電動轎車的雙轉子發動機的控制方法采用的技術方案是將電池組 與超級電容器并聯后分別電連接控制單元的1號繼電器和2號繼電器；當起動信號傳至控 制單元中，嵌入式系統輸出電流至1號繼電器使其常開觸點閉合；控制單元控制大功率場 效應管使內轉子內部的勵磁繞組通電，在永磁體所形成的磁場作用下內轉子旋轉，使外轉 子內部產生感應電流而隨之旋轉，帶動動力傳輸軸同步旋轉，動力經輸出軸傳至飛輪，實現 雙轉子發動機的起動；雙轉子發動機正常運轉后，控制單元內的嵌入式系統輸出電流至2 號繼電器使其常開觸點閉合，接通電池組和超級電容器，外轉子旋轉時使定子三相繞組產 生感應電壓并輸出至控制單元上，經變壓整流器后分別輸出42V和12V直流電，實現雙轉子 發動機的發電；當控制單元內部的嵌入式系統接收到制動信號后，切斷1號繼電器使其常 開觸點斷開，內轉子、外轉子和飛輪的轉速下降，實現電動機的制動；當控制單元內部的嵌 入式系統在接收到加速信號后，對大功率場效應管的通斷頻率進行PWM調節，提高內轉子 內部的勵磁繞組的通電電流強度，實現輸出轉速可調的加速。本發明的有益效果是
1、本發明融電動無級變速器技術于一體，將發動機與傳動、發電裝置合為一體，具備了 起動、發電、制動及加速控制等功能，是一種全新的純電動轎車發動機，同時減輕了整車重 量。2、控制單元可根據各種傳感器信號控制發動機處于不同的運行工況。當出現起動 信號時，控制電池組及超級電容器提供起動電流；正常起動后，控制單元又可及時向電池組 和超級電容器充電；制動時，控制單元及時切斷內轉子的勵磁繞組電流，并將外轉子的動能 轉化為電池組及超級電容器的電能儲存起來；加速信號出現時，控制單元通過PWM控制內 轉子的通電電流，達到控制發動機轉速的目的。在控制單元控制下，雙轉子發動機處于最佳 的工作狀態。3、系統具備轉子發動機的特點，布局合理，有效地提升了轎車底盤空間的利用率， 有效提高了轎車動力傳輸效率；延長了純電動轎車的行駛里程數，續航能力高。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是本發明雙轉子發動機的結構示意圖。圖2是圖1中控制單元1的結構連接圖。圖中1.控制單元；2.滑環；3.動力傳輸軸支撐軸承；4.永磁鐵；5.定子三相繞 組；
6.外轉子；7.動力傳輸軸；8.雙轉子發動機外殼軸承；9.飛輪殼；10.飛輪；11.雙轉 子發動機外殼；13.內轉子；14.永磁鐵支撐軸承；15.碳刷；16.超級電容器；17.電池組; 18.轉子軸；19.輸出軸；20.法蘭盤。
具體實施例方式參見圖1，本發明主要包括雙轉子發動機外殼11、轉子軸18、永磁鐵4、定子三相繞 組5、內轉子13、外轉子6、動力傳輸軸7和控制單元1。雙轉子發動機外殼11通過雙轉子
4發動機外殼軸承8固定支撐在轉子軸18上。控制單元1設置在雙轉子發動機外殼11的外 部，永磁鐵4、定子三相繞組5、內轉子13、外轉子6、動力傳輸軸7均安裝在雙轉子發動機外 殼11的內部，其中，動力傳輸軸7的兩端通過動力傳輸軸支撐軸承3固定支撐在轉子軸18 上，內轉子13固定連接在轉子軸18上，外轉子6固定連接在動力傳輸軸7上，在內轉子13 和外轉子6之間設置永磁鐵4，永磁鐵4通過永磁鐵支撐軸承14固定支撐在轉子軸18上。 定子三相繞組5固定連接在雙轉子發動機外殼11內壁上，并且定子三相繞組5的位置對應 于外轉子6。在動力傳輸軸7與雙轉子發動機外殼11之間的轉子軸18上設置滑環2，滑環2上 固定連接碳刷15。內轉子13的內部具有勵磁繞組，該勵磁繞組電連接碳刷15。動力傳輸軸7通過緊固螺栓同軸固定連接輸出軸19的一端，輸出軸19的另一端 通過法蘭盤20固定連接飛輪10。飛輪10外圍設置飛輪殼9，飛輪殼9固定連接在輸出軸 19上。控制單元1分別外接定子三相繞組5和碳刷15，內轉子13內部勵磁繞組經過碳 刷15后電連接控制單元1，分別對定子三相繞組5以及內轉子13實現控制。控制單元1 還分別電連接電動轎車的電池組17、超級電容器16以及電動轎車的起動信號、加速信號、 制動信號、轉速信號的輸入；電池組17為3節12V蓄電池串聯而成，超級電容器16可輸出 36-42V電壓，將電池組17與超級電容器16并接在一起，電池組17與超級電容器16并聯后 通過導線與控制單元1連接。參見圖2，控制單元1具有嵌入式系統、變壓整流器、1號繼電器Kl、2號繼電器Κ2 和大功率場效應管，電動轎車的起動信號、加速信號、制動信號、轉速信號的輸入電連接嵌 入式系統，外轉子6產生的三相電輸入連接變壓整流器，嵌入式系統分別電連接1號繼電器 Kl、2號繼電器Κ2和大功率場效應管。變壓整流器的輸出分別電連接2號繼電器Κ2和12V 電壓輸出，大功率場效應管接內轉子13的輸入端。電池組17與超級電容器16并聯后分別 電接1號繼電器Kl和2號繼電器Κ2。當雙轉子發動機的點火開關接通STA檔位后，起動信號傳至控制單元1中，控制單 元1內的嵌入式系統輸出電流至1號繼電器Kl的線圈，使1號繼電器常開觸點閉合；控制 單元1通過控制與其連接的大功率場效應管的柵極，使其源極與漏極導通；電池組17及超 級電容器16輸出的電流依次經過1號繼電器Kl的常開觸點、大功率場效應管、內轉子13 輸入端、碳刷15、滑環2后，再經內轉子13內部勵磁繞組、滑環2、碳刷15、內轉子13輸出端 子至負極。內轉子13的內部勵磁繞組通電后，在永磁體4所形成的磁場作用下，內轉子13 開始旋轉，并使外轉子6內部產生感應電流而隨之旋轉，由于動力傳輸軸7與外轉子6緊固 連接，因此當外轉子6旋轉時，帶動動力傳輸軸7同步旋轉，動力傳輸軸7的動力通過緊固 螺栓傳遞到輸出軸19，輸出軸19經法蘭盤20最終傳至飛輪10，安裝雙轉子發動機的汽車 動力傳遞路線為雙轉子發動機一飛輪一離合器一變速器，從而實現雙轉子發動機的起動。 雙轉子發動機在起動過程中，內轉子13內部的勵磁繞組處于他勵狀態。當雙轉子發動機正常運轉后，控制單元1內的嵌入式系統輸出電流至2號繼電器 Κ2的線圈，使2號繼電器Κ2的常開觸點閉合，接通電池組17和超級電容器16。由于定子 三相繞組5與雙轉子發動機外殼11緊固連接，外轉子6旋轉時將使定子三相繞組5產生感 應電壓，并通過三相線輸出至控制單元1上，隨著外轉子6轉速的逐漸升高，定子三相繞組5所感應的三相交流電電壓的有效值將越大，定子三相繞組5輸出電壓經過控制單元1內部 的變壓整流器后，分別輸出42V和12V直流電。其中12V直流電可供汽車用電設備使用，而 一部分42V直流電向電池組17和超級電容器16供電，另一部分分42V直流電繼續向內轉 子13內部勵磁繞組供電，從而實現雙轉子發動機的發電，維持汽車的正常行駛。汽車正常 行駛后，內轉子13內部的勵磁繞組處于自勵狀態，通過控制單元1實現對內轉子13的供電 及自身的充電。當駕駛員踩下制動踏板后，控制單元1內部的嵌入式系統在接收到制動信號后， 切斷1號繼電器Kl線圈電流，使1號繼電器Kl的常開觸點斷開，內轉子13內部勵磁繞組 因無電流流經而轉速下降，進而造成外轉子6轉速下降，最終使飛輪10轉速降低，實現電動 機的制動。制動過程中，外轉子6經變壓整流后所產生的42V直流電將全部向電池組17和 超級電容器16供電。當制動信號消失后，控制單元1將重新控制1號繼電器Kl常開觸點 閉合，使發動機轉速升高。當駕駛員踩下加速踏板后，控制單元1內部的嵌入式系統在接收到加速信號后， 對大功率場效應管的通斷頻率進行PWM調節，從而提高內轉子13內部勵磁繞組的通電電流 強度，進而控制外轉子6的轉速，實現電動機輸出轉速可調的加速過程。本發明利用內轉子13的旋轉使外轉子6產生感應電動勢而旋轉，動力通過動力傳 輸軸7輸出至飛輪10 ；通過控制單元1的控制有效地向內轉子13供電，維持汽車正常行駛； 同時在制動過程中，能有效回收外轉子6的動能向電池組17及超級電容器16充電；控制單 元1通過控制大功率場效應管的通斷頻率，控制汽車的加速。可取代現有的燃料發動機，工 作過程中，雙轉子發動機可以完成動力輸出、起動、發電、制動及加速功能。
權利要求
一種用于純電動轎車的雙轉子發動機，包括雙轉子發動機外殼(11)、轉子軸(18)和控制單元(1)，其特征是雙轉子發動機外殼(11)固定支撐于轉子軸(18)，控制單元(1)設置在雙轉子發動機外殼(11)外部，雙轉子發動機外殼(11)內部具有永磁鐵(4)、定子三相繞組(5)、內轉子(13)、外轉子(6)和動力傳輸軸(7)，動力傳輸軸(7)固定支撐在轉子軸(18)上且固定連接外轉子(6)，內轉子(13)固定連接轉子軸(18)，在內轉子(13)和外轉子(6)之間設置固定支撐在轉子軸(18)上的永磁鐵(4)，定子三相繞組(5)固定連接在雙轉子發動機外殼(11)內壁上且位置對應于外轉子(6)；在動力傳輸軸(7)與雙轉子發動機外殼(11)之間的轉子軸(18)上設置滑環(2)，滑環(2)上固定連接碳刷(15)；碳刷(15)電連接內轉子(13)內部具有的勵磁繞組；動力傳輸軸(7)同軸固定連接輸出軸(19)一端，輸出軸(19)另一端固定連接飛輪(10)；控制單元(1)分別外接定子三相繞組(5)和碳刷(15)，控制單元(1)具有嵌入式系統、變壓整流器、1號繼電器(K1)、2號繼電器(K2)和大功率場效應管；外轉子(6)電連接變壓整流器，嵌入式系統分別電連接1號繼電器(K1)、2號繼電器(K2)和大功率場效應管；變壓整流器的輸出分別電連接2號繼電器(K2)和12V電壓輸出，大功率場效應管電連接內轉子(13)輸入端。
2.一種用于純電動轎車的雙轉子發動機的控制方法，其特征是具有如下步驟Α、將電池組(17)與超級電容器(16)并聯后分別電連接控制單元(1)的1號繼電器 (Kl)和2號繼電器(Κ2)；當起動信號傳至控制單元(1)中，嵌入式系統輸出電流至1號繼 電器(Kl)使其常開觸點閉合；控制單元(1)控制大功率場效應管使內轉子(13)內部的勵磁 繞組通電，在永磁體(4)所形成的磁場作用下內轉子(13)旋轉，使外轉子(6)內部產生感應 電流而隨之旋轉，帶動動力傳輸軸(7)同步旋轉，動力經輸出軸(19)傳至飛輪(10)，實現雙 轉子發動機的起動；B、雙轉子發動機正常運轉后，控制單元(1)內的嵌入式系統輸出電流至2號繼電器 (Κ2)使其常開觸點閉合，接通電池組(17)和超級電容器(16)，外轉子(6)旋轉時使定子三 相繞組(5)產生感應電壓并輸出至控制單元(1)，經變壓整流器后分別輸出42V和12V直流 電，實現雙轉子發動機的發電；C、控制單元(1)內部的嵌入式系統接收到制動信號后，切斷1號繼電器(Kl)使其常開 觸點斷開，內轉子(13)、外轉子(6)和飛輪(10)的轉速下降，實現電動機的制動；D、當控制單元(1)內部的嵌入式系統在接收到加速信號后，對大功率場效應管的通斷 頻率進行PWM調節，提高內轉子(13)內部的勵磁繞組的通電電流強度，實現輸出轉速可調 的加速。
全文摘要
本發明公開一種用于純電動轎車的雙轉子發動機及其控制方法，動力傳輸軸固定支撐在轉子軸上且固定連接外轉子，內轉子固定連接轉子軸，在內轉子和外轉子之間設置固定支撐在轉子軸上的永磁鐵，定子三相繞組固定連接在雙轉子發動機外殼內壁上，動力傳輸軸同軸固定連接輸出軸一端，輸出軸另一端固定連接飛輪；利用內轉子的旋轉使外轉子產生感應電動勢而旋轉，控制單元根據各種傳感器信號控制發動機的動力輸出、起動、發電、制動及加速功能，將發動機與傳動、發電裝置合為一體，有效提高動力傳輸效率，延長純電動轎車的行駛里程數。
文檔編號H02P9/14GK101976920SQ20101051653
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月25日 優先權日2010年10月25日
發明者何仁, 劉學軍, 劉層香 申請人:江蘇大學