專利名稱：具有三檔變速功能的電力無級變速器及其動力驅動模式的制作方法
技術領域：
本發明屬于汽車交流電機及其控制技術領域，具體涉及一種具有雙轉子的電力無級變速器，應用于公路運輸車輛上。
背景技術：
為了使內燃機ICE能在整個運行工況下均保持最佳效率運行，同時又可以減少 裝置的復雜程度，采用雙轉子電機，雙轉子電機由內轉子、外轉子、定子三個主要部分 組成。三個主要部分可以組成兩個徑向布置的電機，其中內轉子與外轉子構成內電機， 外轉子與定子組成外電機。一般情況下內轉子與發動機輸出軸連接，外轉子與主減速器 軸連接，就形成了電力無級變速器EVT。采用電力驅動控制兩個轉子的轉矩與轉速，可 以實現轉矩與轉速比連續可調，具有較高的傳動效率，無需通常的啟動裝置(如離合器 或液力耦合器等)。當變速箱的無級變速與內燃機控制有效的配合時，可大幅度的提高 汽車燃油效率。在動力調節方面，EVT可通過儲能器有效的補充動力輪所需的驅動動力 而無需改變對內燃機的動力要求，從而保持內燃機的工作狀態不受或少受路況的影響。 內燃機可始終工作在設定的最佳狀態，以提高整車的效率。同時EVT還可回收制動時的 動能，返送回儲能器中，大幅度地提高車輛的燃油效率。但是電力無級變速器也存在一定程度上的缺陷首先，相較于機械式或者液壓 式變速器可以在較緊湊的空間內實現較大的調速范圍，由于空間尺寸的限制，電力無級 變速器的調速范圍也受到限制；其次，電力無級變速的輸入軸一般與發動機軸固定連 接，在需要給汽車施加動力時，不管是發動機單獨驅動還是電機單獨驅動汽車，發動機 和電機都要轉動，當只用電機單獨驅動汽車或者電機發電回收制動時的動能時，電機都 會帶動發動機隨之空轉，造成浪費，并對發動機造成影響。在專利號200810223615.5、 名稱是“一種集成有雙速比輸出機構的電力無級變速器”與專利號200820123600.7， 名稱是“一種集成基于行星齒輪兩檔變速機構的電力無級變速器”中提出了有兩個檔 位變化的無級變速器，但發動機與電力無級變速器的輸入軸仍然為固定連接。專利號 200710121112.2、名稱是“一種電力無級變速器”通過一組行星齒輪結構與專利號是 200710074741.4、名稱是“混合動力汽車動力總成”通過離合器雖然解決了發動機與電 力無極變速器的固定連接的問題，但是并不能擴大電力無級變速器的變速比范圍。
發明內容
本發明的一個目的是提出一種新型的具有三檔變速功能的電力無級變速器，提 高其調速范圍，具有較高的傳動效率和燃油效率。本發明的另一目的是提出上述電力無級變速器的動力驅動模式，可使電力無級 變速器以并聯混合動力、純電動動力、全混合動力三種模式切換工作。本發明具有三檔變速功能的電力無級變速器采用的技術方案是包括雙轉子電 機與兩組行星齒輪機構，第一組行星齒輪機構通過發動機輸出軸連接發動機，第二組行星齒輪機構通過太陽輪軸 連接主減速器；雙轉子電機設置在兩組所述行星齒輪機構之 間，雙轉子電機是同軸心布置的三層結構，最外層是固定設置在雙轉子電機輸入軸上的 外轉子，中間是固定設置在雙轉子電機輸出軸上的內轉子，最內層是固定設置在定子軸 上的定子；第一組行星齒輪機構由太陽輪、行星架、齒圈組成，太陽輪與外轉子固接， 行星架與發動機輸出軸固接，齒圈與內轉子通過第一離合器連接，定子軸上具有第一制 動器，行星架上具有第一制動器摩擦片與第一離合器第一摩擦片，齒圈具有第二制動器 摩擦片與第一離合器第二摩擦片，定子軸與齒圈之間具有第二制動器，第一離合器第三 摩擦片設置在雙轉子電機外轉子上，第一離合器第四摩擦片設置在定子軸上，第五摩擦 片設置在內轉子上；第二組行星齒輪機構由另一太陽輪、另一行星架、另一齒圈組成， 雙轉子電機輸出軸通過第三離合器與另一行星架連接或通過第二離合器與另一齒圈連 接；另一太陽輪固定設置在太陽輪軸上，另一齒圈旁固定有第三制動器、另一行星架旁 固定有第四制動器，另一齒圈上具有第三制動器摩擦片，另一星架上具有第四制動器摩 擦片，雙轉子電機輸出軸與太陽輪軸在同一條軸線上；雙轉子電機輸入軸上設有滑環， 滑環電連接外部蓄電池，在蓄電池兩側分別接主交直流轉換器和副交直流轉換器，蓄電 池另一端接入外轉子的電樞繞組。上述電力無級變速器的動力驅動模式采用的技術方案是由第一組行星齒輪機 構實現三種動力驅動模式間的切換；第一種動力驅動模式是全混合動力驅動模式當第 一制動器松開，第二制動器制動，第一離合器松開時，發動機自由旋轉，行星齒輪中齒 圈固定不動，外轉子、內轉子均自由轉動；第二種動力驅動模式是純電動驅動模式 當第一制動器結合，第二制動器、第一離合器脫開時，發動機制動，外轉子、內轉子均 自由旋轉，蓄電池由滑環經外轉子上的電樞繞組向外轉子提供電能，由內轉子輸出到車 輪，當車輛制動時，制動能量由車輪經過雙轉子電機回收到蓄電池；第三種動力驅動模 式是并聯混合動力驅動模式，當第一制動器、第二制動器均脫開，第一離合器結合時， 發動機自由旋轉，第一離合器結合，五個所述摩擦片結合，使發動機輸出軸、外轉子、 內轉子連接成一體且以同轉速旋轉；外轉子不通電，發動機動力直接通過第一行星齒輪 機構傳遞到內轉子輸出。本發明有機結合了雙轉子電機與行星齒輪機構的優點，第一組與第二組行星齒 輪機構分別起到動力模式切換與改變傳動比的作用。通過這兩組行星齒輪機構實現了三 個功能第一，電力無級變速器的內轉子轉速增高，使得雙轉子電機傳遞的轉矩下降， 由于雙轉子電機的體積與傳遞的轉矩成正比關系，所以可以減小雙轉子電機的體積，提 高功率密度；第二，傳統的電力無級變速器的輸入軸與發動機輸出軸是固定連接的，汽 車只能局限地工作在全混合動力模式下，本發明采用一組行星齒輪機構使得汽車還可以 工作在并聯混合動力模式下和純電動動力模式下，此外還能實現制動時能量的回收；第 三，采用一組行星齒輪機構實現三檔變速，擴大了電力無極變速器的傳動比范圍。
圖1是本發明電力無級變速器及其與車輛搭載連接示意圖； 圖2是圖1中第一組行星齒輪機構放大圖3是圖1中第二組行星齒輪部分放大圖；圖4是本發明工作在全混合動力模式下的動力傳遞示意圖； 圖5是本發明工作在并聯混合動力模式下的動力傳遞示意圖； 圖6是本發明工作在傳電動模式下的動力傳遞示意圖； 圖7是圖1中蓄電池21的連接結構示意圖中1.發動機；2.發動機輸出軸；3.滑環；4.第一組行星齒輪太陽輪；5.第一組 行星齒輪行星架；6.第一組行星齒輪齒圈；7.第一制動器；8.第二制動器；9.雙轉子電 機外轉子；10.雙轉子電機內轉子；11.雙轉子電機定子；12.雙轉子電機輸出軸；13.第 三離合器；14.第二組行星齒輪太陽輪；15.第二組行星齒輪行星架；16.第二組行星齒輪 齒圈；17.雙轉子電機輸入軸；18.定子軸；19.第一離合器；20.主交直流轉換器；21.蓄 電池；22.副交直流轉換器；23.第二離合器；24.動力總成殼體；25.第三制動器；26.太 陽輪軸；27.第四制動器；28.主減速器；29.車輪；30.第一制動器摩擦片；31.第二制動 器摩擦片；32.第一離合器第一摩擦片；33.第一離合器第二摩擦片；34.第一離合器第三 摩擦片；35.第一離合器第四摩擦片；36.第一離合器第五摩擦片；37.第三制動器摩擦 片；38.第四制動器摩擦片。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的電力無級變速器主要包括動力總成殼體24，雙轉子電機 與兩組行星齒輪機構，雙轉子電機與兩組行星齒輪機構均設置在動力總成殼體24中，其 中，雙轉子電機設置在兩組行星齒輪機構之間。第一組行星齒輪機構實現車輛在各個 驅動模式間的切換，第二組行星齒輪機構實現三檔變速。第一組行星齒輪機構通過發動 機輸出軸2連接發動機1，第二組行星齒輪機構通過其輸出軸太陽輪軸26連接主減速器 28，主減速器28控制車輪29。雙轉子電機是同軸心布置的三層結構，最外層是外轉子9，中間是內轉子10， 最內層是定子11。其中，內轉子10的內外兩側鑲有磁鋼，定子11與外轉子9上安裝有 電樞繞組。外轉子9固定設置在雙轉子電機輸入軸17上，雙轉子電機輸入軸17通過第一 組行星齒輪機構與發動機輸出軸2連接，由雙轉子電機輸入軸17上帶動外轉子9旋轉。 在雙轉子電機輸入軸17上安裝滑環3，滑環3電連接外部蓄電池21，在蓄電池21兩側分 別接主交直流轉換器20和副交直流轉換器22，蓄電池21另一端接入外轉子9的電樞繞 組，電流通過滑環3從外部的主交直流轉換器20、蓄電池21和副交直流轉換器22通入外 轉子9的電樞繞組中。內轉子10固定設置在雙轉子電機輸出軸12上，雙轉子電機輸出 軸12通過第二組行星齒輪機構連接太陽輪軸26。定子11固定設置在定子軸18上，定子 軸18伸入第一組行星齒輪機構中。參見圖2，第一組行星齒輪機構由太陽輪4、行星架5、齒圈6組成。其中，太 陽輪4與外轉子9固定連接。行星架5與發動機輸出軸2固定連接。在齒圈6與雙轉子 電機的內轉子10之間安裝第一離合器19，齒圈6與雙轉子電機的內轉子10通過第一離 合器19連接，第一離合器19通過雙轉子電機輸出軸12工作。定子軸18上安裝有第一 制動器7。行星架5上還安裝有第一制動器摩擦片30與第一離合器第一摩擦片32。第 一制動器7通過與第一制動器摩擦片30的結合脫開來控制行星架5的結合與脫開。齒圈 6安裝有第二制動器摩擦片31與第一離合器第二摩擦片33。定子軸18與齒圈6之間裝有第二制動器8，第二制動器8通過與第二制動器摩擦片31的結合脫開來控制齒圈6的 結合脫開。第一離合器第三摩擦片34裝在雙轉子電機外轉子9上，第一離合器第四摩擦 片35安裝在固定的定子軸18上，第五摩擦片36安裝在內轉子10上。當第一離合器19 工作時五片上述摩擦片由于摩擦力而結合時，會使發動機輸出軸2、外轉子9、內轉子10 同速轉動。此電力無級變速器的動力由雙轉子電機輸入軸17輸入，由雙轉子電機輸出軸 12輸出。當第一制動器7結合，第二制動器8、第一離合器19脫開時，發動機不出力， 這種電力無級變速器工作在純電動模式；當第一制動器7脫開，第二制動器8結合，第一 離合器19脫開時這種電力無級變速器工作在全混合動力模式；當第一制動器7、第二制 動器8均脫開，第一離合器19結合時這種電力無級變速器工作在并聯混合動力模式，因 此，第一組行星齒輪結構實現車輛在各個驅動模式間的切換。參見圖3，第二組行星齒輪機構由太陽輪14、行星架15、齒圈16組成。雙轉子 電機輸出軸12通過第三離合器13與行星架15連接或者通過第二離合器23與齒圈16連 接；太陽輪14固定在太陽輪軸26上，太陽輪軸26是此行星齒輪機構的輸出軸，與主減 速器連接，將動力傳遞至車輪29。在動力總成殼體24上，位于齒圈16旁固定有第三制 動器25、位于行星架15旁固定有第四制動器27，齒圈16上裝有第三制動器摩擦片37， 行星架15上安裝有第四制動器摩擦片38。第三制動器25通過與第三制動器摩擦片37的 脫開與結合來控制齒圈16的脫開與結合，第四制動器27通過與第四制動器摩擦片38的 脫開與結合來控制行星架15的脫開與結合；雙轉子電機輸出軸12與第二組行星齒輪太陽 輪軸26在同一條軸線上。雙轉子電機內轉子軸12即三擋變速器的輸入軸，與輸出軸太陽輪軸26之間有三 種動力傳動方法一種動力傳動方法是當第三制動器25、第四制動器27脫開，第二離 合器23、第二離合器13結合時，因為第二組行星齒輪機構中的齒圈16與第二離合器23 連接、行星架15與第三離合器13連接，第一、二離合器19、23又均與雙轉子電機輸出 軸12連接，所以當這兩個離合器都結合時，齒圈16與行星架15與雙轉子電機輸出軸12 綁定，以同轉速旋轉，這樣根據行星齒輪機構的結構，太陽輪14也與齒圈16、行星架15 一樣具有相同的轉速，這時此行星齒輪的傳動比為1。第二種動力傳動方法是當第二 離合器23、第四制動器27結合，第三離合器13、第三制動器25脫開時，行星架15制 動，齒圈16通過第二離合器23與雙轉子電機輸出軸12綁定，動力從齒圈16輸入、由太
陽輪14輸出，設齒圈16的齒數為 太陽輪14的齒數為瑪，則此時行星齒輪的傳動
比為f·。第三種動力傳動方法是當第三離合器13、第三制動器25結合，第二離合器 2
23、第四制動器27脫開時，齒圈16制動，行星架15通過第三離合器13與雙轉子電機 輸出軸12綁定，動力由行星架15輸入、由太陽輪14輸出，則此時行星齒輪的傳動比為
。由此，通過兩個制動器、兩個離合器，第二組行星齒輪機構實現了三檔變 速，在速比1、I、 (1+ 之間切換。
圖4、圖5、圖6是當第一制動器7、第二制動器8、第一離合器19工作在不同 狀態下，混合動力總成對應的運行狀態示意圖。如圖4所示，當第一制動器7松開，第二制動器8制動，第一離合器19松開。 這時，發動機1可以自由旋轉，行星齒輪中齒圈6固定不動。外轉子9、內轉子10均可
以自由轉動，因此動力系統總成運行在全混合動力模式下。設太陽輪4的齒數為巧、齒 圈齒數為殘，這樣在行星架5與太陽輪4之間形成一個升速環節，也即發動機輸出軸2和
ρ
外轉子9之間形成一個升速環節，升速比為+ 。因此外轉子9的輸出轉矩為發
動機1輸出轉矩的1/i。由于電機的體積與電機的轉矩成正比，因此本發明可以獲得更小 的外轉子9，縮小雙轉子電機的整體體積。如圖5所示，當第一制動器7、第二制動器8均松開，第一離合器19結合。這 時發動機1可以自由旋轉。由于第一離合器19結合，即五個摩擦片結合，與摩擦片連接 的發動機輸出軸2、外轉子9、內轉子10連接成一體，以同轉速旋轉。此時，外轉子9 不通電，發動機1動力直接通過第一行星齒輪機構傳遞到內轉子10輸出。整個動力系統 總成工作在并聯混合動力模式下。如圖6所示，當第一制動器7結合，第二制動器8、第一離合器19松開。這時 發動機1制動，不能提供動力。而雙轉子電機的內外轉子均可以自由旋轉。此時蓄電池 21由滑環3經外轉子9上的電樞繞組向外轉子9提供電能，由內轉子10輸出到車輪29， 以純電動方式驅動車輛。當車輛制動時，制動能量還可以由車輪29經過雙轉子電機回收 到蓄電池21或者儲能裝置內。參見圖7，滑環3安裝在雙轉子電機的外轉子9上，然后通過到導線與主交直流 轉換器20連接，主交直流轉換器20將交流電轉換為直流電存儲入蓄電池21，蓄電池21 又通過導線與副交直流轉換器22連接，副交直流轉換器22通過導線與雙轉子電機的定子 11連接。副交直流轉換器22又可以將蓄電池21中的直流電轉換為交流電傳至定子11。 當外轉子9轉速高于內轉子10轉速時，發動機1的一部分能量直接傳遞給內轉子10用于 驅動車輛，其余能量通過外電機磁場傳遞到主交直流轉換器20存儲入蓄電池21中，在內 轉子10所需轉矩增加時，可以從蓄電池21中取出能量，通過副交直流轉換器22內供給 內電機，提供附加轉矩。因此當發動機1提供的功率不足時，蓄電池21向外放電像汽車 驅動系統提供能量；當汽車所需的功率較小時或者回收制動能量時，多余的能量由蓄電 池21儲存。所以可以通過控制雙轉子電機的內外轉子的轉速來控制蓄電池21的充放電。
權利要求
1.一種具有三檔變速功能的電力無級變速器，包括雙轉子電機與兩組行星齒輪機 構，其特征是第一組行星齒輪機構通過發動機輸出軸(2)連接發動機(1)，第二組 行星齒輪機構通過太陽輪軸(26)連接主減速器(28)；所述雙轉子電機設置在兩組行星齒輪機構之間，是同軸心布置的三層結構，最外 層是固定設置在雙轉子電機輸入軸(17)上的外轉子(9)，中間是固定設置在雙轉 子電機輸出軸(12)上的內轉子(10)，最內層是固定設置在定子軸(18)上的定子 (11)；所述第一組行星齒輪機構由太陽輪(4)、行星架(5)、齒圈(6)組成，太陽輪 (4)與外轉子(9)固接，行星架(5)與發動機輸出軸(2)固接，齒圈(6)與內 轉子(10)通過第一離合器(19)連接，定子軸(18)上具有第一制動器(7)，行星 架(5)上具有第一制動器摩擦片(30)與第一離合器第一摩擦片(32)，齒圈(6) 具有第二制動器摩擦片(31)與第一離合器第二摩擦片(33)，定子軸(18)與齒圈 (6)之間具有第二制動器(8)，第一離合器第三摩擦片(34)設置在雙轉子電機外轉 子(9)上，第一離合器第四摩擦片(35)設置在定子軸(18)上，第五摩擦片(36) 設置在內轉子(10)上；所述第二組行星齒輪機構由另一太陽輪(14)、另一行星架(15)、另一齒圈 (16)組成，雙轉子電機輸出軸(12)通過第三離合器(13)與另一行星架(15)連接 或通過第二離合器(23)與另一齒圈(16)連接；另一太陽輪(14)固定設置在太陽輪 軸(26)上，另一齒圈(16)旁固定有第三制動器(25)、另一行星架(15)旁固定有 第四制動器(27)，另一齒圈(16)上具有第三制動器摩擦片(37)，另一星架(15) 上具有第四制動器摩擦片(38)，雙轉子電機輸出軸(12)與太陽輪軸(26)在同一條 軸線上；雙轉子電機輸入軸(17)上設有滑環(3)，滑環(3)電連接外部蓄電池(23)， 在蓄電池(23)兩側分別接主交直流轉換器(20)和副交直流轉換器(22)，蓄電池 (21)另一端接入外轉子(9)的電樞繞組。
2.根據權利要求1所述的具有三檔變速功能的電力無級變速器，其特征是當第三 制動器(25)、第四制動器(27)脫開，第二離合器(23)、第二離合器(13)結合 時，第二組行星齒輪機構的傳動比為1 ；當第二離合器(23)、第四制動器(27)結 合，第三離合器(13)、第三制動器(25)脫開時，第二組行星齒輪機構的傳動比為^ ；當第三離合器(13)、第三制動器(25)結合，第二離合器(23)、第四制動器(27)脫開時，第二組行星齒輪機構的傳動比為; 是另一齒圈(16)的齒"2 Λ2數，瑪是另一太陽輪(14)的齒數。
3.—種具有三檔變速功能的電力無級變速器的動力驅動模式，其特征是由第一組 行星齒輪機構實現三種動力驅動模式間的切換；第一種動力驅動模式是全混合動力驅動模式當第一制動器(7)松開，第二制動器(8)制動，第一離合器(19)松開時，發動機(1)自由旋轉，齒圈(6)固定不 動，外轉子(9)、內轉子(10)均自由轉動；第二種動力驅動模式是純電動驅動模式當第一制動器(7)結合，第二制動器 (8)、第一離合器(19)脫開時，發動機(1)制動，外轉子(9)、內轉子(10)均 自由旋轉，蓄 電池(21)由滑環(3)經外轉子(9)上的電樞繞組向外轉子(9)提供 電能，由內轉子(10)輸出到車輪(29)，當車輛制動時，制動能量由車輪(29)經過 雙轉子電機回收到蓄電池(21)；第三種動力驅動模式是并聯混合動力驅動模式，當第一制動器(7)、第二制動器 (8)均脫開，第一離合器(19)結合時，發動機(1)自由旋轉，第一離合器(19)結 合，五個所述摩擦片結合，使發動機輸出軸(2)、外轉子(9)、內轉子(10)連接成 一體且以同轉速旋轉；外轉子(9)不通電，發動機(1)動力直接通過第一行星齒輪機 構傳遞到內轉子(10)輸出。
全文摘要
本發明公開一種用于運輸車輛上的具有三檔變速功能的電力無級變速器及其動力驅動模式，包括雙轉子電機與兩組行星齒輪機構，第一組行星齒輪機構通過發動機輸出軸連接發動機，第二組行星齒輪機構通過太陽輪軸連接主減速器；雙轉子電機設置在兩組行星齒輪機構之間，雙轉子電機是同軸心布置的三層結構，由第一組行星齒輪機構實現純電動、全混合動力、并聯混合動力驅動模式間的切換，由第二組行星齒輪機構改變傳動比，擴大了傳動比范圍，減小雙轉子電機的體積，提高了功率密度，實現制動時能量的回收。
文檔編號H02K7/18GK102009590SQ20101055516
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者何仁, 梁琳琳 申請人:江蘇大學