徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器的制造方法
【專利摘要】徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，屬于汽車電機領域，本發明為解決現有串聯式、并聯式和混聯式驅動裝置中發動機和系統其他部件不能簡單高效配合，使系統體積笨重、結構復雜、成本偏高、性能受限，不能有效將動力輸出的問題。本發明電機在殼體內并列設置有徑向雙轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，徑向雙轉子電機中帶有q個突起單元的調磁轉子由原動機驅動，其定子形成2p極磁場，由其2n極數永磁轉子的輸出軸輸出所需轉速，且p＝|hn+kq|，其輸出轉速不依賴輸入轉速，實現無級變速；軸徑向轉矩調節電機根據實際負載需要，輸入驅動轉矩或者制動轉矩，滿足負載實際轉矩需求，使得永磁轉子輸出軸輸入和輸出的能量相平衡。
【專利說明】徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種復合結構電機構成的功率分配器，屬于汽車電機領域。
【背景技術】
[0002] 傳統內燃機汽車的燃油消耗和尾氣排放污染是舉世關注的熱點問題。使用電動汽 車可實現低能耗、低排放，但由于作為電動汽車的關鍵部件之一的電池其能量密度、壽命、 價格等方面的問題，使得電動汽車的性價比無法與傳統的內燃機汽車相抗衡，在這種情況 下，融合內燃機汽車和電動汽車優點的混合動力電動汽車發展迅速，成為新型汽車開發的 執占。
[0003] 現有串聯式驅動裝置的特點是：可使發動機不受汽車行駛工況的影響，始終在其 最佳的工作區穩定運行，并可選用功率較小的發動機，但需要功率足夠大的發電機和電動 機，發動機的輸出需全部轉化為電能再變為驅動汽車的機械能，由于機電能量轉換和電池 充放電的效率較低，使得燃油能量的利用率比較低；并聯式驅動裝置能量利用率相對較高， 但發動機工況要受汽車行駛工況的影響，因此不適于變化頻繁的行駛工況，相比于串聯式 結構，需要較為復雜的變速裝置和動力復合裝置以及傳動機構；混聯式驅動裝置融合了串 聯式和并聯式的優點，由于整個驅動系統的能量流動更加靈活，因此發動機、發電機、電動 機等部件能夠進一步得到優化，從而使整個系統效率更高。但是仍然需要較為復雜的變速 裝置和動力復合裝置以及傳動機構。
[0004] 在上述驅動裝置中，存在發動機和系統其他部件不能協調配合的問題，使整個系 統存在體積笨重、結構復雜、耗能大、尾氣排放量大的問題，而不能有效的將動力輸出。
【發明內容】
[0005] 本發明目的是為了解決現有串聯式、并聯式和混聯式驅動裝置中發動機和系統其 他部件不能簡單高效配合，從而使整個系統存在體積笨重、結構復雜、成本偏高、性能受限， 而不能有效地將動力輸出的問題，提供了一種徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配 器。
[0006] 本發明所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，在殼體內并列設置有徑 向雙轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，所述徑向雙轉子電機包括第一定子、第一永磁轉子、 調磁轉子、調磁轉子輸出軸和永磁轉子輸出軸，所述軸徑向轉矩調節電機包括第二定子和 第二永磁轉子，永磁轉子輸出軸同時作為軸徑向轉矩調節電機的轉子軸，
[0007] 所述軸徑向轉矩調節電機的第二定子固定在殼體的內圓表面上，第二永磁轉子固 定在永磁轉子輸出軸上，第二定子與第二永磁轉子之間存在徑向氣隙L3和軸向氣隙L4 ;
[0008] 徑向雙轉子電機的第一定子固定在殼體的內圓表面上，第一定子內部由外向內依 次設置有第一永磁轉子和調磁轉子；調磁轉子固定在調磁轉子輸出軸上，調磁轉子輸出軸 的一端通過第二軸承和第四軸承與第一永磁轉子轉動連接，調磁轉子輸出軸的另一端從殼 體的一個端蓋伸出，且通過第一軸承與殼體轉動連接；第一永磁轉子位于第一定子與調磁 轉子之間，永磁轉子輸出軸的一端固定在第一永磁轉子上，永磁轉子輸出軸的另一端從殼 體的另一個端蓋伸出，且通過第三軸承與殼體轉動連接；
[0009] 第一永磁轉子和第一定子之間存在徑向氣隙L1 ;第一永磁轉子與調磁轉子之間 存在徑向氣隙L2 ;調磁轉子輸出軸和永磁轉子輸出軸的軸線重合；
[0010] 第一定子由第一定子鐵心和m相第一定子繞組構成，第一定子繞組通有m相對稱 交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數；
[0011] 第一永磁轉子為極對數為n的轉子，n為正整數；
[0012] 調磁轉子由調磁轉子鐵心和q個突起單元構成，q個突起單元沿圓周方向均勻分 布排列，q為正整數；
[0013] 且滿足p = |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
[0014] 本發明的優點：本發明所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器為復合結 構的電機，具有兩個轉軸，這兩個轉軸的轉速彼此獨立且轉速可調，兩個轉軸輸出的轉矩彼 此獨立且轉矩可調，這樣可以使一個轉軸實現高速小轉矩運行，另一個轉軸實現低速大轉 矩運行。
[0015] 本發明在與內燃機結合使用時，能使內燃機不依賴于路況，始終運行在最高效率 區，從而降低了燃油消耗和尾氣排放，實現節能降耗；它同時也能取代汽車中變速箱，離合 器和飛輪等部件，使汽車結構簡化，成本降低。它能通過電子器件實現汽車的速度駕駛控 制、寬范圍平穩調速；同時還具有不需要復雜的冷卻裝置、結構簡單、體積小、成本低廉的優 點。它還可應用在不同轉速的兩個機械轉軸同時工作的工業裝置中。
[0016] 本發明屬于無刷結構，克服了有刷復合結構電機因采用電刷滑環饋電結構而導致 的運行效率下降、可靠性降低以及經常需要對電刷等部件進行維護等問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是實施方式二所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器的結構示意 圖；
[0018] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0019] 圖3是實施方式三所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器的結構示意 圖；
[0020] 圖4是圖3的D-D剖視圖；
[0021] 圖5是實施方式四所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器的結構示意 圖；
[0022] 圖6是圖5的E-E剖視圖；
[0023] 圖7是圖1、圖3或圖5的B-B剖視圖；
[0024] 圖8是圖1、圖3或圖5的C-C剖視圖；
[0025] 圖9是實施方式二的原理說明圖；
[0026] 圖10是中國專利CN101951090A所述徑向磁場調制型無刷雙轉子電機的磁路示意 圖；
[0027] 圖11是實施方式二所述徑向雙轉子電機的磁路示意圖；
[0028] 圖12是中國專利CN101951090A所述徑向磁場調制型無刷雙轉子電機的外氣隙磁 場波形示意圖；
[0029] 圖13是中國專利CN101951090A所述徑向磁場調制型無刷雙轉子電機的內氣隙磁 場波形示意圖；
[0030] 圖14是實施方式二所述徑向雙轉子電機的外氣隙磁場波形示意圖；
[0031] 圖15是實施方式二所述徑向雙轉子電機的內氣隙磁場波形不意圖；
[0032] 圖16是中國專利CN101951090A和實施方式二的徑向雙轉子電機的反電勢波形對 比示意圖；圖中實線波形為實施方式二的徑向雙轉子電機的反電勢波形，虛線波形為中國 專利CN101951090A的反電勢波形。
[0033] 圖17是中國專利CN101951090A和實施方式二的徑向雙轉子電機的調磁轉子的電 磁轉矩波形對比示意圖；圖中實線波形為實施方式二的徑向雙轉子電機的調磁轉子的電磁 轉矩波形，虛線波形為中國專利CN101951090A的調磁轉子的電磁轉矩波形。
[0034] 圖18是中國專利CN101951090A和實施方式二的徑向雙轉子電機的永磁轉子的電 磁轉矩波形對比示意圖，圖中實線波形為實施方式二的徑向雙轉子電機的永磁轉子的電磁 轉矩波形，虛線波形為中國專利CN101951090A的永磁轉子的電磁轉矩波形。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0035] 一：下面結合圖1?18說明本實施方式，本實施方式所述徑向-軸 徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，在殼體4內并列設置有徑向雙轉子電機和軸徑向轉矩 調節電機，所述徑向雙轉子電機包括第一定子5、第一永磁轉子6、調磁轉子7、調磁轉子輸 出軸1和永磁轉子輸出軸9,所述軸徑向轉矩調節電機包括第二定子11和第二永磁轉子 12,永磁轉子輸出軸9同時作為軸徑向轉矩調節電機的轉子軸，
[0036] 所述軸徑向轉矩調節電機的第二定子11固定在殼體4的內圓表面上，第二永磁轉 子12固定在永磁轉子輸出軸9上，第二定子11與第二永磁轉子12之間存在徑向氣隙L3 和軸向氣隙L4 ;
[0037] 徑向雙轉子電機的第一定子5固定在殼體4的內圓表面上，第一定子5內部由外 向內依次設置有第一永磁轉子6和調磁轉子7 ;調磁轉子7固定在調磁轉子輸出軸1上，調 磁轉子輸出軸1的一端通過第二軸承3和第四軸承10與第一永磁轉子6轉動連接，調磁轉 子輸出軸1的另一端從殼體4的一個端蓋伸出，且通過第一軸承2與殼體4轉動連接；第一 永磁轉子6位于第一定子5與調磁轉子7之間，永磁轉子輸出軸9的一端固定在第一永磁 轉子6上，永磁轉子輸出軸9的另一端從殼體4的另一個端蓋伸出，且通過第三軸承8與殼 體4轉動連接；
[0038] 第一永磁轉子6和第一定子5之間存在徑向氣隙L1 ;第一永磁轉子6與調磁轉子 7之間存在徑向氣隙L2 ;調磁轉子輸出軸1和永磁轉子輸出軸9的軸線重合；
[0039] 第一定子5由第一定子鐵心5-2和m相第一定子繞組5-1構成，第一定子繞組5-1 通有m相對稱交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數；
[0040] 第一永磁轉子6為極對數為n的轉子，n為正整數；
[0041] 調磁轉子7由調磁轉子鐵心7-1和q個突起單元7-2構成，q個突起單元7-2沿 圓周方向均勻分布排列，q為正整數；
[0042] 且滿足p = |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
[0043] 第一定子鐵心5-2為圓環形，其內圓表面沿軸向開有多個槽，所述多個槽的開口 中心線圍繞調磁轉子輸出軸1均勻分布，第一定子繞組5-1分別嵌入所述槽內形成m相繞 組。
[0044] 調磁轉子鐵心7-1和突起單元7-2選用軟磁復合材料、硅鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧 體。
[0045] 調磁轉子鐵心7-1和q個突起單元7-2為一體件或分立件，突起單元7-2的形狀 隨意。
【具體實施方式】 [0046] 二：下面結合圖1、圖2、圖7?圖18說明本實施方式，本實施方式對 實施方式一作進一步說明，第一永磁轉子6包括轉子支架6-1、n個第一永磁體單元6-2和 n個第二永磁體單元6-3,轉子支架6-1沿圓周方向均勻交錯分布第一永磁體單元6-2和第 二永磁體單兀6-3，n個第一永磁體單兀6-2的充磁方向相同，n個第二永磁體單兀6-3的 充磁方向相同，第一永磁體單兀6-2和第二永磁體單兀6-3充磁方向相反。
[0047] 第一永磁體單元6-2的充磁方向為徑向充磁或沿徑向平行充磁。
[0048] 第二永磁體單元6-3的充磁方向為徑向充磁或沿徑向平行充磁。
[0049] 為了說明本發明的工作原理，本實施方式以圖1所示結構為例進行說明，具體原 理圖參見圖9,調磁轉子輸出軸1和永磁轉子輸出軸9中，被原動機拖動的軸為輸入軸，另一 個則為輸出軸，至于誰為輸入軸，誰為輸出軸，根據工作中的具體要求來定，本實施例以調 磁轉子輸出軸1為輸入軸，永磁轉子輸出軸9為輸出軸。
[0050] 徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器從可實現的功能上分為兩部分：一部 分是徑向雙轉子電機；另一部分是軸徑向轉矩調節電機。徑向雙轉子電機主要實現的功能 是使永磁轉子輸出軸9的轉速不依賴于調磁轉子輸出軸1的轉速，并且使永磁轉子輸出軸9 能夠實現無級變速，同時永磁轉子輸出軸9根據調磁轉子輸出軸1的輸入的轉矩按照一定 的比例輸出相對應的轉矩。軸徑向轉矩調節電機的作用是根據實際負載的需要，輸入驅動 轉矩或者制動轉矩，使永磁轉子輸出軸9最終輸出到負載的轉矩不依賴于調磁轉子輸出軸 1所輸入的轉矩，實現了轉矩的靈活調節。
[0051] 下面詳細分析一下徑向雙轉子電機的工作原理：
[0052] 首先原動機通過調磁轉子輸出軸1以驅動轉矩T驅動調磁轉子7逆時針旋轉，其 旋轉速度為Q m;
[0053] 為了使調磁轉子7所受力矩平衡，此時將第一定子5的第一定子繞組5-1中通入m 相對稱交流電流，在外層氣隙L1和內層氣隙L2中產生2p極數的定子旋轉磁場，所述定子 旋轉磁場的旋轉速度為;
[0054] 所述定子旋轉磁場通過調磁轉子7的磁場調制作用，在外層氣隙L1和內層氣隙L2 中產生與第一永磁轉子6相同極數的旋轉磁場，通過磁場的相互作用，產生的永磁轉矩T pm 作用在永磁轉子6上，且永磁轉矩Tpm的方向為逆時針方向；同時永磁轉子輸出軸9以永磁 轉矩TPM驅動負載；
[0055] 又根據作用力與反作用力的原理可知，存在與永磁轉矩TPM大小相等且方向相反 的力矩T' PM同時作用在調磁轉子7上，T' PM的方向為順時針方向；
[0056] 同時，以速度Q PM旋轉的第一永磁轉子6產生的永磁轉子旋轉磁場通過調磁轉子 7的磁場調制作用，在外層氣隙L1和內層氣隙L2中產生2p極數的旋轉磁場，與定子旋轉 磁場相互作用，可產生定子轉矩Ts，并作用在第一定子5上，且定子轉矩Ts方向為逆時針方 向；
[0057] 根據作用力與反作用力的原理可知，存在與定子轉矩Ts大小相等且方向相反的力 矩T' s同時作用在調磁轉子7上，且方向為順時針方向；
[0058] 因此，調磁轉子7的轉矩1"滿足條件：Tm = T' 3+1% = -〇；+1'")，且方向為順時 針方向；由上述分析可知，作用在調磁轉子7上的轉矩Tm與驅動轉矩T的方向是相反的；當 二者大小相等時，調磁轉子7處于穩定狀態。
[0059] 由此可以看出，調磁轉子7的轉矩Tm是永磁轉矩TPM與定子轉矩T s的合成轉矩。 因此，調磁轉子7的轉矩Tm將大于第一永磁轉子6的輸出轉矩TPM，并且二者具有一定的變 比。
[0060] 本發明的雙轉子結構電機是根據磁場調制原理工作的，由磁場調制原理可推導 出，第一定子5旋轉磁場的旋轉速度、調磁轉子7的旋轉速度^^和第一永磁轉子6的 旋轉速度Q PM滿足關系式（1):
【權利要求】
1. 徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，在殼體（4)內并列設置有 徑向雙轉子電機和軸徑向轉矩調節電機，所述徑向雙轉子電機包括第一定子（5)、第一永磁 轉子（6)、調磁轉子（7)、調磁轉子輸出軸（1)和永磁轉子輸出軸（9)，所述軸徑向轉矩調節 電機包括第二定子（11)和第二永磁轉子（12)，永磁轉子輸出軸（9)同時作為軸徑向轉矩調 節電機的轉子軸， 所述軸徑向轉矩調節電機的第二定子（11)固定在殼體（4)的圓形內圓表面上，第二永 磁轉子（12)固定在永磁轉子輸出軸（9)上，第二定子（11)與第二永磁轉子（12)之間存在 徑向氣隙L3和軸向氣隙L4 ; 徑向雙轉子電機的第一定子（5)固定在殼體（4)的內圓表面上，第一定子（5)內部由 外向內依次設置有第一永磁轉子（6)和調磁轉子（7);調磁轉子（7)固定在調磁轉子輸出 軸（1)上，調磁轉子輸出軸（1)的一端通過第二軸承（3)和第四軸承（10)與第一永磁轉子 (6)轉動連接，調磁轉子輸出軸（1)的另一端從殼體（4)的一個端蓋伸出，且通過第一軸承 (2)與殼體（4)轉動連接；第一永磁轉子（6)位于第一定子（5)與調磁轉子（7)之間，永磁 轉子輸出軸（9)的一端固定在第一永磁轉子（6)上，永磁轉子輸出軸（9)的另一端從殼體 (4)的另一個端蓋伸出，且通過第三軸承（8)與殼體（4)轉動連接； 第一永磁轉子（6)和第一定子（5)之間存在徑向氣隙L1 ;第一永磁轉子（6)與調磁轉 子（7)之間存在徑向氣隙L2 ;調磁轉子輸出軸（1)和永磁轉子輸出軸（9)的軸線重合； 第一定子（5)由第一定子鐵心（5-2)和m相第一定子繞組（5-1)構成，第一定子繞組 (5-1)通有m相對稱交流電流時，形成2p極數的旋轉磁場，m、p為正整數； 第一永磁轉子（6)為極對數為n的轉子，n為正整數； 調磁轉子（7)由調磁轉子鐵心（7-1)和q個突起單元（7-2)構成，q個突起單元（7-2) 沿圓周方向均勻分布排列，q為正整數； 且滿足P= |hn+kq|關系式成立，其中，h是正奇數，k是整數。
2. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，第一 定子鐵心（5-2)為圓環形，其內圓表面沿軸向開有多個槽，所述多個槽的開口中心線圍繞 調磁轉子輸出軸（1)均勻分布，第一定子繞組（5-1)分別嵌入所述槽內形成m相繞組。
3. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，調磁 轉子鐵心（7-1)和突起單元（7-2)均選用軟磁復合材料、硅鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧體。
4. 根據權利要求3所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，調磁 轉子鐵心（7-1)和q個突起單元（7-2)為一體件。
5. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，第 一永磁轉子（6)包括轉子支架（6-1)、n個第一永磁體單元（6-2)和n個第二永磁體單元 (6-3)，轉子支架（6-1)沿圓周方向均勻交錯分布第一永磁體單元（6-2)和第二永磁體單元 (6_3)，n個第一永磁體單兀（6-2)的充磁方向相同，n個第二永磁體單兀（6-3)的充磁方向 相同，第一永磁體單兀（6-2)和第二永磁體單兀（6-3)充磁方向相反。
6. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，第一 永磁轉子（6)包括轉子支架（6-1)、n個第一永磁體單元（6-2)和n個永磁轉子鐵心（6-4)， 轉子支架（6-1)沿圓周方向均勻交錯分布第一永磁體單元（6-2)和永磁轉子鐵心（6-4)，n 個第一永磁體單兀（6-2)的充磁方向相同。
7. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于， 第一永磁轉子（6)包括轉子支架（6-1)、n個第一永磁體單元（6-2)、n個第二永磁體單元 (6-3)和n個永磁轉子鐵心（6-4)，轉子支架（6-1)沿圓周方向均勻交錯分布第一永磁體單 元（6-2)和第二永磁體單元（6-3)，任意相鄰兩個第一永磁體單元（6-2)和第二永磁體單元 (6-3)之間設置一個永磁轉子鐵心（6-4) ;n個第一永磁體單元（6-2)的充磁方向相同，n個 第二永磁體單兀（6-3)的充磁方向相同，第一永磁體單兀（6-2)和第二永磁體單兀（6-3) 充磁方向相反。
8. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，第 二定子（11)由第二定子鐵心（11-1)和m'相第二定子繞組（11-2)構成，第二定子鐵心 (11-1)為圓環形，第二定子鐵心（11-1)的外環表面固定在殼體（4)的內圓表面上，第二定 子鐵心（11-1)的外側壁開有多個環形凹槽，所述多個環形凹槽以永磁轉子輸出軸（9)為 中心均勻分布，第二定子繞組（11-2)分別嵌入所述環形凹槽內形成m'相繞組，m'為正整 數。
9. 根據權利要求1所述徑向-軸徑向磁場電磁行星齒輪功率分配器，其特征在于，第 二永磁轉子（12)由第二永磁轉子鐵心（12-2)和多組永磁體單元構成，第二永磁轉子鐵心 (12-2)為厚圓盤形，固定在永磁轉子輸出軸（9)上，第二永磁轉子鐵心（12-2)的外圓周側 壁上開有圓環形凹槽，凹槽的徑向截面為方形，在所述凹槽內側面上設置有多組第二永磁 體單元，每組永磁體單元由底面永磁體（12-1)和兩塊側面永磁體（12-3)構成，多組第二永 磁體單元以永磁轉子輸出軸（9)為中心沿圓周方向均勻分布，永磁體單元設置在第二永磁 轉子鐵心（12-2)表面上或嵌入第二永磁轉子鐵心（12-2)表面內，每組永磁體單元形成指 向凹槽開口或者背離凹槽開口的磁場，相鄰兩組永磁體單元的充磁方向相反； 底面永磁體（12-1)沿徑向充磁或沿徑向平行充磁，側面永磁體（12-3)軸向充磁，同 組永磁體單元中的兩塊側面永磁體（12-3)的充磁方向相反。
【文檔編號】H02K7/00GK104377916SQ201410757492
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】鄭萍, 白金剛, 張書寬, 程路明, 許兵 申請人:哈爾濱工業大學