一種基于磁場調制的雙機械端口永磁電機的制作方法

本發明屬于永磁電機技術領域，更具體地，涉及一種基于磁場調制的雙機械端口永磁電機。

背景技術：

混合動力汽車是指驅動系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統聯合組成的車輛，因其具有低能耗、高性能的優點，受到各界的關注和青睞。1997年豐田公司發布第一款量產混合動力汽車prius，并在之后不斷推出新版本，出色的性能使其大獲成功。

混合動力汽車的關鍵技術在于混合動力系統。作為最成功的商業化混合動力汽車，prius雖然在不斷推出新版本車型，但是混合動力系統的構架基本不變。豐田prius的混合動力系統由兩臺電機、行星齒輪箱、發動機、主減速器和蓄電池組成，其基本結構如圖1所示。圖中實線代表機械連接，虛線代表電氣連接，行星齒輪箱的三個端口機械轉速存在兩個自由度。通過控制電機2的轉速可以實現負載與發動機之間的轉速解耦；而電機1與齒圈機械連接同速旋轉，通過改變電機1運行工況提供額外轉矩分量，實現負載與發動機的轉矩解耦。最終達到無級變速的目的并實現動力的合成與分離。通過上述結構，發動機的工作狀態完全獨立于車輛運行工況，因而發動機可保持在最佳工作區域，完全由電機控制車輛的運行，這使得prius具有低能耗、高效率且性能優異的特點。但由于行星齒輪箱為純機械裝置，不可避免地存在機械傳動損耗、振動噪聲、潤滑要求高以及維護困難等問題。此外，行星齒輪箱為精密的機械裝置，加工較為復雜，對加工工藝要求極高，整個系統結構復雜，裝配難度高。因而電氣變速裝置被視為下一代混合動力汽車的關鍵技術。

電氣變速裝置往往由兩臺傳統永磁電機復合而成，其中一臺為單轉子結構，另一臺為雙轉子結構，其中雙轉子電機利用滑環、電刷結構將交流電引入電樞轉子，這種結構不可避免地存在粉塵、磨損以及電樞繞組難以冷卻等問題。為克服這一缺陷，有學者采用磁場調制電機與傳統永磁同步電機進行機械耦合的方式搭建混合動力系統。其關鍵部分軸向磁場電磁行星齒輪功率變速器如圖2所示。由于磁場調制電機的調制環轉子、永磁轉子和定子磁場的電磁轉矩、轉速關系與行星齒輪箱的端口特性相似，因而磁場調制電機技術可以實現轉速解耦，最終整個系統可以實現電氣無級變速與動力合成。

由于磁場調制電機本質原理所限以及為取得較大的轉矩輸出的考慮，其永磁轉子極對數一般取值較大，造成的磁鋼極間漏磁遠大于傳統電機，加之雙機械端口結構帶來的多層氣隙結構進一步降低主磁通大小，使得雙機械端口磁場調制電機的功率因數遠低于同定子極數的傳統永磁電機。過低的功率因數意味著磁場調制電機需要配備遠大于系統輸出功率的逆變器，這大大增加了電機系統成本。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于磁場調制的雙機械端口永磁電機，旨在解決由于現有雙機械端口永磁電機主磁通較小，漏磁大導致雙機械端口永磁電機的功率因數過低的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于磁場調制的雙機械端口永磁電機，第一定子、第二定子、永磁轉子、第一調制環轉子以及第二調制環轉子；

第一定子和第二定子結構相同，且第一定子的電樞繞組的極對數與第二定子的電樞繞組的極對數均為p；

永磁轉子內嵌有沿切向充磁的2q個永磁體，且兩個相鄰的永磁體的充磁方向相反；

第一調制環轉子與第二調制環轉子均由n個導磁塊和n個非導磁塊沿圓周方向相間排列構成；且第一調制環轉子的導磁塊與第二調制環轉子的非導磁塊對齊。

本發明提供的基于磁場調制的雙機械端口永磁電機，由于永磁轉子中采用內嵌式切向充磁永磁體結構，同時第一調制環轉子與第二調制環轉子在圓周方向錯開半個極距，使得磁力線極少沿切向穿出導磁塊，且磁力線穿越的氣隙層數減少，等效氣隙較短，因而主磁路的磁導較大。從磁力線分布可知，本發明提供的雙機械端口永磁電機有效地減小了極間漏磁，使得主磁通分量增大。此外，內嵌式切向充磁永磁具有良好的聚磁效果，所以可以進一步提升氣隙主磁通。因此，本發明所提出的永磁轉子構造大大增強了主磁通，減弱了磁場調制電機多極轉子帶來的漏磁問題，能有效提升功率因數。

優選地，第一定子的電樞繞組的極對數p、永磁轉子的極對數q和第一調制環轉子的導磁塊數量n滿足公式n＝p+q。

作為本發明的另一方面，本發明提出了一種電氣變速裝置，包括：

雙機械端口永磁電機，用于實現電氣調速裝置的輸出轉速與輸入轉速解耦；以及

旋轉電機，用于輸出附加轉矩，實現電氣調速裝置的輸出轉矩與輸入轉矩解耦；

旋轉電機的轉軸一端與雙機械端口永磁電機的第一機械端口剛性連接；旋轉電機的轉軸另一端作為電氣變速裝置的輸出端，雙機械端口永磁電機的第二機械端口作為電氣變速裝置的輸入端；

電氣變速裝置輸出端轉矩為雙機械端口永磁電機第二機械端口輸出轉矩與旋轉電機輸出附加轉矩之和；通過調整旋轉電機輸出附加轉矩實現電氣變速裝置輸入端轉矩與輸出端轉矩解耦。

優選地，旋轉電機為永磁電機或三相異步電機。

通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：

1、提出多盤式磁場調制的雙機械端口永磁電機結構，通過相錯放置的調制環轉子與內嵌式切向充磁的永磁轉子的合理排布，減小漏磁增強主磁通，有效提高雙機械端口磁場調制電機功率因數，降低控制系統成本。

2、永磁轉子采用內嵌式切向充磁磁鋼，增大永磁轉子磁鋼放置空間，提高氣隙磁密，而轉矩大小又正比于電機磁負荷，使得電機還具有高功率密度特點，可進一步減小混合動力系統的體積。

3、基于上述磁場調制電機結構提出電氣調速裝置，通過兩臺電機配合實現電氣無級變速，相較于現有的行星齒輪箱的混合動力系統，能夠大大簡化混合動力系統的結構，縮小系統體積，降低系統成本。

附圖說明

圖1為現有的prius混合動力系統的結構示意圖；

圖2為現有的雙機械端口電機的結構示意圖；

圖3為本發明提供的基于磁場調制的雙機械端口永磁電機的結構示意圖；

圖4為本發明提供的基于磁場調制的雙機械端口永磁電機的結構爆炸圖；

圖5為本發明提供的基于磁場調制的雙機械端口永磁電機的二維等效結構圖；

圖6為現有電機的空載磁力線分布與本發明中的雙機械端口永磁電機空載磁力線分布對比圖，其中，圖6(a)為現有電機的空載磁力線分布，圖6(b)為本發明中的雙機械端口永磁電機空載磁力線分布；

圖7為本發明提供的電氣調速裝置的結構示意圖；

其中，1雙機械端口永磁電機，11為第一定子，12為第二定子，13為第一調制環轉子，14為第二調制環轉子，15為永磁轉子，2為離合器，3為旋轉電機，31為旋轉電機的定子，32為旋轉電機的轉子，4為制動器，5為主減速箱，6為曲軸。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

圖3本發明提供的基于磁場調制的雙機械端口永磁電機的結構示意圖，該雙機械端口永磁電機包括第一定子11、第二定子12、第一調制環轉子13、第二調制環轉子14以及永磁轉子15。第一定子11、第二定子12以及永磁轉子15同軸布置，且永磁轉子15位于第一定子11與第二定子12之間。第一調制環轉子13、第二調制環轉子14以及永磁轉子15同軸布置，且第一調制環轉子13位于第一定子11與永磁轉子15之間，第二調制環轉子14位于第二定子12與永磁轉子15之間，第一調制環轉子13與第二調制環轉子14之間剛性連接。

圖4為本發明提供的基于磁場調制的雙機械端口永磁電機的結構爆炸圖，永磁轉子15為在永磁轉子支架內嵌有切向充磁永磁體的結構，永磁轉子支架為導磁材料，第一調制環轉子13與第二調制環轉子14均為由n個導磁塊與n個非導磁塊沿圓周方向相間排列構成，且第一調制環轉子13與第二調制環轉子14在圓周方向相錯半個極距。即第一調制環轉子的非導磁塊與第二調制環轉子的調制塊對齊。第一定子11與第二定子12的結構可以根據需求改變，如槽型、繞組排布方式，不僅限于示意圖中結構。

將雙機械端口永磁電機視為許多圓環疊加，并沿圓周方向展開，其二維等效結構如圖5所示。圖中略去繞組表示，實際中第一定子11與第二定子12的開槽內放置繞組。從圖中可以清晰看到第一調制環轉子的調制塊131和第一調制環轉子的調制塊141相錯排布結構。圖中箭頭表示永磁體的充磁方向，與常見的表貼式永磁轉子不同，本發明所提電機結構的磁鋼為切向充磁，內嵌有沿切向充磁的2q個永磁體151，且兩個相鄰的永磁體的充磁方向相反，永磁轉子15的極對數為q；永磁轉子支架為導磁材料。

第一定子電樞磁場的和第二定子電樞磁場的極對數均為p，兩定子處于靜止狀態，定子電樞繞組中通入交流電產生旋轉的電樞磁場，且第一定子的電樞磁場的轉速與第二定子的電樞磁場的轉速相等；永磁轉子15處于旋轉狀態，產生與電樞磁場極對數、轉速均不相同的永磁磁場；電樞磁場經第一調制環轉子13與第二調制環轉子14的磁場調制作用，在靠近永磁轉子的氣隙中變為與永磁磁場極對數相同且同速旋轉的氣隙磁場，從而產生穩定的轉矩，實現穩定的功率傳輸。第一調制環轉子(或第二調制環轉子)可靜止，也可以一定速度旋轉。

第一定子電樞磁場的極對數p(或第一定子電樞磁場的極對數)，永磁轉子磁場極對數q以及第一調制環轉子導磁塊單元數(或第二調制環轉子導磁塊單元數)n應該滿足如下等式：

n＝p+q(1)

即當第一定子的電樞磁場極對數p和永磁磁場極對數q之和等于第一調制環轉子(或第二調制環轉子)中導磁塊的數量n即可滿足磁場調制原理。

第一定子的電樞磁場(第二定字的電樞磁場)的轉速ω1、第一調制環轉子的轉速ω2(或第二調制環轉子的轉速)和永磁轉子的轉速ω3滿足公式：

pω1+qω3＝nω2(2)

可知本發明提供的雙機械端口永磁電機中轉速有兩個自由度，即永磁轉子的轉速由第一定子的電樞磁場(或第二定子的電樞磁場)的轉速和第一調制環轉子(或第二調制環轉子)轉速共同決定，通過調節定子電樞磁場的轉速可以實現調制環轉子與永磁轉子的轉速解耦。

定子電樞磁場的轉矩t1、第一調制環轉子的轉矩t2(或第二調制環轉子的轉矩)和永磁轉子的轉矩t3滿足如下公式：

可知本發明提供的雙機械端口永磁電機中轉矩只有一個自由度，即三者的電磁轉矩滿足一定的比例關系，改變任何一個，其余都會改變。

為明晰本專利提高電機功率因數的原理，下面將說明影響功率因數高低的因素，并對電機磁場分布做深入分析。電機的功率因數定義為如下公式：

其中，ls為同步電感，ψm為主磁鏈，i為相電流有效值。

由公式(4)可知，在保證電機的電感和相電流基本不變的情況下，增大主磁鏈可以提高功率因數。

圖6為現有電機的空載磁力線分布與本發明中的雙機械端口永磁電機空載磁力線分布對比圖，其中，圖6(a)為現有電機的空載磁力線分布，圖6(b)為本發明中的雙機械端口永磁電機空載磁力線分布，圖中箭頭標記表示調制環轉子與永磁轉子中主磁路走向，圓圈標記為漏磁通。從圖6(b)可以發現，相比較現有電機，本發明提供的雙機械端口永磁電機，磁力線穿過第一定子、第一調制環轉子中導磁塊、永磁轉子中永磁體、第二調制環轉子中導磁塊以及第二定子，構成主磁路。因為磁力線極少切向穿出導磁塊，且穿越的氣隙層數更少，所以本發明中電機的等效氣隙較短，因而主磁路的磁導較大。從磁力線分布可知，新結構有效減小了極間漏磁，使得主磁通分量進一步增大。此外，內嵌式切向充磁磁鋼具有良好的聚磁效果，所以可以進一步提升氣隙磁密。綜上，本發明所提出的調制環轉子與永磁轉子結構大大增強了主磁通，減弱了由于磁場調制電機永磁轉子極對數較多帶來的漏磁問題，能有效提升功率因數。另外，由于新結構的氣隙磁密有效提高，而轉矩大小又正比于電機磁負荷，因而所提電機結構還具有高功率密度的優點。

圖7為本發明提出的電氣變速裝置的結構示意圖，該電氣變速裝置包括本發明提供的雙機械端口永磁電機1和旋轉電機3。雙機械端口永磁電機的第一調制環轉子13用于與發動機曲軸6相連，即第一調制環轉子13作為電氣變速裝置的輸入端，雙機械端口永磁電磁電機的永磁轉子15與旋轉電機的轉子軸一端通過離合器2連接，旋轉電機的轉子軸的另一端作為輸出端與主減速箱5連接，最終接至車輪負載。旋轉電機可以為永磁電機或三相異步電機。雙機械端口永磁電機的轉速有兩個自由度，轉矩具有一個自由度，通過旋轉電機中轉軸與雙機械端口永磁電機的永磁轉子剛性連接，將旋轉電機輸出的附加轉矩增加至雙機械端口永磁電機的永磁轉子上，使得電氣變速裝置的輸出端輸出轉矩為雙機械端口永磁電機的永磁轉子輸出轉矩與旋轉電機輸出附加轉矩之和，通過調整旋轉電機輸出轉矩即可實現電氣變速裝置的轉矩解耦。進而，使得本發明提供的電氣變速裝置可實現轉速與轉矩解耦。因此在發動機運行狀態不變的情況下，僅控制定子電樞磁場就可以改變車輛運行工況，車輛行駛過程中發動機可始終運行于最佳工作區。

本發明提出的電氣變速裝置具有高功率因數、高功率密度特點，且相較于現有的行星齒輪箱的混合動力系統，結構簡單，且體積小。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。