一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心(1)、调制转子和永磁转子，所述定子铁心(1)内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一组为调制绕组(2)，另一组为永磁绕组(3)；所述调制转子包括调制转子铁轭(4)，其与所述调制绕组(2)及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；相邻调制转子铁轭(4)之间设有调制转子永磁体(5)，所述调制转子永磁体(5)为切向励磁结构，其与所述永磁绕组(3)构成永磁电机结构。该发明专利技术还公开了一种包括所述电机的混合动力汽车。本发明专利技术的电机可实现两个机械端口转速与转矩的独立控制，实现绕组无刷化，结构紧凑，且具有较大的输出转矩。

【技术实现步骤摘要】
一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用
本专利技术属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其应用。
技术介绍
混合动力汽车利用机械及电磁装置，将发动机的转速及输出转矩与车轮的转速及转矩完全解耦，从而实现发动机一直工作于高效率区，从而提高车辆的行驶效率。传统的混合动力汽车采用行星齿轮结构虽然能够较为方便地实现这一功能，但机械齿轮结构也带来摩擦损耗、振动噪声、维护较为频繁等固有问题，同时该结构需要一个行星齿轮、两个电机、多个离合器等设备，体积较为庞大。为了解决行星齿轮结构的问题，有学者提出了双机械端口这一概念，该电机具有双转子，从而实现两机械端口状态的完全解耦，即可以利用一套电机系统实现行星齿轮系统的功能，紧凑型大为提升。然而，由于其中一个转子需要设置电枢绕组，需要电刷滑环结构将电流引入旋转电枢中，而电刷滑环结构同样需要定期维护，同时可靠性较低，同时由于电枢旋转，无法使用水冷、油冷等冷却方式，导致电枢电流无法过高，因此输出转矩较低。为了克服这一缺陷，有学者提出了基于磁场调制原理的无刷双机电端口电机。在专利文献CN105375714A公开了一种双机械端口双电端口永磁电机，其将磁场调制电机与普通永磁电机嵌入到同一台电机内，外部定子与永磁体构成一台普通永磁电机，内部定子、调制环与永磁体构成一台磁场调制电机。该结构通过内、外定子绕组的电流频率独立控制两转子的转速，通过普通永磁电机在永磁转子上施加额外转矩实现两转子的转矩解耦，从而利用无刷结构实现双机械端口电机的功能。在该专利中，永磁电机具有双定子和双转子结构，每个定子对应一个独立电端口，每个转子对应一个独立机械端口，其中，两定子的电枢磁场极对数不同，定子I上的绕组与永磁转子和调制转子作用，调制出定子I的电枢磁场，在调制环转速固定时，通过调节定子电枢磁场的转速能够改变永磁转子的转速，从而实现两转子转速独立。定子II上的绕组与永磁转子作用，实现转矩调节功能。但是该双机械端口双电端口永磁电机也存在以下不足：首先，该专利文献中提出的结构具有两个定子和两个转子，之间具有三层气隙，因此对于制造加工的工艺要求高，同时制造过程较为复杂，生产成本较高；其次，该拓扑中永磁体产生的励磁磁场需要穿越三层气隙，其磁路磁阻较大，造成磁场较弱，削弱了电机的转矩输出能力。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机及其在混合动力汽车上的应用，其目的在于，将磁场调制电机以及普通永磁电机整合到单一径向磁通结构中，结构较为紧凑，且其两部分输出转矩能分别接近传统的磁场调制电机以及普通永磁电机，在实现功能的同时维持了较大的转矩密度。为了实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心、调制转子和永磁转子；所述定子铁心内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一组为调制绕组，另一组为永磁绕组；所述调制转子包括调制转子铁轭，其与所述调制绕组及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；相邻调制转子铁轭之间设有调制转子永磁体，所述调制转子永磁体为切向励磁结构，其与所述永磁绕组构成永磁电机结构。进一步地，所述调制绕组(2)的极对数PA、永磁绕组(3)的极对数PA1、调制转子铁轭(4)块数Pf以及永磁转子极对数Pm满足以下关系：进一步地，所述永磁绕组与调制转子之间相互作用产生稳定的电磁转矩Tf1、永磁绕组(3)的电流有效值IA1、电流角ψA1、调制转子的转速nf以及永磁绕组(3)的电流频率fA1之间满足如下关系：Tf1＝k1IA1cosψA1其中，k1为仅与电机尺寸结构有关的常数。进一步地，所述调制转子和永磁转子均受到磁场调制作用产生的转矩,分别为Tf2与Tm，满足：Tf2＝Pfk2IAcosψATm＝Pmk2IAcosψA其中，k2为仅与电机尺寸结构有关的常数，Pf为调制转子铁轭数量；所述永磁转子转速nf、调制转子转速nm以及调制绕组的通电频率fA满足：Pfnf-Pmnm＝60fA调节两套绕组内电流频率fA、有效值IA1及电流角ψA1控制两机械端口转速与转矩。进一步地，所述调制绕组与永磁绕组之间不存在耦合。优选地，所述永磁转子永磁体为表贴式或内置式。优选地，所述定子铁心可放置于所述调制转子和永磁转子的外部或内部，从而构成外转子或内转子结构。按照本专利技术的另一个方面，提供一种混合动力汽车，其包括所述的高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)相比现有的无刷双机电端口电机拓扑，该结构将磁场调制电机以及普通永磁电机整合到单一径向磁通结构中，结构较为紧凑，且其两部分输出转矩能分别接近传统的磁场调制电机以及普通永磁电机，在实现功能的同时维持了较大的转矩密度；(2)电机的两套绕组均放置在定子侧，实现电机无刷化；(3)相比现有拓扑，该电机单定子，双气隙的结构更为紧凑，制造成本远低于三气隙的电机拓扑。附图说明图1为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子外侧；图2为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子内侧；图3为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且永磁转子为内置永磁体结构；图4为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机应用于混合动力汽车的示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—定子铁心，2—调制绕组，3—永磁绕组，4—调制转子铁轭，5—调制转子永磁体，6—永磁转子轭部，7—永磁转子永磁体，8—本专利技术提出的双机电端口电机，9—调制绕组控制器，10—永磁绕组控制器，11—发动机，12—车轮，13—蓄电池。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子外侧；图2为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且定子放置于转子内侧；图3为本专利技术实施例的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，且永磁转子为内置永磁体结构。在本专利技术的优选实施例中，以图1中的结构方案为例，对该电机的工作原理进行说明，其它实施例的高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机结构的工作原理类似。如图1所示，高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机结构中，包含由硅钢片叠压而成的定子铁心1，其中铁心内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，分别记为调制绕组2与永磁绕组3，调制绕组2的极对数为2，永磁绕组3的极对数为11，两套绕组间不存在耦合；如图1所示，高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机还包括调制转子，其置于定子内侧，包括硅钢片构成的沿圆周方向均匀分布的22块呈环状铁轭4以及置于相邻铁轭中间的永磁体5，永磁体为切向励磁，其极对数为11；高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机还包括永磁转子，其由转子铁心及表贴式永磁体7构成，永磁体极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心(1)、调制转子和永磁转子，其特征在于：所述定子铁心(1)内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一组为调制绕组(2)，另一组为永磁绕组(3)；所述调制转子包括调制转子铁轭(4)，其与所述调制绕组(2)及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；相邻调制转子铁轭(4)之间设有调制转子永磁体(5)，所述调制转子永磁体(5)为切向励磁结构，其与所述永磁绕组(3)构成永磁电机结构。

【技术特征摘要】
1.一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其包括环状的定子铁心(1)、调制转子和永磁转子，其特征在于：所述定子铁心(1)内表面开有闭口槽，槽内放置两套极对数不等的绕组，一组为调制绕组(2)，另一组为永磁绕组(3)；所述调制转子包括调制转子铁轭(4)，其与所述调制绕组(2)及所述永磁转子构成磁场调制电机结构；相邻调制转子铁轭(4)之间设有调制转子永磁体(5)，所述调制转子永磁体(5)为切向励磁结构，其与所述永磁绕组(3)构成永磁电机结构。2.根据权利要求1所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述调制绕组(2)的极对数PA、永磁绕组(3)的极对数PA1、调制转子铁轭(4)块数Pf以及永磁转子极对数Pm满足以下关系：3.根据权利要求1或2所述的一种高转矩密度的无刷双机电端口永磁电机，其特征在于，所述永磁绕组与调制转子之间相互作用产生稳定的电磁转矩Tf1、永磁绕组(3)的电流有效值IA1、电流角ψA1、调制转子的转速nf以及永磁绕组(3)的电流频率fA1之间满足如下关系：Tf1＝k1IA1cosψA1其...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲荣海，任翔，李大伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42