專利名稱：一種無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于交流電機(jī)及其控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙轉(zhuǎn)子無 電刷單饋電的雙機(jī)械端口電機(jī)。
背景技術(shù)：
交流電機(jī)調(diào)速方法包括變極調(diào)速和變頻調(diào)速，除此之外，交流感應(yīng)電 動機(jī)還可以變轉(zhuǎn)差調(diào)速。變極調(diào)速不能連續(xù)調(diào)速，應(yīng)用范圍有限。變頻調(diào) 速需要使用和電機(jī)同容量的變頻器，成本高。變轉(zhuǎn)差調(diào)速又分為耗能型和 回饋型變轉(zhuǎn)差調(diào)速，前者調(diào)速時的耗能很大，運行效率低，使用范圍也有 限；后者可以將電機(jī)調(diào)速時的轉(zhuǎn)差能量回送電源，運行效率高，如串極調(diào) 速和雙饋調(diào)速系統(tǒng)。目前雙饋調(diào)速交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有一套三相繞組， 通過集電環(huán)和電刷將轉(zhuǎn)子三相繞組與電能變換器連接，并通過電能變換器 與交流電網(wǎng)交換能量，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
為了消除集電環(huán)和電刷之間的磨損和運行的不可靠性，20世紀(jì)初，Hunt
提出原型自級聯(lián)電機(jī)并于70年代由Broadway等人改進(jìn)成為的無刷雙饋電 機(jī)；Wallace Alan K于1994年設(shè)計一種無刷雙饋電機(jī)，見Wallace Alan K， A
Drive. ICEM, 1994，該電機(jī)定子上有功率繞組和控制繞組，通過能量變換器 調(diào)節(jié)控制繞組與交流電網(wǎng)之間的能量流動，可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電機(jī) 只有一個機(jī)械端口 ，原動機(jī)不能直接傳遞能量到負(fù)載。
上世紀(jì)90年代，瑞典皇家學(xué)院Chandur Sadarangani教授等提出一種可用于混合動力拖動的新型電機(jī)——有刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)(IET),與1997 年發(fā)表了相關(guān)論文，見C Sadamngani， INTEGRATED ENERGY TRANSDUCER FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES ， EMD97 1 -3 September 1997 Conference Publication No. 444 IEE 1997。該電機(jī)有兩個轉(zhuǎn) 子， 一個轉(zhuǎn)子(內(nèi)轉(zhuǎn)子)與原動機(jī)相聯(lián)，另一個轉(zhuǎn)子(外轉(zhuǎn)子)與負(fù)載相 聯(lián)，原動機(jī)可以直接傳遞機(jī)械能到負(fù)載，調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子之間的能 量流動，可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種電機(jī)能量變化靈活多樣，而且電能變換 器的容量通常也可以不用達(dá)到系統(tǒng)總的容量，降低了電能變換器的成本。 但這種電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組需要通過集電環(huán)和電刷弓1出電流，造成電機(jī)運行效 率下降、可靠性降低以及經(jīng)常需要對電刷等部件進(jìn)行維護(hù)等弊端。

實用新型內(nèi)容
本實用新型提出一種無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)，省去了有刷單饋雙機(jī) 械端口電機(jī)的滑環(huán)和和電刷，提高了電機(jī)的運行可靠性，減少了維護(hù)工作
本實用新型的技術(shù)方案為
一種無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)，由機(jī)械部分和電氣部分構(gòu)成。機(jī)械部
分包括內(nèi)轉(zhuǎn)子l、外轉(zhuǎn)子2、轉(zhuǎn)速電機(jī)定子3、轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子12、永磁體9和 固定比例減速齒輪箱13;外轉(zhuǎn)子2與內(nèi)轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)速電機(jī)定子3和轉(zhuǎn)矩電機(jī)定 子12通過軸承轉(zhuǎn)動連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子1與外轉(zhuǎn)子2和轉(zhuǎn)速電機(jī)定子3通過軸承轉(zhuǎn)動 連接；轉(zhuǎn)速電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子1的外表面貼裝永磁體9，固定比例減速齒輪箱13安 放在外轉(zhuǎn)子2上，并位于轉(zhuǎn)速電機(jī)14和轉(zhuǎn)矩電機(jī)15之間；
電氣部分包括轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組6、轉(zhuǎn)速電機(jī)外轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組ll、轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組10和交一直一交電能變換器4;轉(zhuǎn)速電機(jī)外 轉(zhuǎn)子繞組包括第一外轉(zhuǎn)子繞組8和第二外轉(zhuǎn)子繞組7，兩者反相序級聯(lián)；
永磁體9與第一外轉(zhuǎn)子繞組8相對應(yīng)，它們之間的磁場相互耦合；第 二外轉(zhuǎn)子繞組7與轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組6對應(yīng)，它們之間的磁場相互耦合； 轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組11與轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組10相對應(yīng)，它們之間的磁場相 互親合；
轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組6與轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組11通過交一直一交電能變換 器4相接。
所述交一直一交電能變換器4包括整流器4-1和逆變器4-2，整流器4-1 交流側(cè)與轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組6電氣連接，逆變器4-2交流側(cè)與轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子 繞組ll電氣連接，整流器和逆變器的直流側(cè)電氣連接。
所述整流器4-1和逆變器4-2之間并聯(lián)直流電源，所述直流電源為蓄電 池、超級電容和直流電網(wǎng)中的一種。
本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)為本實用新型將永磁體貼于內(nèi)轉(zhuǎn)子外表 面，且只有一套，外轉(zhuǎn)子上有兩套繞組反相序級聯(lián)。電能通過磁場從外轉(zhuǎn) 子繞組感應(yīng)到定子繞組上，儲存到直流電源當(dāng)中。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn) 矩電機(jī)可以從直流電源中吸取能量以平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本實用新型取代了有 刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)的滑環(huán)和電刷，提高了電機(jī)的運行可靠性，減少了 維護(hù)工作量。


圖1為無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)系統(tǒng)原理相當(dāng)于將無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī) 系統(tǒng)分拆成兩個同軸連接的電機(jī)，其中無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)用于控制 外轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速(簡稱轉(zhuǎn)速電機(jī))， 一臺同軸相連的繞線式異步電機(jī)用于調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)矩以平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩(簡稱轉(zhuǎn)矩電機(jī))。
如圖1所示，本實用新型電機(jī)系統(tǒng)由兩臺電機(jī)、 一套交直交能量變換
器4和一個固定比例減速齒輪箱13組成，兩臺電機(jī)分別為無刷單饋雙機(jī)械 端口電機(jī)(簡稱轉(zhuǎn)速電機(jī))14和轉(zhuǎn)矩電機(jī)15。整個系統(tǒng)可分為機(jī)械部分和 電氣部分，機(jī)械部分包括內(nèi)轉(zhuǎn)子l、外轉(zhuǎn)子2、轉(zhuǎn)速電機(jī)定子3和轉(zhuǎn)矩電機(jī) 定子12。轉(zhuǎn)速電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子1的外表面貼裝永磁體9，外轉(zhuǎn)子2與內(nèi)轉(zhuǎn)子1、 定子3和轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子12通過軸承轉(zhuǎn)動連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子1與外轉(zhuǎn)子2和轉(zhuǎn)速 電機(jī)定子3通過軸承轉(zhuǎn)動連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸與內(nèi)燃機(jī)相連，作為動力輸入； 外轉(zhuǎn)子軸與機(jī)械負(fù)載相連，作為動力輸出；
電氣部分包括轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組6、轉(zhuǎn)速電機(jī)外轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)矩電機(jī)定 子繞組ll、轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組10和交一直一交電能變換器4;所述轉(zhuǎn)速電 機(jī)外轉(zhuǎn)子繞組包括第一外轉(zhuǎn)子繞組8和第二外轉(zhuǎn)子繞組7，兩者背靠背相連； 交一直一交電能變換器4包括整流器4-1和逆變器4-2，整流器4-1交流側(cè) 與轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組6電氣連接，逆變器4-2交流側(cè)與轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組 11電氣連接，整流器和逆變器的直流側(cè)互相電氣連接。
整流器4-1和逆變器4-2之間可以并聯(lián)直流電源5，調(diào)整電機(jī)輸入和 輸出機(jī)械功率之間的不平衡。直流電源為蓄電池、超級電容或者直流電網(wǎng) 中的一種。轉(zhuǎn)速電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體9與第一外轉(zhuǎn)子繞組8相對應(yīng)，它們之間的磁
場相互耦合，組成一臺永磁同步發(fā)電機(jī)；第二外轉(zhuǎn)子繞組7與定子繞組6 對應(yīng)，它們之間的磁場相互耦合，組成一臺繞線式異步電機(jī)；內(nèi)燃機(jī)作為 原動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，由于在電動汽車運行的絕大部分時 間里，內(nèi)轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速高于外轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)速，故僅有一部分能量直接傳遞給外 轉(zhuǎn)子用于拖動負(fù)載旋轉(zhuǎn)，其余能量可以通過第二外轉(zhuǎn)子繞組7與定子繞組6 的相互感應(yīng)通過整流器4-1儲存到直流電源5中。
轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組11與轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組10相互耦合，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 增大時，轉(zhuǎn)矩電機(jī)能夠從直流電源5通過逆變橋4-2獲得電能，以增加系統(tǒng) 輸出轉(zhuǎn)矩。為了進(jìn)一步提高輸出轉(zhuǎn)矩，在外轉(zhuǎn)子2上加裝一個固定比例的 減速齒輪箱13，與機(jī)車驅(qū)動輪相連，用以滿足負(fù)載要求。
對于混合動力電動汽車來講，內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常因為受到負(fù)載工況的影響而 頻繁改變工作點，但大部分工作點又不是內(nèi)燃機(jī)工作的高效率點，所以導(dǎo) 致內(nèi)燃機(jī)效率低下，能量損耗嚴(yán)重，但是采用無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)作 為傳動系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)可以工作在一個固定的工作點，而負(fù)載的工況卻可以 任意調(diào)節(jié)，從而使輸入和輸出之間沒有直接的機(jī)械聯(lián)系，內(nèi)燃機(jī)可以長期 工作在高效率工作點，從而提高燃料利用率，降低損耗。而且在電能變換 器中間直流環(huán)節(jié)加入蓄電池，更可以使輸入功率和輸出功率不一定要相等。 由蓄電池彌補(bǔ)輸入同輸出之間的功率差，內(nèi)燃機(jī)的功率也可以不需要隨負(fù) 載工況快速變化而變化，從而可以有效地保證負(fù)載工況頻繁變動的情況下 內(nèi)燃機(jī)始終工作于高效區(qū)。
權(quán)利要求1、一種無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)，由機(jī)械部分和電氣部分構(gòu)成，其特征在于機(jī)械部分包括內(nèi)轉(zhuǎn)子(1)、外轉(zhuǎn)子(2)、轉(zhuǎn)速電機(jī)定子(3)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子(12)、永磁體(9)和固定比例減速齒輪箱(13)；外轉(zhuǎn)子(2)與內(nèi)轉(zhuǎn)子(1)、轉(zhuǎn)速電機(jī)定子(3)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子(12)通過軸承轉(zhuǎn)動連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子(1)與外轉(zhuǎn)子(2)和轉(zhuǎn)速電機(jī)定子(3)通過軸承轉(zhuǎn)動連接；轉(zhuǎn)速電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子(1)的外表面貼裝永磁體(9)，固定比例減速齒輪箱(13)安放在外轉(zhuǎn)子(2)上，并位于轉(zhuǎn)速電機(jī)(14)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)(15)之間；電氣部分包括轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組(6)、轉(zhuǎn)速電機(jī)外轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組(11)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組(10)和交-直-交電能變換器(4)；轉(zhuǎn)速電機(jī)外轉(zhuǎn)子繞組包括第一外轉(zhuǎn)子繞組(8)和第二外轉(zhuǎn)子繞組(7)，兩者反相序級聯(lián)；永磁體(9)與第一外轉(zhuǎn)子繞組(8)相對應(yīng)，它們之間的磁場相互耦合；第二外轉(zhuǎn)子繞組(7)與轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組(6)對應(yīng)，它們之間的磁場相互耦合；轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組(11)與轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組(10)相對應(yīng)，它們之間的磁場相互耦合；轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組(6)與轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組(11)通過交-直-交電能變換器(4)相接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)，其特征在于，所述交一直一交電能變換器(4)包括整流器(4-1)和逆變器(4-2)，整流器 (4-1)交流側(cè)與轉(zhuǎn)速電機(jī)定子繞組(6)電氣連接，逆變器(4-2)交流側(cè) 與轉(zhuǎn)矩電機(jī)定子繞組(11)電氣連接，整流器和逆變器的直流側(cè)電氣連接。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)，其特征在于所 述整流器(4_1)和逆變器(4-2)之間并聯(lián)直流電源，所述直流電源為蓄電 池、超級電容和直流電網(wǎng)中的一種。
專利摘要本實用新型提供了一種無刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)，包括轉(zhuǎn)速電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)、一套交直交能量變換器和固定比例減速齒輪箱。本實用新型將一套永磁體貼于轉(zhuǎn)速電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子外表面，外轉(zhuǎn)子上有兩套繞組反相序級聯(lián)。電能通過磁場從外轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)到定子繞組上，儲存到交直交能量變換器的直流電源中。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)矩電機(jī)從直流電源中吸取能量以平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本實用新型取代了有刷單饋雙機(jī)械端口電機(jī)的滑環(huán)和電刷，提高了電機(jī)的運行可靠性，減少了維護(hù)工作量。
文檔編號H02K7/116GK201323514SQ20082019357
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者萬山明, 珽 龐, 驍 陳, 黃聲華 申請人:華中科技大學(xué)