專利名稱：：無刷雙機(jī)械端口電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)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(dòng)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(shí)的耗能很大，運(yùn)行效率低，使用范圍也有限；后者可以將電機(jī)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)差能量回送電源，運(yùn)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(yùn)行的不可靠性，20世紀(jì)初，Hunt提出原型自級(jí)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)；WallaceAlanK于1994年設(shè)計(jì)一種無刷雙饋電機(jī)，見WallaceAlanK，ADesignProcedureFortheBrushlessDoubly-FedMachineAdjustableSpeedDrive.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(dòng)，可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電機(jī)只有一個(gè)機(jī)械端口，原動(dòng)機(jī)不能直接傳遞能量到負(fù)載。上世紀(jì)90年代，瑞典皇家工學(xué)院的Nordlund等人提出一種雙機(jī)械端口電機(jī)，于2005年發(fā)表論文，見E.Nordlund,TheFour-QuadrantTransducerSystemforHybridElectricVehicles.Doctor'sthesis,RoyalInstituteofTechnology,Stockholm,May,2005,ISBN91-7178-057-2,ISSN1650-674X。該電機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，一個(gè)轉(zhuǎn)子(內(nèi)轉(zhuǎn)子)與原動(dòng)機(jī)相聯(lián)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子(外轉(zhuǎn)子)與負(fù)載相聯(lián)，原動(dòng)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(dòng)，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)和電刷引出電流，造成電機(jī)運(yùn)行效率下降、可靠性降低以及經(jīng)常需要對(duì)電刷等部件進(jìn)行維護(hù)等弊端。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，既有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，又無集電環(huán)和電刷，通過電能變換器調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞的轉(zhuǎn)差能量，克服無刷雙饋電機(jī)原動(dòng)機(jī)不能直接傳遞能量到負(fù)載；雙機(jī)械端口電機(jī)采用電刷結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的運(yùn)行效率下降、可靠性降低、經(jīng)常需要對(duì)電刷等部件進(jìn)行維護(hù)等問題。本實(shí)用新型的一種無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，由機(jī)械部分和電氣部分組成，機(jī)械部分包括由外向內(nèi)依次裝設(shè)的定子、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子的內(nèi)外表面分別貼裝內(nèi)側(cè)永磁體和外側(cè)永磁體，與定子通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子和定子通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子軸與機(jī)械機(jī)構(gòu)相連，作為動(dòng)力輸出或者輸入；電氣部分包括定子繞組、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組和交一直一交電能變換器，其特征在于所述定子繞組包括定子功率繞組和定子感應(yīng)繞組；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組包括轉(zhuǎn)子功率繞組和轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組；轉(zhuǎn)子功率繞組與外轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)永磁體對(duì)應(yīng)，它們之間的磁場(chǎng)相互耦合；轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組與定子感應(yīng)繞組對(duì)應(yīng)，它們之間的磁場(chǎng)相互耦合；定子功率繞組與外轉(zhuǎn)子的外側(cè)永磁體對(duì)應(yīng)，它們之間的磁場(chǎng)相互耦合；定子的兩套繞組通過交一直一交電能變換器相連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子兩套繞組直接內(nèi)部串聯(lián)。所述的無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，其特征在于所述交一直一交電能變換器包括整流器和逆變器，整流器交流側(cè)與定子感應(yīng)繞組電氣壤接，逆變器交流側(cè)與定子功率繞組電氣連接，整流器和逆變器的直流側(cè)互相電氣連接。所述的無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，其特征在于所述整流器和逆變器之間并聯(lián)直流電源，調(diào)整電機(jī)輸入和輸出機(jī)械功率之間的不平衡，所述直流電源為蓄電池、超級(jí)電容或者直流電網(wǎng)中的一種。當(dāng)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子功率繞組與內(nèi)側(cè)永磁體，轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組與定子感應(yīng)繞組，定子功率繞組與外側(cè)永磁體構(gòu)成三套電磁耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械能與電、磁能量轉(zhuǎn)換。電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)子功率繞組與內(nèi)側(cè)永磁體產(chǎn)生電磁耦合，感應(yīng)出電能，并且同時(shí)會(huì)將其部分機(jī)械能傳遞給外轉(zhuǎn)子使其旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組與定子感應(yīng)繞組發(fā)生電磁耦合，將產(chǎn)生的電能傳遞給定子感應(yīng)繞組，再經(jīng)過電能變換器傳遞給定子功率繞組，然后定子功率繞組與外側(cè)永磁體也存在電磁耦合關(guān)系，又將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給外轉(zhuǎn)子。內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差折合成頻率，也就是轉(zhuǎn)差頻率是和內(nèi)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流的頻率相等的，而這個(gè)頻率又和定子感應(yīng)繞組中感應(yīng)的電流頻率是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，換言之，如果電能變換器能夠改變定子感應(yīng)繞組中電流的頻率，也就可以改變內(nèi)轉(zhuǎn)子中電流的頻率，如果原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，就可以改變外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，相當(dāng)于對(duì)負(fù)載調(diào)速。這個(gè)原理同雙饋調(diào)速的原理是類似的，區(qū)別在于這里調(diào)節(jié)的其實(shí)是轉(zhuǎn)差。本實(shí)用新型繼承了雙機(jī)械端口電機(jī)具有兩個(gè)機(jī)械端口，兩個(gè)電端口，四個(gè)端口均可作為能量的輸入、輸出，能量變換靈活，運(yùn)行工況多種多樣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，在無電刷的情況下實(shí)現(xiàn)能量雙饋，免去了對(duì)電刷等部件經(jīng)常維護(hù)更換的麻煩，減小了機(jī)械損耗，提高了系統(tǒng)效率以及可靠性。此外，本實(shí)用新型采用的電能變換器是交一直一交型電能變換器，在中間的直流環(huán)節(jié)再加入儲(chǔ)能裝置，則能量的變換受到的約束更少，變化情況更為多樣，適合多種工況運(yùn)行，滿足復(fù)雜的運(yùn)行要求。圖l是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖2是本實(shí)用新型在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3是本實(shí)用新型在圖2實(shí)施方式下的一種工況示意圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本實(shí)用新型由機(jī)械部分和電氣部分組成，機(jī)械部分包括由內(nèi)向外依次裝設(shè)的內(nèi)轉(zhuǎn)子l、外轉(zhuǎn)子2和定子3，外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面貼裝內(nèi)側(cè)永磁體10，外表面貼裝外側(cè)永磁體11，外轉(zhuǎn)子2與定子3通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子1與外轉(zhuǎn)子2和定子3通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子軸與機(jī)械機(jī)構(gòu)相連，作為動(dòng)力輸出或者輸入；電氣部分包括定子繞組及內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組和電能變換器，所述定子繞組包括定子功率繞組8和定子感應(yīng)繞組9;所述內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組包括轉(zhuǎn)子功率繞組6和轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組7;定子的兩套繞組通過交一直一交電能變換器4相連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子兩套繞組直接內(nèi)部串聯(lián)。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)與定子感應(yīng)繞組9電氣連接，逆變器4-2交流側(cè)與定子功率繞組8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。圖2所示為本實(shí)用新型在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，汽車內(nèi)燃機(jī)16與內(nèi)轉(zhuǎn)子1相連，作為原動(dòng)機(jī)輸入，外轉(zhuǎn)子2與汽車的驅(qū)動(dòng)輪17相連，作為機(jī)械負(fù)載。同時(shí)，定子的兩套繞組之間采用交一直—交電能變換器4、其中整流器4-l，逆變器4-2，在交一直一交電能變換器4的直流環(huán)節(jié)中，直流電源5為蓄電池，作為功率的補(bǔ)充。如圖3所示，當(dāng)汽車內(nèi)燃機(jī)16以恒定轉(zhuǎn)速和功率旋轉(zhuǎn)時(shí)，拖動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子1同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為"m,，輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為Tm,，原動(dòng)機(jī)的輸入功率為Pm產(chǎn)"tnlTml。外轉(zhuǎn)子2的內(nèi)外表面均貼裝永磁體，當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，內(nèi)轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)子功率繞組6與內(nèi)側(cè)永磁體10相互作用，在空間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tfl，電磁轉(zhuǎn)矩Tfl相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子是制動(dòng)性質(zhì)的，對(duì)于外轉(zhuǎn)子是拖動(dòng)性質(zhì)的。由于電磁轉(zhuǎn)矩Tn的存在，內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)必定帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子同方向旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為"m2，而且，"m2<^ml，這樣，內(nèi)轉(zhuǎn)子就將一部分機(jī)械功率直接傳遞給了外轉(zhuǎn)子，由內(nèi)轉(zhuǎn)子直接傳遞給外轉(zhuǎn)子的功率Pd二"m2*Tfl。另一部分功率則轉(zhuǎn)化為內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組中的電功率Pe,。內(nèi)轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組7與定子中的定子感應(yīng)繞組9之間存在感應(yīng)作用，將這部分電能通過感應(yīng)的方式傳遞到定子感應(yīng)繞組9中。在傳遞這部分電能的過程中，轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組7與定子感應(yīng)繞組9相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tc，電磁轉(zhuǎn)矩Tf3相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子來說也是制動(dòng)性質(zhì)的。電功率Pe,經(jīng)過整流器4-l，同蓄電池產(chǎn)生能量交換，電功率為&，這個(gè)功率可能是蓄電池吸收的，也可能是蓄電池發(fā)出的功率，電功率pei與電功率Ps經(jīng)過逆變器4-2被送入到定子功率繞組8中，此時(shí)的電功率大小為Pe2。定子功率繞組8同外側(cè)永磁體11之間也存在電磁耦合，從而在定子3和外轉(zhuǎn)子2之間也產(chǎn)生一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Te，外轉(zhuǎn)子上就受到兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Tfl和Te的共同作用，而外轉(zhuǎn)子2最終的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩要同這兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，所以輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩T^二Tf,+Te，外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為"m2，所以總的輸出機(jī)械功率為Pm2="m2Tm2。如果不考慮損耗和與外界能量交換，在這套系統(tǒng)中，pel必然等于pe2，從而pml=pm2，整個(gè)系統(tǒng)的出入機(jī)械能和輸出機(jī)械能是平衡的，但是經(jīng)過中間環(huán)節(jié)將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，就改變了輸入和輸出之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車來講，內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常因?yàn)槭艿截?fù)載工況的影響而頻繁改變工作點(diǎn)，但大部分工作點(diǎn)又不是內(nèi)燃機(jī)工作的高效率點(diǎn)，所以導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)效率低下，能量損耗嚴(yán)重，但是采用無刷雙機(jī)械端口電機(jī)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)可以工作在一個(gè)固定的工作點(diǎn)，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(diǎn)，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(dòng)的情況下內(nèi)燃機(jī)始終工作于高效區(qū)。權(quán)利要求1.一種無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，由機(jī)械部分和電氣部分組成，機(jī)械部分包括由外向內(nèi)依次裝設(shè)的定子、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子的內(nèi)外表面分別貼裝內(nèi)側(cè)永磁體和外側(cè)永磁體，與定子通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子和定子通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子軸與機(jī)械機(jī)構(gòu)相連，作為動(dòng)力輸出或者輸入；電氣部分包括定子繞組、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組和交-直-交電能變換器，其特征在于所述定子繞組包括定子功率繞組和定子感應(yīng)繞組；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組包括轉(zhuǎn)子功率繞組和轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組；轉(zhuǎn)子功率繞組與外轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)永磁體對(duì)應(yīng)，它們之間的磁場(chǎng)相互耦合；轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組與定子感應(yīng)繞組對(duì)應(yīng)，它們之間的磁場(chǎng)相互耦合；定子功率繞組與外轉(zhuǎn)子的外側(cè)永磁體對(duì)應(yīng)，它們之間的磁場(chǎng)相互耦合；定子的兩套繞組通過交-直-交電能變換器相連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子兩套繞組直接內(nèi)部串聯(lián)。2.如權(quán)利要求l所述的無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，其特征在于所述交一直一交電能變換器包括整流器和逆變器，整流器交流側(cè)與定子感應(yīng)繞組電氣連接，逆變器交流側(cè)與定子功率繞組電氣連接，整流器和逆變器的直流側(cè)互相電氣連接。3.如權(quán)利要求2所述的無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，其特征在于所述整流器和逆變器之間并聯(lián)直流電源，調(diào)整電機(jī)輸入和輸出機(jī)械功率之間的不平衡，所述直流電源為蓄電池、超級(jí)電容或者直流電網(wǎng)中的一種。專利摘要無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，屬于交流電機(jī)及其控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，克服無刷雙饋電機(jī)原動(dòng)機(jī)不能直接傳遞能量到負(fù)載；雙機(jī)械端口電機(jī)采用電刷結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的效率、可靠性降低，經(jīng)常需要進(jìn)行維護(hù)等問題。本實(shí)用新型機(jī)械部分包括定子、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子的內(nèi)外表面分別貼裝內(nèi)側(cè)永磁體和外側(cè)永磁體；電氣部分定子繞組包括定子功率繞組和定子感應(yīng)繞組，內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組包括轉(zhuǎn)子功率繞組和轉(zhuǎn)子感應(yīng)繞組；定子的兩套繞組通過交—直—交電能變換器相連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子兩套繞組直接內(nèi)部串聯(lián)。本實(shí)用新型具有兩個(gè)機(jī)械端口，兩個(gè)電端口，四個(gè)端口均可作為能量的輸入、輸出，能量變換靈活，運(yùn)行工況多種多樣，同時(shí)，免去對(duì)電刷等部件經(jīng)常維護(hù)更換，減小機(jī)械損耗，提高系統(tǒng)效率及可靠性。文檔編號(hào)H02K16/00GK201075797SQ20072008722公開日2008年6月18日申請(qǐng)日期2007年9月21日優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日發(fā)明者萬山明,珽龐,黃聲華申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)