專利名稱：雙機械端口電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有雙機械端口的電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)，特別涉及混合動力車輛用統(tǒng)一磁場的雙機械端口電機及其驅(qū)動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當前，可以用于機械能和電能分配與傳遞的裝置包括由行星齒輪和兩個電機(兼有電動和發(fā)電功能)及其驅(qū)動控制組成的系統(tǒng)，和雙轉(zhuǎn)子電機加傳統(tǒng)電機及其驅(qū)動控制構(gòu)成的系統(tǒng)。
專利WO0034066和EP1481463都公開了一種雙轉(zhuǎn)子的電機。WO0034066的雙轉(zhuǎn)子電機有徑向磁場方案、軸向磁場方案和徑向--軸向磁場混合方案。徑向磁場雙轉(zhuǎn)子電機的最外層是定子，中間層是外轉(zhuǎn)子，最內(nèi)層是內(nèi)轉(zhuǎn)子。如

圖1所示，其中外轉(zhuǎn)子可以分為三部分，中間部分是鐵心軛部，其他兩部分分別為向外、向內(nèi)的兩組齒槽用于安裝內(nèi)外兩套繞組，外轉(zhuǎn)子分別與定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成機械上耦合而電磁分離的兩個電機。由圖2中的外轉(zhuǎn)子局部示意圖可以看到，這種電機的外轉(zhuǎn)子做的非常厚，分別為內(nèi)電機和外電機提供圓周方向的磁路。EP1481463在WO0034066的基礎(chǔ)上進行了改進，EP1481463進一步提出使內(nèi)外兩個電機不僅在機械上連接，在磁路上也部分耦合。為了兼顧兩個電機分別弱磁的工況，如圖3和圖4所示，它用外轉(zhuǎn)子軛部以提供外電機的圓周方向磁路。這種電機的外轉(zhuǎn)子還是比較厚，重量較大，其弱磁需要較大的弱磁電流來抵消永磁體產(chǎn)生的磁場，從而加大了電機損耗，引起電機的溫升。
專利WO0034066的這種雙轉(zhuǎn)子電機作為兩個單獨的電機進行控制，在控制方法上可以沿用傳統(tǒng)的電機控制方法。專利EP1481463沒有提及磁場的耦合給控制帶來的困難及其解決這個問題的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種統(tǒng)一磁場雙機械端口電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)，本發(fā)明應(yīng)用于混合動力汽車，以減輕轉(zhuǎn)子體積和重量，降低制造難度，提高效率和功率密度。
本發(fā)明根據(jù)雙機械端口電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式可形成徑向磁通結(jié)構(gòu)和軸向磁通結(jié)構(gòu)兩種形式。
本發(fā)明徑向磁通結(jié)構(gòu)形式雙機械端口電機由圓柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子、圓筒形結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子包括外圓周開有齒槽的鐵心和位于齒槽中的內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心由齒槽和軛部組成，構(gòu)成了第二機械端口；在內(nèi)轉(zhuǎn)子外圍是提供統(tǒng)一磁場通路與勵磁的外轉(zhuǎn)子，即第一機械端口。在外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間形成的氣隙為內(nèi)氣隙，即第二氣隙。在外轉(zhuǎn)子的外圍是在內(nèi)圓周上開有齒槽的鐵心和位于齒槽中的外轉(zhuǎn)子繞組的定子，定子鐵心由齒槽和軛部組成。在外轉(zhuǎn)子和定子之間形成的氣隙為外氣隙，即第一氣隙。內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、定子之間軸心重合。定子繞組可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第一電氣端口。內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第二電氣端口。
徑向磁通結(jié)構(gòu)的雙機械端口電機的外轉(zhuǎn)子為圓筒形狀，沿著與外轉(zhuǎn)子的中心軸平行的方向稱為軸向，與外轉(zhuǎn)子的中心軸垂直的方向稱為徑向。本發(fā)明的電機外轉(zhuǎn)子的特點為徑向厚度薄于現(xiàn)有技術(shù)中的徑向磁通雙轉(zhuǎn)子電機外轉(zhuǎn)子。
外轉(zhuǎn)子框架有多種形式1、沿著與外轉(zhuǎn)子框架中心軸平行的方向，在框架的圓周上以預定間隔開槽，槽深貫穿外轉(zhuǎn)子壁，并且向外圓周的槽口寬度小于向內(nèi)圓周的槽口，在槽中嵌入永磁體或填充非導磁材料。
2、沿著與外轉(zhuǎn)子框架中心軸平行的方向，在框架的圓周上以預定間隔沿軸向開矩形槽，矩形槽的徑向?qū)挾刃∮谕廪D(zhuǎn)子的徑向厚度，并且所述矩形槽在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周和外圓周上均不開口，在凹槽中埋入永磁體或填充非導磁材料。
3、沿著與外轉(zhuǎn)子框架的中心軸平行的方向，在框架的外圓周上以預定間隔開出凹槽，凹槽的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子的徑向厚度，凹槽的開口在外轉(zhuǎn)子的外圓周上，并且向外圓周的槽口寬度小于槽底的寬度，在凹槽中埋入永磁體或填充非導磁材料。
4、沿著外轉(zhuǎn)子框架中心軸平行的方向，在框架的內(nèi)圓周上以預定間隔開出凹槽，凹槽的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子的徑向厚度，凹槽的開口在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周上，在凹槽中埋入永磁體或填充非導磁材料。
上述四種結(jié)構(gòu)中，若框架由導磁或不導磁材料制成的，槽中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體；若框架由導磁材料制成，則槽中填充非導磁材料。
5、亦可沿著外轉(zhuǎn)子框架的中心軸平行的方向，在導磁材料制成的框架的內(nèi)圓周和外圓周上分別以預定間隔開出凹槽，在槽中填充非導磁材料。
6、還可以沿著外轉(zhuǎn)子框架的中心軸平行的方向，在導磁材料制成的框架內(nèi)圓周和外圓周上分別以預定間隔開出凹槽，在槽中放置導條或繞組，并且將所有槽中的導條或繞組兩端分別用導體連接。
本發(fā)明軸向磁通結(jié)構(gòu)形式雙機械端口電機由圓盤結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子、第二轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。第二轉(zhuǎn)子上包括開有齒槽的鐵心和位于齒槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組，第二轉(zhuǎn)子的鐵心由軛部和徑向形成于轉(zhuǎn)子盤面上的轉(zhuǎn)子齒槽組成，構(gòu)成了第二機械端口；并列在第二轉(zhuǎn)子旁邊是提供統(tǒng)一磁場通路與勵磁的第一轉(zhuǎn)子，即第一機械端口；在第二轉(zhuǎn)子和第一轉(zhuǎn)子之間形成的氣隙為第二氣隙。并列在第一轉(zhuǎn)子的旁邊是由定子軛部、徑向形成于定子盤面上的定子齒槽和位于定子齒槽內(nèi)的定子繞組構(gòu)成的定子，在第一轉(zhuǎn)子和定子之間形成的氣隙為第一氣隙。第一轉(zhuǎn)子、第二轉(zhuǎn)子和定子之間軸心重合。定子繞組可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第一電氣端口。第二轉(zhuǎn)子繞組可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第二電氣端口。
第一轉(zhuǎn)子為圓盤形狀，沿著與第一轉(zhuǎn)子的中心軸平行的方向稱為軸向，與第一轉(zhuǎn)子的中心軸垂直的方向稱為徑向。本發(fā)明的電機的第一轉(zhuǎn)子的特點為軸向厚度薄于現(xiàn)有技術(shù)中的軸向磁通雙轉(zhuǎn)子電機外轉(zhuǎn)子軸向厚度。
第一轉(zhuǎn)子的框架有多種形式1、沿著第一轉(zhuǎn)子框架的徑向，在框架的圓周上以預定間隔開出槽，槽貫穿了第一轉(zhuǎn)子壁，在槽中嵌入永磁體或填充非導磁材料。
2、沿著第一轉(zhuǎn)子框架的徑向，在框架的圓周上以預定間隔開出凹槽，所開出的凹槽的軸向深度小于第一轉(zhuǎn)子的軸向厚度，在凹槽中埋入永磁體或填充非導磁材料。
3、沿著第一轉(zhuǎn)子框架的徑向，在框架的外圓周上以預定間隔開出凹槽，凹槽的軸向深度小于第一轉(zhuǎn)子的軸向厚度，并且所述凹槽的開口面向定子，在槽中埋入永磁體或填充非導磁材料。
4、沿著第一轉(zhuǎn)子框架的徑向，在框架的內(nèi)圓周上以預定間隔開出凹槽，所開出的凹槽的徑向深度小于第一轉(zhuǎn)子的徑向厚度，并且所述凹槽的開口面向第二轉(zhuǎn)子，在槽中埋入永磁體或填充非導磁材料。
上述四種結(jié)構(gòu)中，若框架由導磁或不導磁材料制成的，槽中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體；若框架由導磁材料制成，則槽中填充非導磁材料。
5、亦可沿著第一轉(zhuǎn)子框架的徑向，在導磁材料制成的框架的兩面上分別以預定間隔開出凹槽，在槽中填充非導磁材料。
6、還可以沿著第一轉(zhuǎn)子框架的徑向，在由導磁材料制成的框架的兩面上分別以預定間隔開出凹槽，在槽中放置導電材料，并且將所有槽中的導體兩端分別用導電材料連接。
本發(fā)明的雙機械端口電機的機械端口不限于前面描述的旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也包括進行直線運動的動子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的電機還可以是兩個機械端口均為直線運動的動子，或其中一個機械端口為直線運動的動子，另一個機械端口為旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)子的形式。
本發(fā)明雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)由一個電機控制單元、一個直流電源和兩個逆變器構(gòu)成。兩個逆變器的直流輸入端通過同一個直流母線與直流電源相連。電機控制單元由中央處理單元CPU，存儲單元RAM/ROM和外圍的通訊、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模塊構(gòu)成，它通過信號線分別與兩個逆變器以及雙機械端口電機相連?？刂茊卧騼蓚€逆變器的開關(guān)管發(fā)出控制信號，同時接收采集到的雙機械端口電機和逆變器的輸出信號。
本發(fā)明還提供了上述雙機械端口電機的另一種驅(qū)動控制系統(tǒng)。該裝置包括一個電機控制單元、一個直流電源、一個直流-直流變換環(huán)節(jié)和兩個逆變器構(gòu)成。通過一個直流一直流變換環(huán)節(jié)將兩個逆變器的直流輸入端和直流電源連接。電機控制單元由中央處理單元CPU，存儲單元RAM/ROM和外圍的通訊、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模塊構(gòu)成，它通過信號線分別與直流-直流變換環(huán)節(jié)、兩個逆變器以及雙機械端口相連?？刂茊卧騼蓚€逆變器和直流-直流變換環(huán)節(jié)發(fā)出控制信號，同時接收采集到的雙機械端口電機、逆變器和直流-直流變換環(huán)節(jié)的輸出信號。
上述本發(fā)明電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)中的直流一直流變換環(huán)節(jié)可以為Z-source形式，Cuk形式，boost形式，以及其他的直流一直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。
上述的兩種驅(qū)動控制系統(tǒng)中采用的逆變器的相數(shù)根據(jù)本發(fā)明的雙機械端口電機繞組的相數(shù)做相應(yīng)的變化。當本發(fā)明電機第一電氣端口、第二電氣端口均為三相時，逆變器為兩個三相逆變器；當電氣端口的相數(shù)為多相時，與之相連的逆變器也為多相。根據(jù)兩個電氣端口相數(shù)的不同組合，存在多種雙機械端口電機的形式和多種驅(qū)動控制系統(tǒng)。
上述雙機械端口電機的驅(qū)動控制方法包括以下步驟首先，根據(jù)需要設(shè)定雙機械端口電機工作點，即第一機械端口和第二機械端口的目標轉(zhuǎn)矩或者目標轉(zhuǎn)速，然后通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測雙機械端口電機兩個機械端口的轉(zhuǎn)速，通過電流傳感器和電壓傳感器測量第一電氣端口和第二電氣端口的電流和電壓值，并且分別進行坐標變換轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標下的電流電壓值。接著，基于第一機械端口和第二機械端口的目標轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速環(huán)控制器來設(shè)定施加于第一電氣端口和第二電氣端口的靜止坐標系下的目標電流值。根據(jù)所得到的目標電流值與坐標變換后的實測電流值的偏差通過比例積分控制器來設(shè)定目標電壓值。這樣設(shè)定的第一電氣端口的電壓值經(jīng)過坐標變換轉(zhuǎn)換成自然坐標系下的電壓值，設(shè)定的第一電氣端口的電壓值經(jīng)過坐標變換轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子坐標系下電壓值。最后，逆變器根據(jù)得到的電壓值，通過脈寬調(diào)制后施加于雙機械端口電機第一電氣端口和第二電氣端口。
轉(zhuǎn)速環(huán)控制器設(shè)定電流的步驟如下首先，第二機械端口的目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過比例積分控制器可得出第二機械端口所需的目標轉(zhuǎn)矩。第一電氣端口的實測電壓減去電阻壓降通過積分，即可觀測出與第一電氣端口交鏈的磁鏈。由此目標轉(zhuǎn)矩除以第一電氣端口交鏈的磁鏈的幅值，再擴大一定倍數(shù)(匝比)就可以得到第一電氣端口所需電流的大?。辉俑鶕?jù)磁鏈的相位來確定電流的相位，當目標轉(zhuǎn)矩為正時，電流超前于磁鏈90度；當目標轉(zhuǎn)矩為負時，電流滯后于磁鏈90度。同樣，第一機械端口的目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過比例積分控制器可得出第一機械端口所需的目標轉(zhuǎn)矩。由此目標轉(zhuǎn)矩除以第一電氣端口交鏈的磁鏈的幅值就可以得到第一電氣端口所需電流的大小；再根據(jù)磁鏈的相位來確定電流的相位，當目標轉(zhuǎn)矩為正時，電流超前于磁鏈90度；當目標轉(zhuǎn)矩為負時，電流滯后于磁鏈90度。
上述的控制方法中，同樣可以采用第二電氣端口的實測電壓減去自身的電阻壓降通過積分，觀測出與第二電氣端口交鏈的磁鏈。
本發(fā)明上述雙機械端口電機還可以有另一種驅(qū)動控制方法。該方法包括以下步驟首先，設(shè)定雙機械端口電機工作點，即第一機械端口和第二機械端口的目標轉(zhuǎn)矩或者目標轉(zhuǎn)速。然后，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測雙機械端口電機第一機械端口和第二機械端口的轉(zhuǎn)速，基于第二機械端口的目標轉(zhuǎn)速和第一機械端口的目標轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速環(huán)控制器來設(shè)定施加于第一電氣端口和第二電氣端口的同步旋轉(zhuǎn)坐標系的目標電流值。根據(jù)所得到的目標電流值與坐標變換后的實測電流值的偏差通過比例積分控制器來設(shè)定目標電壓值。最后，這樣設(shè)定的電壓值經(jīng)過坐標變換轉(zhuǎn)換為自然坐標系下的電壓設(shè)定值。最后，逆變器根據(jù)得到的電壓值，通過脈寬調(diào)制后施加于雙機械端口電機第一電氣端口和第二電氣端口。
上述發(fā)明中的轉(zhuǎn)速環(huán)控制器設(shè)定電流的方法如下設(shè)定第一電氣端口和第二電氣端口電流，使它們滿足第一電氣端口的電流在第二機械端口上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零；也可以通過設(shè)定第一電氣端口和第二電氣端口電流，使它們滿足第二電氣端口電流在第一機械端口上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零。
本發(fā)明電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)中如果采用包括直流一直流變換環(huán)節(jié)的雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)時，上述控制方法還包括下述步驟用電壓傳感器采集直流一直流變換環(huán)節(jié)輸出的母線直流電壓，同時根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的兩個機械端口的實際轉(zhuǎn)速和觀測到的磁鏈，確定兩個電氣端口分別所需的直流母線電壓，根據(jù)其中較大的一項調(diào)整直流一直流變換環(huán)節(jié)的輸出電壓，使直流一直流變換環(huán)節(jié)的實際輸出同時滿足兩個電氣端口的需要。
本發(fā)明雙機械端口電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)應(yīng)用于混合動力汽車時，雙機械端口電機的第二機械端口直接與內(nèi)燃機輸出軸連接，第一機械端口通過變速齒輪和車輪連接。一個雙機械端口電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的兩個逆變器分別給雙機械端口電機的第一電氣端口和第二電氣端口供電。
上述應(yīng)用于混合動力汽車的本發(fā)明雙機械端口電機可以采用徑向磁通或軸向磁通的雙機械端口電機或者其他類似的雙機械端口電機；其驅(qū)動裝置也可以采用包括直流一直流變換環(huán)節(jié)的雙機械端口電機驅(qū)動控制系統(tǒng)或者不包括直流一直流變換環(huán)節(jié)的雙機械端口電機驅(qū)動控制系統(tǒng)或者其他類似的驅(qū)動控制系統(tǒng)。
上述應(yīng)用于混合動力汽車的本發(fā)明驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制方法如下為方便描述，以下稱內(nèi)燃機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速，雙機械端口電機的第一機械端口輸出到變速齒輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和車速。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等于車速時，第一電氣端口目標電流給定為零，即不進行控制；第二電氣端口施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速小于車速時，第一電氣端口目標電流給定為零，即不進行控制；第二電氣端口施加一個與第一機械端口同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第二機械端口轉(zhuǎn)速之和與第一機械端口的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速大于車速時，第一電氣端口目標電流給定為零，即不進行控制；第二電氣端口施加一個與第一機械端口反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第一機械端口轉(zhuǎn)速之和與第二機械端口轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速小于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第二機械端口轉(zhuǎn)速之和與第一機械端口的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速大于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第一機械端口轉(zhuǎn)速之和與第二機械端口轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速小于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第二機械端口轉(zhuǎn)速之和與第一機械端口的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位。
當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速大于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第一機械端口轉(zhuǎn)速之和與第二機械端口轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1專利WO0034066中的裝置結(jié)構(gòu)和磁路示意圖；圖2專利WO0034066中的裝置結(jié)構(gòu)和磁路示意圖；圖3專利EP1481463中的裝置結(jié)構(gòu)和磁路示意圖；圖4專利EP1481463中的裝置結(jié)構(gòu)和磁路示意圖；圖5本發(fā)明徑向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機結(jié)構(gòu)圖；圖6本發(fā)明徑向磁通雙機械端口電機截面示意圖；圖7本發(fā)明徑向磁通雙機械端口電機磁場分布圖；圖8本發(fā)明徑向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案一局部結(jié)構(gòu)圖；圖9本發(fā)明徑向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案二局部結(jié)構(gòu)圖；圖10本發(fā)明徑向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案三局部結(jié)構(gòu)圖；圖11本發(fā)明徑向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案四局部結(jié)構(gòu)圖；圖12本發(fā)明徑向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案五局部結(jié)構(gòu)圖，圖中4內(nèi)轉(zhuǎn)子、5外轉(zhuǎn)子、6定子、20定子繞組、21永磁體、22內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組、23定子齒槽、24定子軛部、25內(nèi)轉(zhuǎn)子齒槽、26內(nèi)轉(zhuǎn)子軛部27外轉(zhuǎn)子框架、28槽；圖13本發(fā)明軸向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機結(jié)構(gòu)圖；圖中45第一轉(zhuǎn)子、44第二轉(zhuǎn)子、6定子、20定子繞組、422第二轉(zhuǎn)子繞組；圖14本發(fā)明軸向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案一局部結(jié)構(gòu)圖；
圖15本發(fā)明軸向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案二局部結(jié)構(gòu)圖；圖16本發(fā)明軸向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案三局部結(jié)構(gòu)圖；圖17本發(fā)明軸向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案四局部結(jié)構(gòu)圖；圖18本發(fā)明軸向磁通電機外轉(zhuǎn)子方案五局部結(jié)構(gòu)圖；圖中427第一轉(zhuǎn)子框架、428槽。
圖19本發(fā)明電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)方案一拓撲圖；圖20本發(fā)明電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)方案二拓撲圖；圖21本發(fā)明電機驅(qū)動控制系統(tǒng)直流-直流變換環(huán)節(jié)方案一拓撲圖；圖22本發(fā)明電機驅(qū)動控制系統(tǒng)直流-直流變換環(huán)節(jié)方案二拓撲圖；圖23本發(fā)明電機驅(qū)動控制系統(tǒng)直流-直流變換環(huán)節(jié)方案三拓撲圖；圖24坐標系的定義圖；圖25本發(fā)明雙機械端口電機控制系統(tǒng)框圖1；圖26本發(fā)明轉(zhuǎn)矩控制方案1框圖；圖27本發(fā)明雙機械端口電機控制系統(tǒng)框圖2；圖28本發(fā)明轉(zhuǎn)矩控制方案2框圖；圖29本發(fā)明混合動力汽車控制器的拓撲結(jié)構(gòu)；圖30本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式一能量流示圖；圖31本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式二能量流示圖；圖32本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式三能量流示圖；圖33本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式四能量流示圖；圖34本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式五能量流示圖；圖35本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式六能量流示圖；圖36本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式七能量流示圖；圖37本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式八能量流示圖；圖38本發(fā)明混合動力汽車控制器工作模式九能量流示圖。
具體實施例方式
圖5為本發(fā)明徑向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機結(jié)構(gòu)圖，圖6為本發(fā)明徑向磁通雙機械端口電機截面示意圖。如圖5、圖6所示，本發(fā)明徑向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機由圓柱狀的內(nèi)轉(zhuǎn)子4、圓筒狀的外轉(zhuǎn)子5和定子6構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子4上包括內(nèi)轉(zhuǎn)子軛部26、軸向形成于內(nèi)轉(zhuǎn)子4外圓周的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒槽25和位于齒槽內(nèi)的內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22，共同構(gòu)成了第二機械端口；在其外圍是提供統(tǒng)一磁場通路與勵磁的外轉(zhuǎn)子5，即第一機械端口，由外轉(zhuǎn)子框架27和鑲嵌在框架上的永磁體21組成。在外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間形成的氣隙為內(nèi)氣隙，即第二氣隙；在外轉(zhuǎn)子5的外圍是由定子軛部24、軸向形成于定子內(nèi)圓周上的定子齒槽23和位于齒槽內(nèi)的定子繞組20構(gòu)成的定子6，在外轉(zhuǎn)子和定子之間形成的氣隙為外氣隙，即第一氣隙。內(nèi)轉(zhuǎn)子4、外轉(zhuǎn)子5、定子6之間軸心重合。定子繞組20可以為三相或多相繞組，構(gòu)成第一電氣端口；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22可以為三相或多相繞組，構(gòu)成第二電氣端口。第一機械端口通過軸1將機械能輸入或者輸出，第二機械端口通過軸2將機械能輸入或者輸出。傳感器10和9分別測量第一機械端口和第二機械端口的位置和轉(zhuǎn)速。內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22通過軸2上的滑環(huán)8引出。
本發(fā)明徑向磁通雙機械端口電機磁場分布如圖7所示。永磁體的N極和S極布置在外轉(zhuǎn)子的圓周方向上，相鄰永磁體的S極和N極相對應(yīng)。由圖7可知，內(nèi)外氣隙的磁通密度是完全相同的，磁力線30從永磁體的N極出發(fā)，徑向穿過外轉(zhuǎn)子5和定子6之間的氣隙，到達定子6，沿著定子軛部24呈圓周方向分布，接著從定子6徑向穿過外氣隙，到達另一永磁體的S極。再從這一永磁體的N極出發(fā)，徑向穿過外轉(zhuǎn)子5和內(nèi)轉(zhuǎn)子4之間的氣隙，到達內(nèi)轉(zhuǎn)子4，沿著內(nèi)轉(zhuǎn)子軛部26呈圓周方向分布，最終從內(nèi)轉(zhuǎn)子4徑向穿過內(nèi)氣隙，回到永磁體的S極，形成一個閉合回路。磁場在外轉(zhuǎn)子5上只有徑向的分布，沒有圓周方向的分布。即本發(fā)明徑向磁通結(jié)構(gòu)機械端口電機的電機定子6與外轉(zhuǎn)子5之間的第一氣隙、外轉(zhuǎn)子5與內(nèi)轉(zhuǎn)子4之間的第二氣隙通過同一主磁通，即兩個實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的氣隙共用統(tǒng)一磁場。
這種磁場的耦合有以下的積極效果首先，第一氣隙和第二氣隙的磁場方向、大小相同，穿過第一氣隙的磁通必然穿過第二氣隙。對于徑向統(tǒng)一磁場雙機械端口電機來說，夾在第一、第二氣隙間的外轉(zhuǎn)子只有徑向磁通，而沒有圓周方向的磁通，充分利用了磁場。而且，外轉(zhuǎn)子5無需提供與主磁通垂直方向的磁路，徑向厚度可以減小，提高了雙機械端口電機的功率密度；其次，可以通過控制定子6的電流達到控制內(nèi)轉(zhuǎn)子4、外轉(zhuǎn)子5運動狀態(tài)，也可以通過控制內(nèi)轉(zhuǎn)子4的電流來控制外轉(zhuǎn)子5運動狀態(tài)，即上述雙機械端口電機的控制更加靈活。
本發(fā)明的徑向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機的外轉(zhuǎn)子做成圓筒形狀，沿著與外轉(zhuǎn)子的中心軸平行的方向稱為軸向，與外轉(zhuǎn)子的中心軸垂直的方向稱為徑向。本發(fā)明此種形式電機的外轉(zhuǎn)子的特點為徑向厚度薄于現(xiàn)有技術(shù)中的徑向磁通雙轉(zhuǎn)子電機外轉(zhuǎn)子。可以設(shè)計成多種形式，如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12所示。
如圖8所示，沿著與外轉(zhuǎn)子框架27的中心軸平行的方向，在框架27的圓周上以預定間隔開槽28，槽28貫穿了外轉(zhuǎn)子壁，并且向外圓周的槽口寬度小于向內(nèi)圓周的槽口。在槽28中嵌入永磁體或填充非導磁材料。這樣在外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時，永磁體不會因為離心力而脫離外轉(zhuǎn)子。
如圖9所示，沿著與外轉(zhuǎn)子框架27的中心軸平行的方向，在框架27的圓周上以預定間隔開出凹槽28，所開出的凹槽28的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子的徑向厚度，并且凹槽28在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周和外圓周上均不開口，在槽28中埋入永磁體或填充非導磁材料。這樣在外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時，永磁體不會因為離心力而脫離外轉(zhuǎn)子。
如圖10所示，沿著與外轉(zhuǎn)子框架27的中心軸平行的方向，在框架27的外圓周上以預定間隔開出凹槽28，所開出的凹槽28的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子的徑向厚度，并且所述凹槽28的開口在外轉(zhuǎn)子的外圓周上，并且向外圓周的槽口寬度小于槽底的寬度，在槽28中埋入永磁體或填充非導磁材料。
如圖11所示，沿著與外轉(zhuǎn)子框架27的中心軸平行的方向，在框架27的內(nèi)圓周上以預定間隔開出凹槽28，所開出的凹槽28的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子的徑向厚度，并且所述凹槽28的開口在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周上，在槽28中埋入永磁體或填充非導磁材料。這樣在外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時，永磁體不會因為離心力而脫離外轉(zhuǎn)子5。
上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架27由不導磁材料制成的，槽28中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體21，則構(gòu)成永磁隱極式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；為進一步減輕外轉(zhuǎn)子質(zhì)量，也可以采用高強度塑料或碳纖維框架做外轉(zhuǎn)子永磁體框架。上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架27由導磁材料制成的，槽28中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體21，則構(gòu)成永磁磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架27由導磁材料制成的，槽28中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；通?？梢栽诳蚣苌祥_好槽即可，非導磁材料空氣會自動填充。
如圖12所示，沿著與外轉(zhuǎn)子框架27的中心軸平行的方向，在導磁材料制成的框架27的內(nèi)圓周和外圓周上分別以預定間隔開出凹槽28，在槽28中填充非導磁材料或者放置導條或繞組，并且將所有槽28中的導條或繞組兩端分別用導體連接。
圖12所示的結(jié)構(gòu)中，當槽28中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；通?？梢栽诳蚣?7上開好槽28即可，非導磁材料空氣會自動填充。當槽28中放置導條或繞組，并且將所有槽28中的導條或繞組兩端分別用導體連接，則構(gòu)成感應(yīng)式的雙機械端口統(tǒng)一磁場電機。圖12所示的外轉(zhuǎn)子上的槽可以是矩形，梯形，圓形或者其他不規(guī)則的形狀。
圖13是本發(fā)明的軸向磁通結(jié)構(gòu)的雙機械端口電機的結(jié)構(gòu)圖。此電機包括圓盤裝結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子45、第二轉(zhuǎn)子44和定子6。第二轉(zhuǎn)子44上包括軛部、徑向形成于轉(zhuǎn)子盤面上的轉(zhuǎn)子齒槽和位于轉(zhuǎn)子齒槽內(nèi)的第二轉(zhuǎn)子繞組422，共同構(gòu)成了第二機械端口；并列在其旁邊是提供統(tǒng)一磁場通路與勵磁的第一轉(zhuǎn)子45，即第一機械端口，由外轉(zhuǎn)子框架和鑲嵌在框架上的永磁體21組成；在第二轉(zhuǎn)子44和第一轉(zhuǎn)子45之間形成的氣隙為第二氣隙。并列在第一轉(zhuǎn)子的旁邊是由定子軛部、徑向形成于定子盤面上的定子齒槽和位于定子齒槽內(nèi)的定子繞組20構(gòu)成的定子6，在第一轉(zhuǎn)子45和定子6之間形成的氣隙為第一氣隙。第一轉(zhuǎn)子45、第二轉(zhuǎn)子44和定子6之間軸心重合。定子繞組20可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第一電氣端口。第二轉(zhuǎn)子繞組422可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第二電氣端口。第一機械端口通過軸1將機械能輸入或者輸出，第二機械端口通過軸2將機械能輸入或者輸出。第二轉(zhuǎn)子繞組422通過軸2上的滑環(huán)8引出。
上述軸向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機定子6與第一轉(zhuǎn)子45之間的第一氣隙、第一轉(zhuǎn)子45與第二轉(zhuǎn)子44之間的第二氣隙通過同一主磁通，即兩個實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的氣隙共用統(tǒng)一磁場。這種磁場的耦合有以下的積極效果首先，第一氣隙和第二氣隙的磁場方向、大小相同，穿過第一氣隙的磁通必然穿過第二氣隙。對于軸向統(tǒng)一磁場雙機械端口電機來說，夾在第一、第二氣隙間的第一轉(zhuǎn)子只有軸向磁通，而沒有徑向和圓周方向的磁通，磁場得到充分的利用。因此，第一轉(zhuǎn)子45無需提供與主磁通垂直方向的磁路，軸向厚度可以減小，提高了雙機械端口電機的功率密度；其次，可以通過控制定子6的電流達到控制第一轉(zhuǎn)子45、第二轉(zhuǎn)子44運動狀態(tài)，也可以通過控制第二轉(zhuǎn)子44的電流來控制第一轉(zhuǎn)子45運動狀態(tài)，即上述雙機械端口電機的控制更加靈活。
其中本發(fā)明的軸向磁場雙機械端口電機的第一轉(zhuǎn)子45做成圓盤形狀，沿著與第一轉(zhuǎn)子45的中心軸平行的方向稱為軸向，與第一轉(zhuǎn)子45的中心軸垂直的方向稱為徑向。本發(fā)明的電機的第一轉(zhuǎn)子45的特點為軸向厚度薄于現(xiàn)有雙轉(zhuǎn)子電機的外轉(zhuǎn)子?？梢栽O(shè)計成多種形式，如圖14、圖15、圖16、圖17、圖18所示。
如圖14所示，沿著第一轉(zhuǎn)子框架427的徑向，在框架427的圓周上以預定間隔開出槽428，槽貫穿了第一轉(zhuǎn)子壁，在槽428中嵌入或填充非導磁材料。
如圖15所示，沿著第一轉(zhuǎn)子框架427的徑向，在框架427的圓周上以預定間隔開出凹槽428，所開出的凹槽428的軸向深度小于第一轉(zhuǎn)子45的軸向厚度，在槽428中埋入永磁體或填充非導磁材料。
如圖16所示，沿著第一轉(zhuǎn)子框架427的徑向，在框架427的圓周上以預定間隔開出凹槽428，所開出的凹槽428的軸向深度小于第一轉(zhuǎn)子45的軸向厚度，并且所述凹槽428的開口面向第二轉(zhuǎn)子，在槽428中埋入永磁體或填充非導磁材料。
如圖17所示，沿著第一轉(zhuǎn)子框架427的徑向，在框架427的圓周上以預定間隔開出凹槽428，所開出的凹槽428的徑向深度小于第一轉(zhuǎn)子45的徑向厚度，并且所述凹槽428的開口面向定子，在槽428中埋入永磁體或填充非導磁材料。
上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架427由不導磁材料制成的，槽428中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體21，則構(gòu)成永磁隱極式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；為進一步減輕外轉(zhuǎn)子質(zhì)量，也可以采用高強度塑料或碳纖維框架做第一轉(zhuǎn)子框架。上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架427由導磁材料制成的，槽428中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體21，則構(gòu)成永磁磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架427由導磁材料制成的，槽428中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；通?？梢栽诳蚣苌祥_好槽即可，非導磁材料空氣會自動填充。
如圖18所示，沿著第一轉(zhuǎn)子框架427的徑向，在框架427的兩面上分別以預定間隔開出凹槽428，在槽428中填充非導磁材料或放置導電材料，并且將所有槽中的導體兩端分別用導體連接。
圖18所示的結(jié)構(gòu)中，當槽428中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；通?？梢栽诳蚣?27上開好槽428即可，非導磁材料空氣會自動填充。當槽428中放置導條或繞組，并且將所有槽428中的導條或繞組兩端分別用導體連接，則構(gòu)成感應(yīng)式的雙機械端口統(tǒng)一磁場電機。
軸向磁通電機的第一轉(zhuǎn)子45、第二轉(zhuǎn)子44、定子6并列的排列在統(tǒng)一個軸線上，在制造和安裝上更加簡單方便。
本發(fā)明的雙機械端口電機不僅包括上述的雙轉(zhuǎn)子形式的電機，還包括兩個機械端口為直線運動的動子形式；其中一個機械端口為直線運動的動子形式，另一個機械端口為旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)子形式。
下面結(jié)合圖19、圖20說明本發(fā)明雙機械端口電機的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖19是本發(fā)明雙機械端口電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的第一種拓撲結(jié)構(gòu)，一個電機控制單元16控制逆變器11和逆變器12，逆變器11和逆變器12與通過同一個直流母線13與直流電源15相連。由電機控制單元16控制上述逆變器11和逆變器12，為本發(fā)明的雙機械端口電機3供電。電機控制單元16由中央處理單元CPU，存儲單元RAM/ROM和外圍的通訊、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模塊構(gòu)成可編程的通用控制電路，它通過信號線分別與兩個逆變器以及雙機械端口電機相連。電機控制單元16向逆變器11和逆變器12發(fā)出控制信號，同時接收采集到的雙機械端口電機3和逆變器11和逆變器12的輸出信號。
圖20是本發(fā)明雙機械端口電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的第二種拓撲結(jié)構(gòu)，由一個電機控制單元16、逆變器11和逆變器12和一個直流-直流變換環(huán)節(jié)14構(gòu)成。與第一種拓撲結(jié)構(gòu)不同的是，這種拓撲結(jié)構(gòu)中直流母線13通過一個直流-直流變換環(huán)節(jié)14將兩個逆變器和直流電源15連接。電機控制單元16由中央處理單元CPU，存儲單元RAM/ROM和外圍的通訊、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模塊構(gòu)成可編程的通用控制電路，它通過信號線分別與兩個逆變器11、12以及雙機械端口電機相連。電機控制單元16向逆變器11、逆變器12和直流-直流變換環(huán)節(jié)14發(fā)出控制信號，同時接收采集到的雙機械端口電機3、逆變器11、逆變器12和直流-直流變換環(huán)節(jié)14的輸出信號。在本發(fā)明的統(tǒng)一磁場雙機械端口電機3驅(qū)動系統(tǒng)中，直流-直流變換器14可以起到根據(jù)需要提升直流母線13的電壓的功能。其優(yōu)點在于當上述雙機械端口電機3由于磁場所感生的反電勢低時提供較低的直流母線電壓以提高脈寬調(diào)制的占空比，改善電機電流波形并提高效率；當上述雙機械端口電機由于磁場所感生的反電勢高時，提高直流母線13電壓，盡量減少弱磁工況，以提高系統(tǒng)效率。
上述的本發(fā)明驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)的直流-直流變換環(huán)節(jié)有多種方案。下面根據(jù)圖21、圖22、圖23進行說明。
圖21是采用一種Z-source(一種直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu))形式直流-直流變換器的雙機械端口電機的驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。其中虛線框中為這種Z-source直流-直流變換環(huán)節(jié)141，帶有反并聯(lián)二極管的開關(guān)管T1的發(fā)射極與電池15的正極連接，開關(guān)管T1的集電極通過電感L1與直流母線的正極連接，開關(guān)管T1的集電極與電容C1的正極相連，電容C1的負極與直流母線的負極連接；電池15的負極通過電感L2與直流母線的負極連接，同時，電池15的負極與電容C2的負極相連，電容C2的正極與直流母線的正極連接。
圖22是采用一種Cuk(一種直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu))形式直流-直流變換器的雙機械端口電機的驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。其中虛線框中為這種Cuk直流-直流變換環(huán)節(jié)142，電容C3的負極通過電感L3與電池的負極連接，電容C3的正極與直流母線的正極相連；電容C4的正極通過電感L4與電池的正極連接，電容C4的負極與直流母線的負極相連；帶有反并聯(lián)二極管的開關(guān)管T2的發(fā)射極與電容C3的負極相連，開關(guān)管T2的集電極與電容C4的正極相連。
圖23是采用一種boost(一種直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu))形式直流-直流變換器的雙機械端口電機的驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。其中虛線框中為這種boost直流-直流變換環(huán)節(jié)143，不帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管T3的發(fā)射極通過電感L5與電池的正極相連，開關(guān)管T3的集電極與直流母線的正極相連；電容C5的正端與直流母線的正極相連，電容C5的負端與直流母線的負極相連；二極管D2正極與電池15的正極相連，負極連接在直流母線的正極上；二極管D1正極與電池15的負極相連，二極管D1負極連接在開關(guān)管T3的集電極。
電機控制單元16通過控制圖21中的T1、圖22中的T2、圖23中的T3的占空比來控制直流母線的電壓。
上述的雙機械端口電機驅(qū)動系統(tǒng)中采用了三相的逆變器11和12。在實際中根據(jù)本發(fā)明的電機繞組的相數(shù)，逆變器做相應(yīng)的變化。當?shù)谝?、第二電氣端口均為三相時，逆變器為兩個三相逆變器；當電氣端口的相數(shù)為多相時，與之相連的逆變器也為多相。根據(jù)兩個電氣端口相數(shù)的不同組合，存在多種雙機械端口電機的形式和多種控制的拓撲結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合圖24、圖25、圖26、圖27、圖28說明本發(fā)明的徑向磁通雙機械端口電機的控制方法。(在圖25、圖26、圖27、圖28中編號以D開頭的表示這些步驟都是在雙機械端口電機驅(qū)動控制單元16中完成的，由軟件編程實現(xiàn)。)圖24是本發(fā)明控制方法用到的坐標系的定義圖。定義靜止坐標系α_β，α軸與自然坐標系的A相重合，β超前α軸90度；定義同步旋轉(zhuǎn)坐標系d_q，d軸與外轉(zhuǎn)子5的永磁體的N極重合，q超前d軸90度，d_q坐標系與外轉(zhuǎn)子5同步的速度旋轉(zhuǎn)；定義轉(zhuǎn)子坐標系γ_δ，γ軸以內(nèi)轉(zhuǎn)子4的任意一個固定位置重合，δ超前γ軸90度，γ_δ坐標系與內(nèi)轉(zhuǎn)子4同步的速度旋轉(zhuǎn)。雙機械端口電機的所有電磁量均可以用任一上述坐標系下的矢量來表示。
由于上述雙機械端口電機的第一、第二氣隙磁場統(tǒng)一，第一電氣端口的電流的變化會影響統(tǒng)一磁場的分布，從而影響第一機械端口的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，同時也會影響到第二機械端口的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；同理，第二電氣端口的電流變化同樣會影響到第一機械端口的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。本發(fā)明提出如下的兩種方案轉(zhuǎn)矩控制的實施方案一如圖25、圖26所示。設(shè)定雙機械端口電機3工作點(即內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的目標轉(zhuǎn)矩或者目標轉(zhuǎn)速)后，雙機械端口電機控制按照圖25所示的控制框圖進行控制。給定雙機械端口電機內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)速，同時通過轉(zhuǎn)速傳感器9、10測雙機械端口電機3兩個轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，通過電流傳感器D116和電壓傳感器D137測量定子繞組20的三相電流和三相電壓值，并且分別進行三相到兩相的變換D135轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標下的電流電壓值，通過電流傳感器D118測量內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22的三相電流，并且分別進行三相到兩相的變換和反旋轉(zhuǎn)變換D136轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標下的電流值，基于內(nèi)轉(zhuǎn)子4的目標轉(zhuǎn)速和外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速環(huán)控制器D130來設(shè)定施加于靜止坐標系下的目標電流值。根據(jù)所得到的目標電流值與電流傳感器實測電流值的偏差通過比例積分控制器D131、D132來設(shè)定施加于各相的電壓值。這樣設(shè)定的定子繞組電壓值經(jīng)過兩相到三相的變換D133轉(zhuǎn)換成靜止坐標系下三相的電壓值，經(jīng)過D132所設(shè)定的電壓值經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換和兩相到三相的變換D134變換成轉(zhuǎn)子坐標系下三相的電壓值，逆變器11、12的晶體管根據(jù)得到的三相電壓值，通過脈寬調(diào)制(PWM)后施加于雙機械端口電機3的內(nèi)轉(zhuǎn)子4和定子5的繞組22、20上，達到控制雙機械端口電機3的目的。其中積分器D139通過對轉(zhuǎn)速傳感器9測量的內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速值進行積分，得出位置信號提供給坐標變換器D134和D136。
下面結(jié)合圖26說明轉(zhuǎn)速環(huán)控制器D130進行內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)矩控制的實施方案。設(shè)定內(nèi)轉(zhuǎn)子的給定轉(zhuǎn)速為ω2*，與轉(zhuǎn)速傳感器9測的內(nèi)轉(zhuǎn)子4實際轉(zhuǎn)速ω2的偏差經(jīng)過比例項、積分項的比例積分控制器D140控制即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子4所需的目標轉(zhuǎn)矩T2*。磁鏈觀測器D144通過對定子繞組20的反電勢積分，觀測出定子繞組20的磁鏈λs。定子反電勢由定子側(cè)電壓減去定子電阻壓降可得。根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制單元D142即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子4在靜止坐標系下的目標電流。外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)矩T1*通過外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)速ω1*和實際轉(zhuǎn)速ω1偏差經(jīng)過比例積分控制器D141得出。由此目標轉(zhuǎn)矩T1*和定子磁鏈，通過轉(zhuǎn)矩控制單元D143即可計算出定子6在靜止坐標系下的目標電流。轉(zhuǎn)矩控制單元D142、D143首先根據(jù)|i|=T*|λs|]]>確定電流的大小，再根據(jù)磁鏈λs的相位來確定電流的相位。當轉(zhuǎn)矩給定為正時，電流超前于磁鏈λs90度，當轉(zhuǎn)矩給定為負時，電流滯后于磁鏈λs90度。采用這樣的控制方法，總可以在氣隙磁鏈λs恒定時，相同的輸出轉(zhuǎn)矩繞組電流最小。有效的減小了電機的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。
轉(zhuǎn)矩控制的實施方案二如圖27、圖28所示。設(shè)定雙機械端口電機3工作點，即內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的目標轉(zhuǎn)矩或者目標轉(zhuǎn)速后，雙機械端口電機控制按照圖27所示的控制框圖進行控制。給定雙機械端口電機內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)速，同時通過轉(zhuǎn)速傳感器9、10檢測雙機械端口電機3兩個轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，基于內(nèi)轉(zhuǎn)子4的目標轉(zhuǎn)速和外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速環(huán)控制器D102來設(shè)定施加于同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流值。根據(jù)所得到的目標電流值與電流傳感器實測電流值，經(jīng)過三相到兩相和反旋轉(zhuǎn)變換D103、D105轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流值的偏差，通過電流控制器D104、D110來設(shè)定施加于各相的電壓值。D104、D110為比例積分控制器，所設(shè)定的電壓值由上述偏差的比例項、積分項和之前累計項來設(shè)定，各個項的比例、積分系數(shù)通過試驗等設(shè)定成適當值。這樣設(shè)定的電壓值經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換和兩相到三相D108、D114轉(zhuǎn)換為三相靜止坐標系下的電壓設(shè)定值。逆變器11、12的晶體管根據(jù)所得到的三相電壓設(shè)定值，通過脈寬調(diào)制后施加于雙機械端口電機3的內(nèi)轉(zhuǎn)子4和定子5的繞組22、20上，達到控制雙機械端口電機3的目的。由此，本實施例的雙機械端口電機3可以從軸1和軸2輸出所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速組成的動力。其中積分器D106通過對轉(zhuǎn)速傳感器10測量的外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)速值進行積分，得出位置信號提供給坐標變換器D103和108。其中積分器D112通過對轉(zhuǎn)速傳感器9測量的內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速值進行積分，得出位置信號提供給坐標變換器D105和114。
下面結(jié)合圖28說明轉(zhuǎn)速環(huán)控制器D102進行內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)矩解耦控制的實施方案二。設(shè)定內(nèi)轉(zhuǎn)子4的給定轉(zhuǎn)速為ω2*，與轉(zhuǎn)速傳感器9測的內(nèi)轉(zhuǎn)子4實際轉(zhuǎn)速ω2的偏差經(jīng)過比例項、積分項、累計項的比例積分控制器D120控制即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子4所需的目標轉(zhuǎn)矩T2*，根據(jù)單位電流最大轉(zhuǎn)矩控制(一種轉(zhuǎn)矩控制方案，根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩確定一個電流分配的組合。采用這種控制方案可以在輸出相同的轉(zhuǎn)矩時，所需的電流最小)D122即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子4在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流idqr*。外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)矩T1*通過外轉(zhuǎn)子5的目標轉(zhuǎn)速ω1*和實際轉(zhuǎn)速ω1偏差，經(jīng)過比例積分控制器D121得出。由解耦方案D123，令目標轉(zhuǎn)矩T1*中的包含內(nèi)轉(zhuǎn)子4電流idqr*的部分為零得出解耦條件，本例中Lmdid，siq，r＝Lmqiq，sid，r其中Lmd、Lmq分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標系下定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的d/q軸互感，同時根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子4在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流idqr*和目標轉(zhuǎn)矩T1*，可以確定外轉(zhuǎn)子5在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流idqs*。采用如上的轉(zhuǎn)矩控制方案，可以自由的控制內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)矩而不受定子繞組20電流的影響。
當上述統(tǒng)一磁場雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)采用圖20所示的帶有直流-直流變換環(huán)節(jié)14的拓撲結(jié)構(gòu)時，直流母線電壓可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。因此，電機控制單元16除了具有根據(jù)雙機械端口電機輸入輸出的要求實現(xiàn)上述雙機械端口電機3轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制的功能外，還具有根據(jù)雙機械端口電機提出的直流母線要求進行直流母線的調(diào)節(jié)的功能。具體控制方案如下用電壓傳感器采集直流-直流變換環(huán)節(jié)輸出的母線直流電壓，同時根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的兩個機械端口的實際轉(zhuǎn)速和觀測到的磁鏈，確定兩個電氣端口分別所需的直流母線電壓，根據(jù)其中較大的一項調(diào)整直流-直流變換環(huán)節(jié)，使直流-直流變換環(huán)節(jié)的實際輸出同時滿足兩個電氣端口的需要。
將上述控制方法中的徑向磁通電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子4對應(yīng)于軸向磁通電機的第二轉(zhuǎn)子44，將徑向磁通電機的外轉(zhuǎn)子5對應(yīng)于軸向磁通電機的第一轉(zhuǎn)子45，就可以把上述的控制方法推廣到軸向磁通的雙機械端口電機控制。
下面結(jié)合圖29說明本發(fā)明雙機械端口電機在混合動力汽車中應(yīng)用的拓撲結(jié)構(gòu)。雙機械端口電機3中的第一機械端口5通過變速齒輪18和車輪17連接，第二機械端口4直接與內(nèi)燃機19連接。驅(qū)動控制系統(tǒng)采用圖25所示的帶有直流-直流變換環(huán)節(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)，逆變器11、逆變器12通過直流-直流變換環(huán)節(jié)14與電池、超級電容等儲能環(huán)節(jié)15連接，分別給兩個電氣端口供電。電機控制器16接收采集到的電壓電流、轉(zhuǎn)速等信號，同時向逆變器11、逆變器12和直流-直流變換環(huán)節(jié)14發(fā)出控制信號。
圖29中采用了徑向磁通雙機械端口的電機，上文所述的軸向磁通的雙機械端口電機也可以用在混合動力汽車中。軸向磁通雙機械端口電機中的第一機械端口45通過變速齒輪18和車輪17連接，第二機械端口44直接與內(nèi)燃機19連接。圖29中采用了帶有直流-直流變換環(huán)節(jié)的驅(qū)動控制系統(tǒng)，上文所述的不帶有直流-直流變換環(huán)節(jié)的驅(qū)動控制系統(tǒng)也可以用在混合動力汽車中。
下面結(jié)合圖30～圖38說明徑向統(tǒng)一磁場雙機械端口電機在混合動力汽車中的控制方法和工作過程。假定第一機械端口5的輸出轉(zhuǎn)矩為T1，轉(zhuǎn)速為W1；第二機械端口4的輸出轉(zhuǎn)矩為T2，轉(zhuǎn)速為W2。在內(nèi)燃機輸出能量的情況下，根據(jù)雙機械端口電機3兩個機械端口的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，雙機械端口電機3可以分為以下9種工作模式，圖30～圖38分別對應(yīng)這9種模式1.T1＝T2，W1＝W2；2.T1＝T2，W1＞W(wǎng)2；3.T1＝T2，W1＜W2；4.T1＞T2，W1＝W2；5.T1＞T2，W1＞W(wǎng)2；6.T1＞T2，W1＜W2；7.T1＜T2，W1＝W2；8.T1＜T2.W1＞W(wǎng)2；9.T1＜T2，W1＜W2；當W1＞W(wǎng)2時，外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)速高于內(nèi)轉(zhuǎn)子4，要保證內(nèi)外氣隙的磁場統(tǒng)一，內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22中電流產(chǎn)生的磁場應(yīng)該和外轉(zhuǎn)子5的永磁體21產(chǎn)生的磁場同步，在內(nèi)轉(zhuǎn)子中需要一個頻率為(W1-W2)的滑差電流矢量。(W1-W2)＞0，內(nèi)轉(zhuǎn)子4處于電動狀態(tài)；當W1＜W2時，在內(nèi)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生一個頻率為(W1-W2)的滑差電流矢量，(W1-W2)＜0，內(nèi)轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)。當T1＞T2時，定子6在外轉(zhuǎn)子5上產(chǎn)生一個正向的(T1-T2)的轉(zhuǎn)矩，定子6處于電動狀態(tài)；T1＜T2時，定子6在外轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個反向的(T1-T2)的轉(zhuǎn)矩，定子6處于發(fā)電狀態(tài)。以上的9種工作模式對應(yīng)著內(nèi)轉(zhuǎn)子4和定子6電動和發(fā)電狀態(tài)的9種不同的組合。
下面結(jié)合圖30說明雙機械端口電機3在模式1中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子4和定子6既不發(fā)電也不電動，僅僅將內(nèi)燃機19輸入的能量通過第二機械端口4，從第一機械端口5通過變速齒輪18傳遞到車輪17。此時，定子繞組20目標電流給定為零，即不進行控制；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡。在混合動力車中，這種模式通常用于高速巡航的工況。
下面結(jié)合圖31說明雙機械端口電機3在模式2中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子4處于電動狀態(tài)，定子6既不發(fā)電也不電動。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出轉(zhuǎn)矩等于需要外轉(zhuǎn)子5輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，但是轉(zhuǎn)速低于需要外轉(zhuǎn)子5輸出的轉(zhuǎn)速。此時，定子繞組20目標電流給定為零，即不進行控制；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個與外轉(zhuǎn)子5同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4轉(zhuǎn)速之和與外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位。內(nèi)轉(zhuǎn)子4在傳遞內(nèi)燃機19的機械能的同時，將電池等儲能設(shè)備15提供的電能轉(zhuǎn)化為機械能，為外轉(zhuǎn)子5輸出提供輔助動力，提高輸出轉(zhuǎn)速。
下面結(jié)合圖32說明雙機械端口電機在模式3中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子4處于發(fā)電狀態(tài)，定子6既不發(fā)電也不電動。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出轉(zhuǎn)矩等于需要外轉(zhuǎn)子5輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，但是轉(zhuǎn)速高于需要外轉(zhuǎn)子5輸出的轉(zhuǎn)速。內(nèi)轉(zhuǎn)子4通過將部分機械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或其他儲能設(shè)備15中，平滑了內(nèi)燃機19的輸出功率尖峰，使外轉(zhuǎn)子5低速穩(wěn)定運行。此時，定子繞組20目標電流給定為零，即不進行控制；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個與外轉(zhuǎn)子5反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速之和與內(nèi)轉(zhuǎn)子4轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
下面結(jié)合圖33說明雙機械端口電機在模式4中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子4既不發(fā)電也不電動，定子6處于電動狀態(tài)。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出轉(zhuǎn)矩不夠。定子6通過將電池或者其他儲能設(shè)備15提供的電能轉(zhuǎn)化為機械能，為輸出提供輔助動力，提供短時大轉(zhuǎn)矩的輸出。此時，定子繞組20施加一個與外轉(zhuǎn)子5同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與外氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于驅(qū)動軸1所需的轉(zhuǎn)矩；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡。
下面結(jié)合圖34說明雙機械端口電機在模式5中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子4處于電動狀態(tài)，定子6處于電動狀態(tài)。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速均不能滿足需求的工況。內(nèi)轉(zhuǎn)子4、定子6通過將電池或者其他儲能設(shè)備15提供的電能轉(zhuǎn)化為機械能，提供所需動力。此時，定子繞組20施加一個與外轉(zhuǎn)子5同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與外氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于驅(qū)動軸1所需的轉(zhuǎn)矩；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個與外轉(zhuǎn)子5同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4轉(zhuǎn)速之和與外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位。
下面結(jié)合圖35說明雙機械端口電機在模式6中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)，定子處于電動狀態(tài)。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出高速小轉(zhuǎn)矩，而外轉(zhuǎn)子5需要低速大轉(zhuǎn)矩的工況。內(nèi)轉(zhuǎn)子4將部分機械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或者其他儲能設(shè)備15中，定子6通過將電池或者其他儲能設(shè)備15提供的電能轉(zhuǎn)化為機械能，為外轉(zhuǎn)子5輸出提供輔助轉(zhuǎn)矩。如果內(nèi)轉(zhuǎn)子4發(fā)電的能量與定子6所需的電能相等，整個系統(tǒng)則處于輸入輸出能量平衡的狀態(tài)。無論電池或者其他儲能設(shè)備15的狀態(tài)如何，這種工作模式可以長期運行。從內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可見，這種模式下本發(fā)明電機完成了齒輪的功能。此時，定子繞組20施加一個與外轉(zhuǎn)子5同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與外氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于驅(qū)動軸1所需的轉(zhuǎn)矩；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個與外轉(zhuǎn)子5反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和外轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)速之和與內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
下面結(jié)合圖36說明雙機械端口電機在模式7中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子既不發(fā)電也不電動，定子處于發(fā)電狀態(tài)。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出轉(zhuǎn)矩大于外轉(zhuǎn)子5所需的轉(zhuǎn)矩，定子6將部分機械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或者其他儲能設(shè)備中，進行能量的回饋，多用于剎車等工況。此時，定子繞組20施加一個與外轉(zhuǎn)子5同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與外氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于驅(qū)動軸1所需的轉(zhuǎn)矩；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡。如果內(nèi)燃機停止狀態(tài)下，勵磁電流給定為零。
下面結(jié)合圖37說明雙機械端口電機在模式8中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子處于電動狀態(tài)，定子處于發(fā)電狀態(tài)。這種模式通常用于內(nèi)燃機19輸出低速大轉(zhuǎn)矩，而外轉(zhuǎn)子需要高速小轉(zhuǎn)矩的工況。定子6將部分機械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或者其他儲能設(shè)備15中，內(nèi)轉(zhuǎn)子4通過將電池或者其他儲能設(shè)備15提供的電能轉(zhuǎn)化為機械能，為外轉(zhuǎn)子5輸出提供輔助動力。如果定子6發(fā)電的能量與內(nèi)轉(zhuǎn)子4所需的電動能量相等，整個系統(tǒng)則處于輸入與輸出能量平衡的狀態(tài)。無論電池或者其他儲能設(shè)備15的狀態(tài)如何，這種工作模式可以長期運行。從內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可見，這種模式下本發(fā)明電機完成了變速齒輪的功能。此時，定子繞組20施加一個與外轉(zhuǎn)子5同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與外氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于驅(qū)動軸1所需的轉(zhuǎn)矩；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個與外轉(zhuǎn)子5同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4轉(zhuǎn)速之和與外轉(zhuǎn)子5相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位。
下面結(jié)合圖38說明雙機械端口電機在模式9中的控制方法和工作過程。內(nèi)轉(zhuǎn)子4處于發(fā)電狀態(tài)，定子6處于發(fā)電狀態(tài)。這種模式通常用于剎車的工況，內(nèi)轉(zhuǎn)子4、定子6將部分機械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或者其他儲能設(shè)備15中。此時，定子繞組20施加一個與外轉(zhuǎn)子5同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與外氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于驅(qū)動軸1所需的轉(zhuǎn)矩；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組22施加一個與外轉(zhuǎn)子5反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在內(nèi)氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機19輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速和內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速之和與內(nèi)轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
其中，2、3、4、5、7、9模式中，兩個機械端口的輸入輸出能量大小不同，因此需要儲能設(shè)備15提供或者回饋能量；而1、6、8模式中，可以實現(xiàn)兩個機械端口能量平衡，無需儲能設(shè)備15提供能量亦可長期運行的穩(wěn)定模式。
由以上分析可見，雙機械端口電機的兩個機械端口是相互獨立的。通過控制內(nèi)轉(zhuǎn)子4和定子6的繞組22、20可以控制內(nèi)轉(zhuǎn)子4和外轉(zhuǎn)子5的能量傳遞和機電能量耦合。采用合理的控制方案可以使雙機械端口電機在上述的9種工作模式中切換，使能量在兩個機械端口和電氣端口間傳遞和耦合，最終達到用戶所需的最佳的使用效果。在混合動力汽車中，可以根據(jù)汽車工況的實際需要選擇合理的工作模式，達到既有較好的輸出特性，又可以提高系統(tǒng)效率的目的。
如果采用軸向磁通的雙機械端口電機，工作過程和控制方法是相同的。上述控制方法中的徑向磁通電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子4對應(yīng)軸向磁通電機的第二轉(zhuǎn)子44，徑向磁通電機的外轉(zhuǎn)子5對應(yīng)軸向磁通電機的第一轉(zhuǎn)子45。
權(quán)利要求
1.一種雙機械端口電機，主要包括雙轉(zhuǎn)子和定子[6]，其特征在于有徑向磁通結(jié)構(gòu)和軸向磁通結(jié)構(gòu)兩種形式徑向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機包括為圓柱狀的內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]、圓筒狀的外轉(zhuǎn)子[5]；內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]上的軛部[26]、軸向形成于內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]外圓周的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒槽[25]和位于齒槽內(nèi)的內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組[22]，共同構(gòu)成第二機械端口；在內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]外圍是提供統(tǒng)一磁場通路與勵磁的外轉(zhuǎn)子[5]，即第一機械端口；在外傳子[5]和內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]之間形成的氣隙為內(nèi)氣隙，即第二氣隙；在外轉(zhuǎn)子[5]的外圍是由定子軛部[24]、軸向形成于定子[6]內(nèi)圓周上的定子齒槽[23]和位于齒槽內(nèi)的定子繞組[20]構(gòu)成的定子[6]，在外轉(zhuǎn)子[5]和定子[6]之間形成的氣隙為外氣隙，即第一氣隙；內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]、外轉(zhuǎn)子[5]、定子[6]之間軸心重合；定子繞組[20]可以為三相或多相繞組，構(gòu)成第一電氣端口；內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組[22]可以為三相或多相繞組，構(gòu)成第二電氣端口；電機定子[6]與外轉(zhuǎn)子[5]之間的第一氣隙、外轉(zhuǎn)子[5]與內(nèi)轉(zhuǎn)子[6]之間的第二氣隙通過同一主磁通，即兩個實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的氣隙共用統(tǒng)一磁場；軸向磁通結(jié)構(gòu)的雙機械端口電機包括圓盤狀結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子[45]、第二轉(zhuǎn)子[44]和定子[6]；第二轉(zhuǎn)子[44]上包括軛部、徑向形成于轉(zhuǎn)子盤面上的轉(zhuǎn)子齒槽和位于轉(zhuǎn)子齒槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組[422]，共同構(gòu)成了第二機械端口；提供統(tǒng)一磁場通路與勵磁的第一轉(zhuǎn)子[45]并列在第二轉(zhuǎn)子[44]旁邊，第一轉(zhuǎn)子[45]即第一機械端口；在第二轉(zhuǎn)子[44]和第一轉(zhuǎn)子[45]之間形成的氣隙為第二氣隙；并列在第一轉(zhuǎn)子[45]的旁邊是由定子軛部、徑向形成于定子盤面上的定子齒槽和位于定子齒槽內(nèi)的定子繞組[20]構(gòu)成的定子[6]；在第一轉(zhuǎn)子[45]和定子[6]之間形成的氣隙為第一氣隙；第一轉(zhuǎn)子[45]、第二轉(zhuǎn)子[44]和定子[6]之間軸心重合；定子繞組[20]可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第一電氣端口；第二轉(zhuǎn)子繞組[422]可以為三相或多相繞組，構(gòu)成雙機械端口電機的第二電氣端口；電機定子[6]與第一轉(zhuǎn)子[45]之間的第一氣隙、第一轉(zhuǎn)子[45]與第二轉(zhuǎn)子[44]之間的第二氣隙通過同一主磁通，即兩個實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的氣隙共用統(tǒng)一磁場；雙機械端口電機還包括兩個機械端口為直線運動的動子形式；其中一個機械端口為直線運動的動子形式，另一個機械端口為旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)子形式。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙機械端口電機，其特征在于徑向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機外轉(zhuǎn)子可有多種形式(1)沿著與外轉(zhuǎn)子框架[27]的中心軸平行的方向，在框架[27]的圓周上以預定間隔開槽[28]，槽[28]貫穿了外轉(zhuǎn)子壁，向外圓周的槽口寬度小于向內(nèi)圓周的槽口；在槽[28]中嵌入永磁體或填充非導磁材料；(2)沿著與外轉(zhuǎn)子框架[27]的中心軸平行的方向，在框架[27]的圓周上以預定間隔開出凹槽[28]，所開出的凹槽[28]的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子[5]的徑向厚度，凹槽[28]在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周和外圓周上均不開口，在槽[28]中埋入永磁體或填充非導磁材料；(3)沿著與外轉(zhuǎn)子框架[27]的中心軸平行的方向，在框架[27]的外圓周上以預定間隔開出凹槽[28]，所開出的凹槽[28]的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子[5]的徑向厚度，凹槽[28]的開口在外轉(zhuǎn)子[5]的外圓周上，向外圓周的槽口寬度小于槽底的寬度；在槽[28]中埋入永磁體或填充非導磁材料；(4)沿著與外轉(zhuǎn)子框架[27]的中心軸平行的方向，在框架[27]的內(nèi)圓周上以預定間隔開出凹槽[28]，凹槽[28]的徑向深度小于外轉(zhuǎn)子[5]的徑向厚度，并且所述凹槽[28]的開口在外轉(zhuǎn)子[5]的內(nèi)圓周上，在槽[28]中埋入永磁體或填充非導磁材料；上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架[27]由不導磁材料制成，槽[28]中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體[21]，則構(gòu)成永磁隱極式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；也可以采用高強度塑料或碳纖維框架做外轉(zhuǎn)子永磁體框架；當框架[27]由導磁材料制成，槽[28]中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體[21]，則構(gòu)成永磁磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；當框架[27]由導磁材料制成，槽[28]中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；沿著與外轉(zhuǎn)子框架[27]的中心軸平行的方向，在導磁材料制成的框架[27]的內(nèi)圓周和外圓周上分別以預定間隔開出凹槽[28]，在槽[28]中填充非導磁材料或者放置導條或繞組，所有槽[28]中的導條或繞組兩端分別用導體連接；當槽[28]中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；當槽[28]中放置導條或繞組，所有槽[28]中的導條或繞組兩端分別用導體連接，則構(gòu)成感應(yīng)式的雙機械端口統(tǒng)一磁場電機；槽[28]可以是矩形，梯形，圓形或者其他不規(guī)則的形狀。
3.按照權(quán)利要求1所說的雙機械端口電機，其特征在于軸向磁通結(jié)構(gòu)雙機械端口電機外轉(zhuǎn)子可有多種形式(1)沿著第一轉(zhuǎn)子框架[427]的徑向，在框架[427]的圓周上以預定間隔開出槽[428]，槽[428]貫穿了第一轉(zhuǎn)子壁，在槽[428]中嵌入或填充非導磁材料；(2)沿著第一轉(zhuǎn)子框架[427]的徑向，在框架[427]的圓周上以預定間隔開出凹槽[428]，凹槽[428]的軸向深度小于第一轉(zhuǎn)子[45]的軸向厚度，在槽[428]中埋入永磁體或填充非導磁材料；(3)沿著第一轉(zhuǎn)子框架[427]的徑向，在框架[427]的圓周上以預定間隔開出凹槽[428]，凹槽[428]的軸向深度小于第一轉(zhuǎn)子[45]的軸向厚度，凹槽[428]的開口面向第二轉(zhuǎn)子，在槽[428]中埋入永磁體或填充非導磁材料；(4)沿著第一轉(zhuǎn)子框架[427]的徑向，在框架[427]的圓周上以預定間隔開出凹槽[428]，凹槽[428]的徑向深度小于第一轉(zhuǎn)子[45]的徑向厚度，凹槽[428]的開口面向定子[6]，在槽[428]中埋入永磁體或填充非導磁材料；上述四種結(jié)構(gòu)中，當框架[427]由不導磁材料制成，槽[428]中嵌入釹鐵硼、釤鉆等材料制作的永磁體[421]，則構(gòu)成永磁隱極式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；也可以采用高強度塑料或碳纖維框架做第一轉(zhuǎn)子的框架；當框架[427]由導磁材料制成，槽[428]中嵌入釹鐵硼、釤鈷等材料制作的永磁體[421]，則構(gòu)成永磁磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；當框架[427]由導磁材料制成，槽[428]中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；沿著第一轉(zhuǎn)子框架[427]的徑向，在框架[427]的兩面上分別以預定間隔開出凹槽[428]，在槽[428]中填充非導磁材料或放置導電材料，并且將所有槽中的導體兩端分別用導體連接；當槽[428]中填充非導磁材料，則構(gòu)成磁阻式統(tǒng)一磁場雙機械端口電機；當槽[428]中放置導條或繞組，并且將所有槽[428]中的導條或繞組兩端分別用導體連接，則構(gòu)成感應(yīng)式的雙機械端口統(tǒng)一磁場電機。
4.雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于其有兩種拓撲結(jié)構(gòu)(1)一個電機控制單元[16]控制逆變器[11]和逆變器[12]，逆變器[11]和逆變器[12]與通過同一個直流母線[13]與直流電源[15]相連；由電機控制單元[16]控制上述逆變器[11]和逆變器[12]為本發(fā)明的雙機械端口電機[3]供電；電機控制單元[16]由中央處理單元CPU，存儲單元RAM/ROM和外圍的通訊、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模塊構(gòu)成可編程的通用控制電路，它通過信號線分別與兩個逆變器[11]和[12]以及雙機械端口電機[3]相連；電機控制單元[16]向逆變器[11]和逆變器[12]發(fā)出控制信號，同時接收采集到的雙機械端口電機[3]和逆變器[11]和逆變器[12]的輸出信號；(2)由一個電機控制單元[16]、逆變器[11]和逆變器[12]和一個直流—直流變換環(huán)節(jié)[14]構(gòu)成；直流母線[13]通過一個直流—直流變換環(huán)節(jié)[14]將兩個逆變器[11]和[12]與直流電源[15]連接；電機控制單元[16]由中央處理單元CPU，存儲單元RAM/ROM和外圍的通訊、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模塊構(gòu)成可編程的通用控制電路，它通過信號線分別與兩個逆變器[11]和[12]以及雙機械端口電機[3]相連；電機控制單元[16]向逆變器[11]、逆變器[12]和直流—直流變換環(huán)節(jié)[14]發(fā)出控制信號，同時接收采集到的雙機械端口電機[3]、逆變器[11]、逆變器[12]和直流—直流變換環(huán)節(jié)[14]的輸出信號。
5.按照權(quán)利要求4的所述的雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)速環(huán)控制器[D130]對徑向磁通雙端口電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]和外轉(zhuǎn)子[5]進行轉(zhuǎn)矩控制，方法如下設(shè)定內(nèi)轉(zhuǎn)子的給定轉(zhuǎn)速為ω2*，與轉(zhuǎn)速傳感器[9]測得內(nèi)轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速ω2的偏差經(jīng)過比例項、積分項的比例積分控制器[D140]控制，即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]所需的目標轉(zhuǎn)矩T2*；磁鏈觀測器[D144]通過對定子繞組[20]的反電勢積分，觀測出定子繞組[20]的磁鏈λs；定子反電勢由定子側(cè)電壓減去定子電阻壓降可得；根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制單元[D142]即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]在靜止坐標系下的目標電流；外轉(zhuǎn)子[5]的目標轉(zhuǎn)矩T1*通過外轉(zhuǎn)子[5]的目標轉(zhuǎn)速ω1*和實際轉(zhuǎn)速ω1偏差經(jīng)過比例積分控制器[D141]得出；由此目標轉(zhuǎn)矩T1*和定子磁鏈，通過轉(zhuǎn)矩控制單元[D143]即可計算出定子[6]在靜止坐標系下的目標電流；轉(zhuǎn)矩控制單元[D142]、[D143]首先根據(jù)|i|=T*|λs|]]>確定電流的大小，再根據(jù)磁鏈λs的相位來確定電流的相位；當轉(zhuǎn)矩給定為正時，電流超前于磁鏈λs90度，當轉(zhuǎn)矩給定為負時，電流滯后于磁鏈λs90度；將上述控制方法中的徑向磁通電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]對應(yīng)于軸向磁通電機的第二轉(zhuǎn)子[44]，將徑向磁通電機的外轉(zhuǎn)子[5]對應(yīng)于軸向磁通電機的第一轉(zhuǎn)子[45]，即可按上述方法控制軸向磁通的雙機械端口電機。
6.按照權(quán)利要求4所述的雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)速環(huán)控制器[D102]設(shè)定施加于同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流值，對徑向磁通雙機械端口電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]和外轉(zhuǎn)子[5]進行轉(zhuǎn)矩解耦控制，方法如下設(shè)定內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]的給定轉(zhuǎn)速為ω2*，與轉(zhuǎn)速傳感器[9]測的內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]實際轉(zhuǎn)速ω2的偏差經(jīng)過比例項、積分項、累計項的比例積分控制器[D120]控制，即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]所需的目標轉(zhuǎn)矩T2*，根據(jù)單位電流最大轉(zhuǎn)矩控制[D122]即可得出內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流idqr*；外轉(zhuǎn)子[5]的目標轉(zhuǎn)矩T1*通過外轉(zhuǎn)子[5]的目標轉(zhuǎn)速ω1*和實際轉(zhuǎn)速ω1偏差，經(jīng)過比例積分控制器[D121]得出；由解耦方案[D123]，令目標轉(zhuǎn)矩T1*中的包含內(nèi)轉(zhuǎn)子電流idqr*的部分為零得出解耦條件，同時根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流idqr*和目標轉(zhuǎn)矩T1*，可以確定外轉(zhuǎn)子[5]在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的目標電流；將上述控制方法中的徑向磁通電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子[4]對應(yīng)于軸向磁通電機的第二轉(zhuǎn)子[44]，將徑向磁通電機的外轉(zhuǎn)子[5]對應(yīng)于軸向磁通電機的第一轉(zhuǎn)子[45]，即可按上述方法控制軸向磁通的雙機械端口電機。
7.按照權(quán)利要求1至3的任何一項所述的雙機械端口電機，其特征在于雙機械端口電機[3]應(yīng)用于混合動力汽車時，雙機械端口電機[3]的第二機械端口直接與混合動力汽車的內(nèi)燃機輸出軸連接，第一機械端口通過混合動力汽車變速齒輪[18]和車輪[17]連接；一個雙機械端口電機驅(qū)動控制裝置的兩個逆變器分別給雙機械端口電機[3]的第一電氣端口和第二電氣端口供電。
8.按照權(quán)利要求4至6的的任何一項所述的雙機械端口電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于控制混合動力汽車的驅(qū)動方法如下當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等于車速時，第一電氣端口目標電流給定為零，即不進行控制；第二電氣端口施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速小于車速時，第一電氣端口目標電流給定為零，即不進行控制；第二電氣端口施加一個與第一機械端口同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第二機械端口轉(zhuǎn)速之和與第一機械端口的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速大于車速時，第一電氣端口目標電流給定為零，即不進行控制；第二電氣端口施加一個與第一機械端口反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第一機械端口轉(zhuǎn)速之和與第二機械端口轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速小于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第二機械端口轉(zhuǎn)速之和與第一機械端口的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速大于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之和等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第一機械端口轉(zhuǎn)速之和與第二機械端口轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個超前于統(tǒng)一磁場的直流的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速小于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口同方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第二機械端口轉(zhuǎn)速之和與第一機械端口的轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙中統(tǒng)一磁場相位；當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速大于車速時，第一電氣端口施加一個與第一機械端口同向旋轉(zhuǎn)的電流矢量，并且此電流矢量的相位滯后于氣隙中統(tǒng)一磁場的相位，控制此電流矢量的大小，使它與第一氣隙統(tǒng)一磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩之差等于汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；第二電氣端口施加一個與第一機械端口反方向旋轉(zhuǎn)的勵磁電流矢量，控制此勵磁電流的大小，使它在第二氣隙磁場的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩平衡，控制它的轉(zhuǎn)速等于第一機械端口轉(zhuǎn)速和第二機械端口的轉(zhuǎn)速差，即控制勵磁電流矢量的轉(zhuǎn)速和第一機械端口轉(zhuǎn)速之和與第二機械端口轉(zhuǎn)速相等，并且相位超前于氣隙統(tǒng)一磁場的相位。
全文摘要
一種雙機械端口電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)，主要包括第一機械端口[5]、第二機械端口[4]和定子[6]，其特征在于有徑向磁通結(jié)構(gòu)和軸向磁通結(jié)構(gòu)兩種形式，其外轉(zhuǎn)子有多種結(jié)構(gòu)。雙機械端口電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)一個電機控制單元[16]控制逆變器[11]和逆變器[12]，逆變器[11]和[12]與通過同一個直流母線[13]和直流一直流變換環(huán)節(jié)[14]與直流電源[15]相連，由電機控制單元[16]控制逆變器[11]和[12]，為雙機械端口電機[3]供電；也可以不采用直流一直流變換環(huán)節(jié)[14]的拓撲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明應(yīng)用于混合動力汽車時，將第一機械端口[5]通過變速齒輪[18]和車輪[17]連接，第二機械端口[4]與內(nèi)燃機[19]連接即可。本發(fā)明電機可以減輕轉(zhuǎn)子體積和重量，降低制造難度，提高效率和功率密度。
文檔編號H02P27/04GK1945939SQ200510130739
公開日2007年4月11日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者溫旭輝, 徐隆亞, 趙峰, 范濤, 陳桂蘭, 李社偉 申請人:中國科學院電工研究所