專利名稱：嵌套式永磁同步電機伺服系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及永磁同步電機伺服系統，具體為一種嵌套式永磁同步電 機伺服系統。實用新型還涉及永磁同步電機伺服系統的控制方法，具體為對本嵌套式 永磁同步電機伺服系統的控制運行方法。(二) 背景技術由于能源緊缺，油價不斷攀升，純燃油發動機驅動油耗大、污染大成為 關注焦點，原因與其發動機不便調整工作點、效率低有關，各國都加快了電 動車的研究。多年的研究發現純電動車存在很多問題，主要是目前的蓄電池性能不能 滿足驅動車輛的要求。蓄電池的能積比與汽油相比相差甚遠，重量為一噸的充滿電的蓄電池所具有的能量還不及發動機燃燒30公斤汽油輸出的能量大， 因此純電動車的續航能力都很有限。此外是充電時間長，轉換效率低，100 焦耳的電能量充入蓄電池，蓄電池能放出來的電能量不到40焦耳。快速充電 用時雖短，但蓄電池效率更加降低。特別是蓄電池反復充電的次數有限，使 用時間越長，其容量越低， 一般很快就報廢了，大量的廢舊電池將又造成環 境污染。目前研究表明油電混合動力車是比較現實可行的節能車，因此研究的重 點轉移到油電混合動力車。這種車配備了燃油發動機和蓄電池，同時還有發 電機和電動機。設計原理是通過發動機、發電機/電動機、蓄電池參與調節發 動機的工作點，使發動機的轉速和扭矩匹配在其最佳效率曲線上，從而使燃 油發動機間歇或持續高效運行以實現消耗等量燃油獲得更大的動能。通常的 方法是根據車輛行駛狀況的需要，將燃油發動機的產生的機械動能一部分輸 出給驅動軸、使之獲得一定的轉矩和轉速，其余的動能則用于驅動發電機發 電存貯于蓄電池，當特定地段或蓄電池電量飽和時，蓄電池帶動電動機驅動 車輛行駛。也可使燃油發動機間歇運行于高效率狀態，其動能由發電機轉為 電能直接傳遞給電動機或存儲于蓄電池，電動機驅動汽車運行。這樣，燃油發動機的運行效率有所提高。現有油電混合動力車的動力結構方案有串聯式、并聯式和串并聯混合式。 雖然實現了不同程度的節能，但現有的動力結構均存在一定的局限性，直接 影響整車制造成本和節能效果。目前的油電混合動力車的動力結構難以滿足進一步改進性能和實用的要求。永磁同步伺服電機的特點是效率高、體積小，一臺20KW左右的電機在100%滿載率下的效率可達93%， 20%滿載率下的效 率達81。％，并可由四象限驅動器控制切換到發電或電動的不同工作狀態，若 對其進行組合、改造，與發動機配合應用于油電混合動力車中，有可能達到 既便于調整發動機工作點、改進傳遞效率，又便于簡化結構和降低重量，實 現迸一步節能的目的。(三)實用新型內容本實用新型的目的是設計一種全新的嵌套式永磁同步電機伺服系統，這 種電機基于永磁同步電機工作原理，但具有兩個轉子、兩個軸、兩套繞組和 兩個磁路，構成的兩個分電機功率可合可分，在伺服系統控制下可分別工作 于電動機或發動機狀態。與燃油發動機配合，實現調整燃油發動機工作點提 高其效率、改變能量傳遞方式提升傳遞效率、簡化油電混合動力結構、改進 動力性的目的。本實用新型設計的嵌套式永磁同步電機伺服系統包括定子、外轉子和內 轉子，定子為電樞繞組，處于最外層，固定于機殼；外轉子處于定子內，其 上嵌有內外層永磁磁極，外轉子外層磁極為定子提供磁場，外轉子與定子構 成外電機。內轉子為電樞，位于外轉子內，外轉子內層磁極為1^轉子提供磁 場，外轉子與內轉子構成內電機。外轉子軸為本電機輸出軸，內轉子軸為本 電機動力輸入軸。輸出軸上安裝有輸出齒輪，輸出齒輪與外部負載連接。 輸入軸與發動機軸連接，即發動機軸即為本系統輸入軸。 本實用新型設計的嵌套式永磁同步電機伺服系統還包括兩個伺服驅動 器、兩個速度/位置傳感器，A、 B速度/位置傳感器分別安裝于內轉子軸和 外轉子的軸上，A速度/位置傳感器分別連接A伺服驅動器，B速度/位置傳感 器連接到A、 B伺服驅動器。A伺服驅動器通過滑環與內轉子上的繞組連接， B伺服驅動器直接連接定子線圈繞組。A伺服驅動器和B伺服驅動器通過公共 直流母線連接。控制單元連接A、 B伺服驅動器，A、 B速度/位置傳感器接入 控制單元。控制單元主體為計算機。公共直流母線還連接儲能單元和用電單 元，儲能單元內包含電容、蓄電池及其控制和保護線路，用電單元為空調等 其它用電器。本實用新型設計的嵌套式永磁同步機電機伺服系統的控制運行方法如下本系統的內轉子與發動機的軸同步轉動，A伺服驅動器通過A、 B速度/ 位置傳感器的位置信號得到內外轉子的相對位置，A伺服驅動器按控制單元 給出的扭矩設定值和內外轉子的相對位置信號對內轉子的繞組加載相應的電 流矢量，對內電機進行扭矩伺服控制。B伺服驅動器按控制單元給出的扭矩 設定值和外轉子的位置信號對定子的繞組加載相應的電流矢量，對外電機進 行扭矩伺服控制。內外電機均可四象限運行，在各自的伺服驅動器控制下工 作于發電機或電動機狀態。外部發動機運行的情況下，內轉子在與其連接的外部發動機的機械動能 驅動下轉動，A伺服驅動器對內電機進行扭矩伺服控制，使得內轉子對發動 機施加負載扭矩。調整內電機的扭矩設定，即可使發動機的扭矩與轉速按發 動機最佳效率曲線數據匹配，調整發動機工作點，達到節能目的。外轉子同 時受到內轉子的反作用力，該反作用力通過輸出齒輪傳遞到外部負載、直接 對外做功，此輸出的功率為透過功率。此時沿著發動機的轉動方向，如果外 轉子轉動速度低于內轉子的轉速，則內電機處于發電機狀態運行，它所發出 的電能通過A伺服驅動器輸送到公共直流母線上的儲能單元或用電單元；如 果外轉子轉動速度高于內轉子的轉速，則內電機處于電動機狀態運行，它從 公共直流母線取用的電能通過A伺服驅動器和內電機轉換為外轉子的動能， 與發動機透過來的能量一起送至輸出軸。與此同時，如果B伺服驅動器獲得 的扭矩設定方向與外轉子旋轉方向相同，則B伺服驅動器通過公共直流母線 吸收電能，驅動外電機工作于電動機狀態，外轉子轉動的動能也通過輸出齒 輪對外部負載做功；如果B伺服驅動器獲得的扭矩設定方向與外轉子旋轉方 向相反，則B伺服驅動器控制外電機處于發電機狀態運行，將軸上的機械能 量轉變為電能送入公共直流母線，外電機對負載進行電氣制動回饋電能。本嵌套式永磁電機在其伺服驅動裝置控制下，按功率透過、發電儲能、 用電做功、制動回饋電能的新型動力傳遞方法運行。當A伺服驅動器控制外 轉子向內轉子施加與發動機軸轉動方向相反的力矩時，由于作用力與反作用 力的原理，內轉子也同時向外轉子施加大小相等、方向相反的力矩，即此時 外轉子同時受到的電磁扭矩方向與內轉子旋轉方向相同。此時外轉子帶動負 載轉動，即外轉子對外輸出機械功率，此功率是本伺服系統控制運行過程中 從發動機得到的動能、經內轉子、再經過其內外轉子的電磁耦合、直接透過 到負載的機械功率，故稱其為透過功率。電磁耦合的透過功率不經過任何衰 減、100%地送達最終負載。內轉子獲得的機械功率與外轉子輸出的機械功率 之差即為內電機用來發電的功率。該部分功率乘以內電機及A伺服驅動器的 綜合發電效率即為內電機輸出到公共直流母線的電功率。本實用新型的嵌套式電機伺服系統可將部分能量不經衰減100%送達負載側，因而總的效率遠高于傳統的發電-儲能-用電驅動方式。當外部發動機停止運轉時，B伺服驅動器可通過公共直流母線吸收電能， 使外電機按電動機模式運行，對外部負載做功；A伺服驅動器使內轉子繞組 的電流矢量大小為零，內轉子與外轉子之間電磁力為零，內轉子靜止，外轉 子轉動。當外部發動機開始啟動時，需外力協助由停止進入運轉狀態，內外電機 可經其伺服驅動器通過公共直流母線吸收電能，按電動機模式運行，內外電 機施加在外轉子的扭矩大小相等方向相反，故輸出軸靜止，而外轉子對內轉 子的作用扭矩使與內轉子連接的外部發動機轉動。控制單元可對B伺服驅動器施加反向的扭矩設定，B伺服驅動器控制外 電機工作于正向轉動、反向出力的發電機狀態，負載經外轉子送入的動能被 轉化為電能傳送至公共直流母線，外轉子對輸出軸的反向扭矩使負載制動。 上述制動過程中，內電機有兩種工作狀態其一是A伺服驅動器控制內電機向發動機施加有限的順拖負載扭矩，即所施加的扭矩與發動機轉動方向相同， 但其力量不會使發動機熄火，此時外轉子對外的透過扭矩為制動方向的扭矩，可一定程度上輔助外電機的電制動，并回饋制動能量到公共直流母線；其二 為A伺服驅動器使內轉子繞組的電流矢量大小為零，內轉子與外轉子間電磁 力為零，外部負載制動時僅B電機按發電機模式運行進行電制動。根據整個伺服驅動系統的運行狀況，本嵌套式永磁同步電機的任何一個 電機都可以在其伺服驅動器的控制下實現獨立的四象限運行。 本實用新型的嵌套式永磁同步機電機伺服系統的優點為-1、不受外負載影響，可通過伺服驅動器獨立對燃油發動機的軸加載，便 于調整燃油發動機工作點使其使用等量燃油輸出更大動能；相對于純燃油式 的動力結構，本實用新型可獨立調整燃油發動機工作點，提高燃油的化學能轉換成動能的效率達20 60%; 2、發動機的動能一部分以機械能直接傳遞，另一部分轉為電能傳遞；相對于發動機的純機械能傳遞結構，本實用新型因 可調整燃油發動機工作點、使燃油能轉為動能的效率更高；相對于發動機的 動能轉換為純電能后傳遞的結構，因一部分動能以透過功率100%直接傳遞到負載側，發動機的動能轉為外負載機械能的平均效率提高5%以上；3、伺服驅動器調節與發動機連接的內外轉子相互作用扭矩，使兩者可相互無作用力或以某一扭矩接合；4、燃油發動機、內外電機三個動力源以電磁力方式耦合， 實現非接觸式功率或扭矩疊加，組合靈活、控制方便，無結合噪音和磨損；5、 內外電機均可在伺服驅動器控制下實現四象限工作，便于各個動力的組合；6、 內外電機可四象限工作，便于實現回收制動能，便于輔助發動機出力；7、本 電機伺服系統適合用于油電混合動力車，相對于串聯式、并聯式、混合式的 動力結構，大大簡化了油電混合動力車的結構，進一步提高整車燃油能量的 利用效率，節能效果明顯，成本下降明顯。(四)
圖1為本嵌套式永磁同步電機伺服系統實施例結構示意圖。 圖中標號為1、 A速度/位置傳感器，2、輸入軸，3、滑環，4、內轉子，5、外轉子， 6、定子7、 A伺服驅動器，8、控制單元，9、公共直流母線，10、用電單 元，11、儲能單元，12、 B伺服驅動器，13、 B速度/位置傳感器，14、輸 出軸，15、輸出齒輪。
具體實施方式
本實用新型設計的嵌套式永磁同步電機伺服系統實施例結構如圖1所示，包括定子6、外轉子5和內轉子4，定子6為電樞繞組，處于最外層，固 定于機殼；外轉子5處于定子6內，其上嵌有內外層永磁磁極，外轉子5的 外層磁極為定子6提供磁場，外轉子5與定子6構成外電機。內轉子4為電 樞，位于外轉子5內，外轉子5的內層磁極為內轉子4提供磁場，外轉子5 與內轉子4，構成內電機。外轉子5軸為本電機輸出軸14，內轉子4軸為本 電機動力輸入軸2。輸出軸14上安裝輸出齒輪15，輸出齒輪15與外都負載 連接。輸入軸2與發動機軸連接，即發動機軸即為本系統輸入軸2。本實用 新型的嵌套式永磁同步電機伺服系統還包括兩個伺服驅動器、兩個速度/位置
傳感器，輸入軸2上安裝A速度/位置傳感器1，用于測量內轉子4的旋轉速度及所在位置。A伺服驅動器7經滑環3連接內轉子4的繞組，A速度/位置 傳感器1也與A伺服驅動器7連接。外轉子5的軸上安裝B速度/位置傳感器 13，用于測量外轉子5的旋轉速度及所在位置。B速度/位置傳感器13與B 伺服驅動器12和A伺服驅動器7連接，B伺服驅動器13連接定子6的線圈 繞組。控制單元8連接A、 B伺服驅動器7、 12， A、 B速度/位置傳感器l、 13接入控制單元8。控制單元8主體為計算機，其按需要給出內外電機的扭 矩設定。A、 B伺服驅動器7、 12經公共直流母線9連接。公共直流母線9連 接儲能單元ll，還可連接用電單元IO。儲能單元10內包含電容、蓄電池及 其控制和保護線路。
權利要求1、 一種嵌套式永磁同步電機伺服系統，包括永磁電機及伺服驅動裝置，其 特征在于永磁電機為嵌套式永磁同步電機，包括定子(6)、外轉子(5)和內轉子(4)， 定子(6)為電樞繞組，處于最外層，固定于機殼；外轉子(5)處于定子(6)內，其上嵌有內外層永磁磁極，外轉子(5)與定子(6)構成外電機；內轉子(4)為電樞，位于外轉子(5)內，外轉子(5)與內轉子(4)構成內電機； 外轉子(5)軸為本電機輸出軸(14)，內轉子(4)軸為本電機動力輸入軸(2);所述伺服驅動裝置包括兩個伺服驅動器、兩個速度/位置傳感器，A、 B速度 /位置傳感器(1、 13)分別安裝于內轉子(4)和外轉子(5)的軸上，A速度/ 位置傳感器(1)連接A伺服驅動器(7)， B速度/位置傳感器(13)同時連接A、 B伺服驅動器(7、 12); A伺服驅動器(7)通過滑環(3)與內轉子(4)的繞 組連接，B伺服驅動器(12)直接連接定子(6)的繞組；控制單元(8)連接A、 B伺服驅動器(7、 12)， A、 B速度/位置傳感器(1、 13)接入控制單元(8); 控制單元(8)主體為計算機，A伺服驅動器(7)和B伺服驅動器(12)通過 公共直流母線(8)連接。
2、 根據權利要求l所述的嵌套式永磁同步電機伺服系統，其特征在于 所述輸入軸(2)與發動機軸連接。
3、 根據權利要求1或2所述的嵌套式永磁同步電機伺服系統，其特征在于: 所述嵌套式電機輸出軸(14)上安裝輸出齒輪(15)，輸出齒輪(15)連接夕卜負載。
專利摘要本嵌套式永磁同步電機伺服系統，系統包括定子、外轉子和內轉子構成的嵌套式電機，繞組定子固定于機殼，外轉子處于定子內，外轉子外層磁極為定子提供磁場構成外電機。外轉子內層磁極為其內的內轉子電樞提供磁場構成內電機。外轉子軸為輸出軸，內轉子軸為輸入軸、與發動機軸連接。二速度/位置傳感器分別安裝于外內轉子軸，A傳感器接A伺服驅動器，B傳感器接AB伺服驅動器。二驅動器分別接二電機繞組、與公共母線相接。控制單元接二驅動器和二傳感器。控制單元設定二電機扭矩，二驅動器控制二電機分別工作于發電機或電動機模式；發動機動能部分無損耗透過電機直接送達負載側、部分轉換為電能。負載制動能量也能回收，節能效果明顯。
文檔編號H02P6/14GK201039064SQ20072007914
公開日2008年3月19日 申請日期2007年4月10日 優先權日2007年4月10日
發明者虹 呂 申請人:桂林吉星電子等平衡動力有限公司