本發明屬于永磁電機領域，更具體地，涉及一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機及其應用。

背景技術：

混合動力汽車利用機械及電磁裝置，將發動機的轉速及輸出轉矩與車輪的轉速及轉矩完全解耦，從而實現發動機一直工作于高效率區，從而提高車輛的行駛效率。傳統的混合動力汽車采用行星齒輪結構雖然能夠較為方便地實現這一功能，但機械齒輪結構也帶來摩擦損耗、振動噪聲、維護較為頻繁等固有問題，同時該結構需要一個行星齒輪、兩個電機、多個離合器等設備，體積較為龐大。為了解決行星齒輪結構的問題，有學者提出了雙機械端口這一概念，該電機具有雙轉子，從而實現兩機械端口狀態的完全解耦，即可以利用一套電機系統實現行星齒輪系統的功能，緊湊型大為提升。然而，由于其中一個轉子需要設置電樞繞組，需要電刷滑環結構將電流引入旋轉電樞中，而電刷滑環結構同樣需要定期維護，同時可靠性較低，同時由于電樞旋轉，無法使用水冷、油冷等冷卻方式，導致電樞電流無法過高，因此輸出轉矩較低。為了克服這一缺陷，有學者提出了基于磁場調制原理的無刷雙機電端口電機。

在專利文獻CN105375714A公開了一種雙機械端口雙電端口永磁電機，其將磁場調制電機與普通永磁電機嵌入到同一臺電機內，外部定子與永磁體構成一臺普通永磁電機，內部定子、調制環與永磁體構成一臺磁場調制電機。該結構通過內、外定子繞組的電流頻率獨立控制兩轉子的轉速，通過普通永磁電機在永磁轉子上施加額外轉矩實現兩轉子的轉矩解耦，從而利用無刷結構實現雙機械端口電機的功能。

在該專利中，永磁電機具有雙定子和雙轉子結構，每個定子對應一個獨立電端口，每個轉子對應一個獨立機械端口，其中，兩定子的電樞磁場極對數不同，定子I上的繞組與永磁轉子和調制轉子作用，調制出定子I的電樞磁場，在調制環轉速固定時，通過調節定子電樞磁場的轉速能夠改變永磁轉子的轉速，從而實現兩轉子轉速獨立。定子II上的繞組與永磁轉子作用，實現轉矩調節功能。

但是該雙機械端口雙電端口永磁電機也存在以下不足：首先，該專利文獻中提出的結構具有兩個定子和兩個轉子，之間具有三層氣隙，因此對于制造加工的工藝要求高，同時制造過程較為復雜，生產成本較高；其次，該拓撲中永磁體產生的勵磁磁場需要穿越三層氣隙，其磁路磁阻較大，造成磁場較弱，削弱了電機的轉矩輸出能力。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機及其在混合動力汽車上的應用，其目的在于，將磁場調制電機以及普通永磁電機整合到單一徑向磁通結構中，結構較為緊湊，且其兩部分輸出轉矩能分別接近傳統的磁場調制電機以及普通永磁電機，在實現功能的同時維持了較大的轉矩密度。

為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，其包括環狀的定子鐵心、調制轉子和永磁轉子；

所述定子鐵心內表面開有閉口槽，槽內放置兩套極對數不等的繞組，一組為調制繞組，另一組為永磁繞組；

所述調制轉子包括調制轉子鐵軛，其與所述調制繞組及所述永磁轉子構成磁場調制電機結構；

相鄰調制轉子鐵軛之間設有調制轉子永磁體，所述調制轉子永磁體為切向勵磁結構，其與所述永磁繞組構成永磁電機結構。

進一步地，所述調制繞組(2)的極對數P_A、永磁繞組(3)的極對數P_A1、調制轉子鐵軛(4)塊數P_f以及永磁轉子極對數P_m滿足以下關系：

進一步地，所述永磁繞組與調制轉子之間相互作用產生穩定的電磁轉矩T_f1、永磁繞組(3)的電流有效值I_A1、電流角ψ_A1、調制轉子的轉速n_f以及永磁繞組(3)的電流頻率f_A1之間滿足如下關系：

T_f1＝k₁I_A1cosψ_A1

其中，k₁為僅與電機尺寸結構有關的常數。

進一步地，所述調制轉子和永磁轉子均受到磁場調制作用產生的轉矩,分別為T_f2與T_m，滿足：

T_f2＝P_fk₂I_A cosψ_A

T_m＝P_mk₂I_A cosψ_A

其中，k₂為僅與電機尺寸結構有關的常數，P_f為調制轉子鐵軛數量；

所述永磁轉子轉速n_f、調制轉子轉速n_m以及調制繞組的通電頻率f_A滿足：

P_fn_f-P_mn_m＝60f_A

調節兩套繞組內電流頻率f_A、有效值I_A1及電流角ψ_A1控制兩機械端口轉速與轉矩。

進一步地，所述調制繞組與永磁繞組之間不存在耦合。

優選地，所述永磁轉子永磁體為表貼式或內置式。

優選地，所述定子鐵心可放置于所述調制轉子和永磁轉子的外部或內部，從而構成外轉子或內轉子結構。

按照本發明的另一個方面，提供一種混合動力汽車，其包括所述的高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)相比現有的無刷雙機電端口電機拓撲，該結構將磁場調制電機以及普通永磁電機整合到單一徑向磁通結構中，結構較為緊湊，且其兩部分輸出轉矩能分別接近傳統的磁場調制電機以及普通永磁電機，在實現功能的同時維持了較大的轉矩密度；

(2)電機的兩套繞組均放置在定子側，實現電機無刷化；

(3)相比現有拓撲，該電機單定子，雙氣隙的結構更為緊湊，制造成本遠低于三氣隙的電機拓撲。

附圖說明

圖1為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，且定子放置于轉子外側；

圖2為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，且定子放置于轉子內側；

圖3為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，且永磁轉子為內置永磁體結構；

圖4為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機應用于混合動力汽車的示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1—定子鐵心，2—調制繞組，3—永磁繞組，4—調制轉子鐵軛，5—調制轉子永磁體，6—永磁轉子軛部，7—永磁轉子永磁體，8—本發明提出的雙機電端口電機，9—調制繞組控制器，10—永磁繞組控制器，11—發動機，12—車輪，13—蓄電池。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，且定子放置于轉子外側；圖2為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，且定子放置于轉子內側；圖3為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機，且永磁轉子為內置永磁體結構。

在本發明的優選實施例中，以圖1中的結構方案為例，對該電機的工作原理進行說明，其它實施例的高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機結構的工作原理類似。

如圖1所示，高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機結構中，包含由硅鋼片疊壓而成的定子鐵心1，其中鐵心內表面開有閉口槽，槽內放置兩套極對數不等的繞組，分別記為調制繞組2與永磁繞組3，調制繞組2的極對數為2，永磁繞組3的極對數為11，兩套繞組間不存在耦合；

如圖1所示，高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機還包括調制轉子，其置于定子內側，包括硅鋼片構成的沿圓周方向均勻分布的22塊呈環狀鐵軛4以及置于相鄰鐵軛中間的永磁體5，永磁體為切向勵磁，其極對數為11；

高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機還包括永磁轉子，其由轉子鐵心及表貼式永磁體7構成，永磁體極對數為20，恰好為調制轉子鐵軛塊數與調制繞組極對數的差。

由于電機永磁繞組3的極對數與調制轉子上永磁體極對數相同，構成一普通切向勵磁的永磁電機，因此定子與調制轉子之間可以相互作用產生穩定的電磁轉矩T_f1，該轉矩的大小僅與永磁繞組上電流有效值I_A1以及電流角ψ_A1有關，且調制轉子轉速n_f受永磁繞組內電流頻率f_A1控制，它們之間的關系為：

T_f1＝k₁I_A1 cosψ_A1 (1)

公式中，k₁為僅與電機尺寸結構有關的常數。

同時，調制繞組2極對數等于調制轉子鐵軛塊數與永磁轉子極對數的差，鐵軛除了充當調制轉子永磁體的軛部外，還充當調制永磁轉子所產生磁場的作用，因此它們構成一雙轉子的磁場調制電機，其中調制轉子與永磁轉子上均受到磁場調制作用產生的轉矩,分別記為T_f2與T_m。根據電機基本理論，兩轉子上由于該作用受到的轉矩滿足

T_f2＝22k₂I_A cosψ_A (3)

T_m＝20k₂I_A cosψ_A (4)

公式中，k₂為僅與電機尺寸結構有關的常數。

同時，永磁轉子轉速n_f、調制轉子轉速n_m以及調制繞組內通電頻率f_A滿足

22n_f-20n_m＝60f_A (5)

作為一種傳動裝置，該電機需要匹配輸入端的轉矩以及轉速，并在合適的轉速下輸出所需轉矩。換言之，電機兩個機械端口，也就是兩個轉子的轉速與轉矩均需獨立控制。

對于兩轉子轉速的控制，通過改變兩繞組電流頻率實現。根據公式(2)和(5)，通過所需的端口轉速可計算兩繞組電流頻率，反之通入該頻率電流后，兩轉子轉速可維持所需值。

為了使永磁轉子受到的轉矩為其所需值，根據公式(4)可以確定調制繞組電流及其相位，同時調制轉子上同樣受到由于磁場調制作用產生的轉矩，因此普通永磁電機提供給它的轉矩應該是所需轉矩與磁場調制電機轉矩的差，計算該轉矩的值后根據公式(3)確定永磁繞組內電流大小及相位。兩繞組均根據計算值通入電流可確保兩轉子上實際轉矩與所需要的值相同。

相比現有的無刷雙機電端口電機拓撲，該結構將磁場調制電機以及普通永磁電機整合到單一徑向磁通結構中，結構較為緊湊，且其兩部分輸出轉矩能分別接近傳統的磁場調制電機以及普通永磁電機，在實現功能的同時維持了較大的轉矩密度。

在本發明的優選實施例中，提供一種混合動力汽車，其包括所述的高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機。圖4為本發明實施例的一種高轉矩密度的無刷雙機電端口永磁電機應用于混合動力汽車的示意圖。如圖4所示，當雙機電端口電機8應用于混合動力汽車中時，可將永磁轉子與汽車發動機11相連，調制轉子與車輪12相連，在兩套繞組均工作時，利用調制繞組控制器10以及永磁繞組控制器11控制，可通過上述控制策略維持發動機輸入端轉速以及輸入轉矩保持恒定，確保發動機工作于高效率區，同時根據行駛要求，通過電端口電流頻率、幅值以及相位控制車輛行駛速度以及牽引力。此外，該系統也可使發動機不工作，調制繞組不通電，從而實現純電動，此時直接通過永磁繞組內電流的頻率、幅值以及相位控制車輛行駛。在系統中，蓄電池13可以從電端口儲存多余能量，并在需要時提供給兩電端口。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。