專利名稱：混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置
本實(shí)用新型涉及一種混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置。
現(xiàn)代中高級轎車采用的無級液力自動變速器AT，由于其傳動效率低、油耗 大、制造難、成本高，現(xiàn)在已有被CVT和AMT所取代的趨勢。但因CVT和AMT 均未能從根本上解決采用無級自動變速器所帶來的上述問題，所以，在中高級 轎車上并沒有獲得廣泛使用。尤其在世界能源緊張、節(jié)能減排呼聲高漲的今天， 應(yīng)運(yùn)而生的混合動力電動汽車，就必須重新審視該如何采用無級自動變速驅(qū)動 裝置。
因混合動力電動汽車的電動機(jī)與機(jī)械變速器的連接方法不同，所形成變速 驅(qū)動裝置的性能有很大差異。據(jù)中國工程院院士陳清泉等編著的《現(xiàn)代電動汽 車技術(shù)》第三章所載目前，世界混合動力電動汽車按發(fā)動機(jī)與電動機(jī)連接方 式功能分類共有4種，其中，有串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式。這4種方 式，因發(fā)動機(jī)與驅(qū)動電動機(jī)之間均沒有任何形式的直接聯(lián)系，雖有許多優(yōu)點(diǎn)， 但仍有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗余，效率不高等不足之虞。若要實(shí)現(xiàn)無級自動變速，還必須 增加新變速裝置，使成本進(jìn)一步增高。
1999年11月，日本本田公司開發(fā)上市的Insight轎車，它用電動機(jī)的一
個(gè)轉(zhuǎn)子代替飛輪與發(fā)動機(jī)曲軸呈機(jī)械連接，而固定不動的定子則與發(fā)動機(jī)呈磁 鏈連接，再施以與電子控制器相連接的電路，構(gòu)成新的混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)。 Insight是將飛輪、起動機(jī)、發(fā)電機(jī)的功能集成一體，并以磁鏈連接方式將電 動機(jī)與發(fā)動機(jī)連體。這已與前述4種方式完全不同，應(yīng)屬于新的可稱為集成式 的第5種方式。顯然，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、功能多、成本低，但是，電動機(jī)與發(fā)動機(jī)雖有磁鏈的連體關(guān)系，可通過電子控制器控制轉(zhuǎn)子，間接控制 發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，卻由于電動機(jī)/發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)的功率混合是等速疊加，限制 了電機(jī)特性的發(fā)揮，系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化區(qū)間受到影響，其調(diào)速范圍狹窄，也不能使 發(fā)動機(jī)始終處于高效工作區(qū)，更不能實(shí)現(xiàn)無級自動變速，權(quán)稱這種動力混合疊 加形式為低度集成型。
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供--種效率高、調(diào)速 范圍寬廣、各速功率混合疊加、更大限度地優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)匹配，使發(fā)動機(jī)、電 機(jī)、電池組等始終工作在最佳狀態(tài)，油耗和排放達(dá)到最低，并在實(shí)現(xiàn)無級自動 變速的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)油、電單獨(dú)驅(qū)動和油電混合驅(qū)動及制動/下坡能量回收 等多種工作模式。
為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型采用了 2個(gè)可繞電機(jī)中心軸自由旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子
與單排或多排行星齒輪機(jī)構(gòu)組合呈機(jī)械連接組成的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成 體。集成體的一個(gè)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機(jī)連體的同時(shí)，與另一個(gè)轉(zhuǎn)子一樣，機(jī)械連接行 星排，發(fā)動機(jī)通過該轉(zhuǎn)子與電機(jī)磁鏈連接。功率變換器、電子控制器及總線、 電池組等不僅通過固定在電機(jī)動力總成殼體上的滑環(huán)、電路接口與電機(jī)中l(wèi)個(gè)
或2個(gè)轉(zhuǎn)子電力連接，而且還與發(fā)動機(jī)直接地實(shí)現(xiàn)電力連接。這就組成了無級 自動變速驅(qū)動裝置基體的主要架構(gòu)。
為解決上述任務(wù)，本實(shí)用新型的混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū) 動裝置，由帶電樞鐵芯及繞組的第一個(gè)轉(zhuǎn)子和帶永磁體的第二個(gè)轉(zhuǎn)子且有2自 由度可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子、滑環(huán)等組成的電機(jī)，與包含數(shù)個(gè)制動器、數(shù)個(gè) 單向離合器和普通離合器在內(nèi)，有2自由度或2自由度以上的行星排機(jī)構(gòu)組合呈 機(jī)械連接，組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體；電機(jī)第一個(gè)轉(zhuǎn)子除通過曲軸的延長中軸，穿過第二個(gè)轉(zhuǎn)了基體回轉(zhuǎn)中心中空軸管，與行星排機(jī)構(gòu)組合三元件中的某 一元件機(jī)械連接外，還替代發(fā)動機(jī)的飛輪、離合器，通過曲軸與發(fā)動機(jī)機(jī)械連 體，第二個(gè)轉(zhuǎn)子除與行星排機(jī)構(gòu)組合機(jī)械連接外，還通過前述第--個(gè)轉(zhuǎn)子與發(fā)動
機(jī)呈磁鏈連接，對于FF驅(qū)動形式，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體的行星排機(jī)構(gòu)組 合再與差速器機(jī)械連接，從而組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排機(jī)構(gòu)組合-差速器一體的 電機(jī)動力總成。電機(jī)動力總成的殼體合件與發(fā)動機(jī)殼體機(jī)械連接，并共同組成 發(fā)動機(jī)-電機(jī)混合動力總成。通過電機(jī)動力總成殼體的滑環(huán)及電路接口，與雙轉(zhuǎn) 子電機(jī)-行星排集成體內(nèi)的電機(jī)及其數(shù)個(gè)制動器、數(shù)個(gè)單向離合器與普通離合器 等，和發(fā)動機(jī)一起直接與功率變換器、電子控制器及總線、電池組呈電力連接， 發(fā)動機(jī)與電機(jī)的動力在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體內(nèi)混合疊加后，由差速器輸出 給傳動軸，最終傳遞至驅(qū)動車輪。電機(jī)動力總成與功率變換器、電子控制器及總 線、電池組等一起構(gòu)成混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置。該裝
置為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成式；
作為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施方案，所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成體內(nèi) 電機(jī)，除設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合之前外，也可以設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合之后，還 可以設(shè)置在2個(gè)行星排機(jī)構(gòu)組合之間，并與行星棑的1個(gè)或2個(gè)元件機(jī)械連接；
作為本實(shí)用新型的第3種實(shí)施方案，當(dāng)汽車采用FR驅(qū)動形式時(shí)，將差速器
從電機(jī)動力總成內(nèi)移至后軸驅(qū)動橋內(nèi)，新電機(jī)動力總成僅由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排
機(jī)構(gòu)組合組成，其動力輸出由行星排機(jī)構(gòu)組合的行星排元件之一抑或轉(zhuǎn)子完成；
作為本實(shí)用新型的第4種實(shí)施方案，在所述電機(jī)的動力輸出端一個(gè)轉(zhuǎn)子， 再與由帶電樞鐵芯及繞組的第—-.個(gè)轉(zhuǎn)子和帶永磁體的第二個(gè)轉(zhuǎn)子且有2自由度 可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子、滑環(huán)等組成的電機(jī)的動力輸入端呈機(jī)械連接，串聯(lián)組成2個(gè)或多個(gè)雙轉(zhuǎn)了屯機(jī)集成體。由該集成體構(gòu)成的電機(jī)動力總成與功率變 換器、電子控制器及其總線、電池組等一起，組成混合動力電動汽車集成式無 級自動變速驅(qū)動裝置。該裝置為雙轉(zhuǎn)子多電機(jī)型集成式；
作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn),動力輸出端的發(fā)動機(jī)曲軸，可與行星排機(jī)構(gòu)組 合中的1-2個(gè)元件機(jī)械連接，抑或與電機(jī)的1-2個(gè)轉(zhuǎn)子機(jī)械連接；
作為本實(shí)用新型的另一種改進(jìn)，對亍所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)可以是永磁電機(jī)或勵(lì) 磁電機(jī)，永磁體或勵(lì)磁繞組及鐵芯可以在第一個(gè)轉(zhuǎn)子上，也可以在第二個(gè)轉(zhuǎn)子 上，相對應(yīng)的另一轉(zhuǎn)子即為繞組線圈及鐵芯。當(dāng)2個(gè)轉(zhuǎn)子都采用繞組線圈及鐵 芯結(jié)構(gòu)時(shí)，必須要比帶永磁體轉(zhuǎn)子時(shí)多采用一個(gè)滑環(huán)。
對于所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)可以工作在電動機(jī)模式下，也可以工作在發(fā)電機(jī)模式 下，在與行星排機(jī)構(gòu)組合及發(fā)動機(jī)一起協(xié)調(diào)工作完成無級自動變速的同時(shí)，實(shí)現(xiàn) 油、電單獨(dú)驅(qū)動和油電混合驅(qū)動及制動/下坡能量回收等多種工作模式。其模式 切換和調(diào)速功能均由功率變換器、電子控制器及其總線、電池組等實(shí)現(xiàn)。
功率變換器由IGBT或GTO等功率器件，采用PWM或逆變等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成； 電子控制器由微處理器或DPS與各種軟件等構(gòu)成；電池組可采用鉛酸電池、鎳 氫電池、鋰電池、燃料電池等。
將節(jié)氣門開度、制動踏板位置、變速檔位、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或車速等控制信號 輸入電子控制器，實(shí)現(xiàn)無級自動變速及各種驅(qū)動方式的控制與切換。
由于本實(shí)用新型采用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型電機(jī)動力總成，不僅有如 Insight般省去飛輪、起動機(jī)、發(fā)電機(jī)，還省去了原車離合器，相對采用較多 的無級自動液力變矩器AT而言，因雙轉(zhuǎn)子龜機(jī)本身就是變矩器，不僅省去AT 中的液力變矩器和復(fù)雜的液力控制系統(tǒng)，還同樣可以實(shí)現(xiàn)無級自動變速，使制造大為容易，整車成本有較多下降；又由于結(jié)構(gòu)更為緊湊，軸向尺寸更小、重量 輕，所以能有效抵銷一部分因采用電機(jī)、功率變換器、電子控制器及電池組等 所帶來的整車重量和成本的增加，對于轎車普遍采用的FF橫向發(fā)動機(jī)布置方式 尤為有利；又因電機(jī)2個(gè)轉(zhuǎn)子均與行星排機(jī)械連接，使設(shè)計(jì)方法、控制策略及 選擇自由度增加，能在各速下實(shí)現(xiàn)功率混合疊加，故可更大限度地優(yōu)化系統(tǒng)參 數(shù)匹配，使調(diào)速范圍更寬廣，令發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和電池組始終協(xié)調(diào)地處于最佳 工作狀態(tài)。由于系統(tǒng)效率提高，所以整車油耗降低、排污減少。
采用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，不僅將飛輪、離合器、起動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變矩器、功率 耦合器諸多功能集成一體，而且還能將發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、行星排機(jī)構(gòu)組合、差 速器的實(shí)體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化，在完成無級自動變速的同時(shí)，完成油、電單獨(dú)驅(qū)動 和油電混合驅(qū)動及制動/下坡能量回收等多種工作模式。權(quán)稱這種動力混合疊加 形式為高度集成型。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步祥細(xì)說明。


圖1為混合動力電動汽車按發(fā)動機(jī)與電機(jī)連接方式分類功能框圖； 圖2為本實(shí)用新型FF驅(qū)動形式橫置發(fā)動機(jī)混合動力電動汽車集成式無級自 動變速驅(qū)動裝置功能示意圖3為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型和雙轉(zhuǎn)子多電機(jī)型集成體局部剖視示意圖； 圖4為FR驅(qū)動形式混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置局部剖 結(jié)構(gòu)簡圖5為圖4中制動器結(jié)構(gòu)B-B剖視局部放大簡圖。
圖6為混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置8種工作模式框圖。
圖1中，B為蓄電池組，E為內(nèi)燃機(jī)，F(xiàn)為油箱，G為發(fā)電機(jī)，M為驅(qū)動電動機(jī)，Mo為另一個(gè)電動機(jī)，P為功率轉(zhuǎn)換器，Po為另一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器，T為傳動 裝置(包括制動器、離合器、齒輪箱)。對于
圖1中(5)-(6)，Mz為轉(zhuǎn)子，Md為定 子，Mi、 M2為2個(gè)轉(zhuǎn)子，To為另--個(gè)傳動裝置(包括制動器、離合器、齒輪箱 和差速器)；圖中，粗實(shí)線為電力連接，細(xì)實(shí)線為液流連接，雙實(shí)線為機(jī)械連 接。圖中(1)-(4)為在背景技術(shù)《現(xiàn)代電動汽車技術(shù)》 一書所載較為公認(rèn)的分 類；(5)為Insight公知結(jié)構(gòu)的分類功能框圖；(6)為本實(shí)用新型的分類功能框 圖，圖中l(wèi)為電機(jī)動力總成，2為電力接口。其中轉(zhuǎn)子M2由永磁體構(gòu)成。若其 為勵(lì)磁繞組及鐵芯構(gòu)成，則有電力連接于接口 2;圖(5)-(6)中雙虛線為磁鏈連 接。
圖2中由帶電樞鐵芯及繞組的第一個(gè)轉(zhuǎn)子Ml和帶永磁體的第二個(gè)轉(zhuǎn)子M2 且有2自由度可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子、滑環(huán)7等組成的電機(jī)Mi-M2，與包含 數(shù)個(gè)制動器D、數(shù)個(gè)單向離合器Co、 C3和普通離合器Ci、 C2在內(nèi)，有2自由度 或2自由度以上的行星排機(jī)構(gòu)組合8或9呈機(jī)械連接，組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排 集成體。電機(jī)轉(zhuǎn)子Mi除通過曲軸14的延長中軸10，穿過轉(zhuǎn)子M2基體回轉(zhuǎn)中心 中空軸管，與行星排機(jī)構(gòu)組合8或9三元件中的某一元件機(jī)械連接外，還替代發(fā) 動機(jī)13的飛輪、離合器，通過曲軸14與發(fā)動機(jī)13機(jī)械連體，轉(zhuǎn)子M2除與行 星排機(jī)構(gòu)組合8或9機(jī)械連接外，還通過轉(zhuǎn)子Mi與發(fā)動機(jī)13呈磁鏈連接，對于 FF驅(qū)動形式，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體的行星排機(jī)構(gòu)組合8或9再與差速器 11機(jī)械連接，從而組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排機(jī)構(gòu)組合-差速器一體的電機(jī)動力總 成l。電機(jī)動力總成1的殼體合件15與發(fā)動機(jī)13殼體機(jī)械連接，并共同組成 發(fā)動機(jī)-電機(jī)混合動力總成。通過電機(jī)動力總成殼體合件15的滑環(huán)7及電路接 口 2，與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體內(nèi)的電機(jī)Mi-M2及其數(shù)個(gè)制動器D、數(shù)個(gè)單向離合器C()、 C3與普通離合器Ci、 C'2等，和發(fā)動機(jī)13 —起直接與功率變換器16、 電子控制器及總線17、電池組18成電力連接，發(fā)動機(jī)13與電機(jī)Mi-M2的動力 在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體內(nèi)混合疊加后，由差速器11輸出給傳動軸12、 19， 最終傳遞至驅(qū)動車輪20，電機(jī)動力總成1與功率變換器16、電子控制器及總線 17、電池組18等一起構(gòu)成混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置。 該裝置為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成式。
如圖2所示，電機(jī)Mi-M2，除設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合8或9之前外，也可以 如圖3(1)設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合8或9之后，還可以如圖3(2)設(shè)置在行星排機(jī) 構(gòu)組合8與9之間，并與行星排的1個(gè)或2個(gè)元件機(jī)械連接；
當(dāng)汽車采用FR驅(qū)動形式時(shí)，將差速器11從電機(jī)動力總成1內(nèi)移至后軸驅(qū)動 橋內(nèi)，新電機(jī)動力總成僅由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排機(jī)構(gòu)組合組成，其動力輸出由行 星排機(jī)構(gòu)組合8或9的行星排元件之一抑或轉(zhuǎn)子Mi或M2完成，如圖3(1)-(3);
如圖3(3)所示，在所述電機(jī)Mi-M2的動力輸出端轉(zhuǎn)子Mi，再與由帶電樞鐵 芯及繞組的第一個(gè)轉(zhuǎn)子M4和帶永磁體的第二個(gè)轉(zhuǎn)子M3且有2自由度可繞中心 軸旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子、滑環(huán)7等組成的電機(jī)的動力輸入端M3或M4呈機(jī)械連接，串 聯(lián)組成2個(gè)或多個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)集成體，由該集成體構(gòu)成的電機(jī)動力總成與功率 變換器16、電子控制器及其總線17、電池組18等一起，組成混合動力電動汽 車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置。該裝置為雙轉(zhuǎn)子多電機(jī)型集成式；
發(fā)動機(jī)動力輸出端曲軸14，可與行星排機(jī)構(gòu)組合8或9中的1-2個(gè)元件機(jī) 械連接，抑或與電機(jī)Mi-M2或電機(jī)M3-M4的1-2個(gè)轉(zhuǎn)子機(jī)械連接；
對于所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)Mi-M2或電機(jī)M3-M4可以是永磁電機(jī)或勵(lì)磁電機(jī)，永磁 體或勵(lì)磁繞組及鐵芯可以在轉(zhuǎn)子Mi或M4上，也可以在轉(zhuǎn)子M2或M3上，相對應(yīng)的另一轉(zhuǎn)子即為繞組線圈及鐵芯。當(dāng)2個(gè)轉(zhuǎn)子都采用繞組線圈及鐵芯結(jié)構(gòu)吋， 必須要比帶永磁體轉(zhuǎn)子時(shí)多采用一個(gè)滑環(huán)；
對于所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)Mi-M2或雙轉(zhuǎn)子電機(jī)M3-M4可以工作在電動機(jī)模式下，
也可以工作在發(fā)電機(jī)模式下，在與行星排機(jī)構(gòu)組合及發(fā)動機(jī)一起協(xié)調(diào)工作完成 無級自動變速的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)油、電單獨(dú)驅(qū)動和油電混合驅(qū)動及制動/下坡能量回
收等多種工作模式。其模式切換和調(diào)速功能均由功率變換器16、電子控制器及 其總線17、電池組18等實(shí)現(xiàn)。
參考圖2，由本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，如圖4所示結(jié)構(gòu)知，對所述混合動 力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置，其殼體合件15由兩部分，即開有 進(jìn)風(fēng)口的前半殼44與開有出風(fēng)口的后半殼60組成。在兩半殼之間夾有立板48 和與之緊密相連的滑環(huán)49，通過羅栓組件50將它們4件緊固成一體。端板41 配在前半殼44前端突緣處，并通過羅栓40將其與殼體合件15共同緊固在發(fā) 動機(jī)外殼上；
作為本裝置動力輸入接口的電機(jī)轉(zhuǎn)子Ml由電樞基體33和鐵芯及繞組4(3組 成。在其前段外軸頸處依次緊密裝有滾動軸承34和單向離合器Co及由2個(gè)半 滑環(huán)36、 37組成的滑環(huán)7。滾動軸承34外圈與端板41的內(nèi)孔緊密配合，單向 離合器Co的外環(huán)通過羅栓39緊固在端板41上，滑環(huán)7的靜止環(huán)37與單向離 合器Co的外環(huán)連成一體，旋轉(zhuǎn)環(huán)36與電樞基體33連成一體同步旋轉(zhuǎn)。
電樞基體33前段軸頸內(nèi)孔開有花鍵與發(fā)動機(jī)動力輸出曲軸14的外花鍵配 合，電樞基體33中心軸頸通過滑套30與離合器Ci從動轂24徑向滑配。離合 器Ci從動轂24后段軸有外花鍵和外圓柱面分別與組成中軸10的中心軸23的 內(nèi)花鍵和內(nèi)孔面定位配合，并由羅栓25將二者緊固成一體以傳遞曲軸扭矩。離合器Cl由電樞基體33內(nèi)的一部分，外加固定其上的電磁線圈及推桿32、壓 盤31、數(shù)片金屬擋片29共同構(gòu)成離合器Ci的主動件；由數(shù)只摩擦片28和從 動轂24共同構(gòu)成離合器Ci的從動件。金屬擋片29與摩擦片28有隙間或布置。 金屬擋片29的外圓周與摩擦片28內(nèi)圓周都制有數(shù)道凹槽，分別與電樞基體33 和從動轂24的內(nèi)外花鍵齒相契合，并隨同各自一起旋轉(zhuǎn)；
電機(jī)轉(zhuǎn)子Mi由電樞基體33中段軸頸與由隔套38軸向定位的一對滾動軸承 45緊配，滾動軸承外圈與離合器C2固定鼓42緊密配合。該鼓外端突緣被羅栓 43固定于前半殼44之t。離合器C2結(jié)構(gòu)與離合器Ci相似，所不同的是電樞基 體33的懸出臂盤與金屬擋片共同構(gòu)成離合器C2的主動件，而固定鼓42則與摩 擦片、電磁線圈等共同構(gòu)成離合器C2的被動件，且凹槽及內(nèi)外花鍵齒與離合器 Ci的布置方式完全相反；
電機(jī)轉(zhuǎn)子Mi三相電流引線和離合器Ci電磁線圈引線束35,借助滑環(huán)36、 37與離合器C2的電磁線圈引線合成電線束3，通過接口 2與功率變換器16， 電子控制器及其總線17、電池組18等相連接。
電機(jī)轉(zhuǎn)子M2由轉(zhuǎn)子基體21和永磁體或勵(lì)磁繞組及鐵芯22共同構(gòu)成。轉(zhuǎn)子 基體21支撐在一對滾動軸承26的外圈上，其內(nèi)圈緊密配合在中心軸23上。 轉(zhuǎn)子基體21前端通過滾動軸承26中的前軸承、隔環(huán)27與離合器Ci從動轂24 在軸向定位，其后端通過滾動軸承26中的后軸承與中心軸23的突肩相抵軸向 定位。轉(zhuǎn)子Ml與M2間的軸向定位由滑動軸承47擔(dān)當(dāng)。而轉(zhuǎn)子Mi與M2間的氣 隙大小則由它們相對中心線旋轉(zhuǎn)的定位基準(zhǔn)保證；
第一行星排由行星齒輪58、轉(zhuǎn)子M2基體21后端的太陽輪和齒圈57、行星 架70及行星輪軸72等構(gòu)成。行星輪軸72將第一行星排行星架的制動鼓54、行星齒輪58和行星架70通過緊固件緊固成一體。行星齒輪58兩側(cè)有墊片73 使其轉(zhuǎn)動時(shí)減少摩擦。單向離合器C3的外圈與行星架的制動鼓54內(nèi)孔緊密配 合，內(nèi)圈與第一行星排齒圈57緊密配合。有相對轉(zhuǎn)動的行星架制動鼓54與轉(zhuǎn) 子M2基體21在軸向有滑動軸承52，徑向有滑動軸承74定位。行星架70依靠 --對滾動軸承68支撐在中心軸23后段外徑上。其中，滾動軸承68的前滾動 軸承內(nèi)圈前側(cè)通過定位環(huán)71與轉(zhuǎn)子M2基體21后滾動軸承的內(nèi)環(huán)相抵軸向定 位，后滾動軸承的內(nèi)圈后側(cè)則與中心軸23后段的突肩相抵軸向定位。
通過電磁線圈75控制單向離合器Cs的滾子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第一行星排行星架 70與齒圈57鎖止與分離，電磁線圈75的引線束51通過滑環(huán)49、立板48及 電力接口 2與功率變換器16，電子控制器及其總線17、電池組18等相連接。 單向離合器C3從動鼓54也是制動器D之一的制動鼓。
第二行星排由行星齒輪69、與之嚙合的行星架70后端的太陽輪、與行星 齒輪69嚙合的齒圈62、與中心軸23花鍵齒密壓成一體的行星架66及行星輪 軸67等構(gòu)成。通過行星輪軸67的緊固件將行星齒輪(59、第一行星排的齒圈 57與行星架66緊固成一體，在行星齒輪69兩側(cè)有墊片73使其轉(zhuǎn)動時(shí)減少摩 擦。滾動軸承65的外圈壓在齒圈62前側(cè)內(nèi)孔突肩處，其內(nèi)圈密壓在中心軸23 末端花鍵齒后側(cè)軸頸突肩處，以作第二行星排的前側(cè)軸向定位，而齒圈62的 外軸頸處通過其上的滾動軸承61與后半殼60的內(nèi)軸孔緊密配合，為第二行星 排后側(cè)軸向定位。在滾動軸承61與齒圈62背部之間的軸頸處，壓入風(fēng)扇59， 以便對電機(jī)和摩擦副進(jìn)行冷卻。在齒圈62與行星架(36軸向間，裝有滑動軸承 63。電機(jī)與發(fā)動機(jī)兩種動力都通過齒圈62后端的外齒輪或花鍵傳遞給差速器、 傳動軸及至驅(qū)動車輪。擋片64是為密封所用。制動器D的環(huán)形制動帶6、 53、56分別為制動轉(zhuǎn)子M2、第一行星排行星架70和第二行星排行星架66所用。其 結(jié)構(gòu)可參見簡圖5。
對本實(shí)用新型的無級自動變速原理，用圖2和圖4作如下簡要說明。 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生在功率變換器16，電子控制器及其總線17、電池 組18等作用下，三相電流通入轉(zhuǎn)子Mi鐵芯及繞組46形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn) 子M2永磁體的磁場或勵(lì)磁繞組及鐵芯的勵(lì)磁磁場相互作用產(chǎn)生的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，加 上轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩之和，即為在氣隙間建起的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Td。 控制Td的大小和方向，使轉(zhuǎn)子Mi、 M2間產(chǎn)生不同速度大小和方向的相對運(yùn)動。
控制轉(zhuǎn)矩角取值可令電機(jī)在電動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間切換。切斷三相電流，則電磁 轉(zhuǎn)矩Td^，轉(zhuǎn)子Mi、 M2間沒有電磁轉(zhuǎn)矩聯(lián)系，此時(shí)，電機(jī)起離合器的作用。
電機(jī)變矩的原理由電動機(jī)的工作原理知道，電動機(jī)拖動負(fù)載必須滿足方
程式T卜T2二J(d"/dt)，式中，Tl-電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；T2-負(fù)載阻力矩；J-系統(tǒng)轉(zhuǎn) 動慣量；電機(jī)角速度。當(dāng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和工作半徑確定后，J是常數(shù)，設(shè) T2/Ti為變矩系數(shù)K，令a^J/Ti，當(dāng)Ti確定后，a為常數(shù)。故得下式
K:l-a(dco/dt)
由公式知，變矩系數(shù)K是電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化率d"/dt的函數(shù)。當(dāng)K#l時(shí)，即 實(shí)現(xiàn)變矩。通過功率變換器16和控制器17控制轉(zhuǎn)速變化率d" 則變矩系 數(shù)K發(fā)生改變?？芍藭r(shí)的電動機(jī)可以看作是變矩器。對于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，其 "可以看作是2個(gè)轉(zhuǎn)子相對運(yùn)動的角速度。
汽車靜止時(shí)，Ti〈T2， dto/dt=0;汽車起動時(shí)，為使Ti〉T2，亦即K〈1，則須 使d"/dt〉0，即控制電機(jī)轉(zhuǎn)子處于加速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；汽車勻速運(yùn)行時(shí)，Tl二T2， 亦即K二1，須dco/dti，則控制電機(jī)轉(zhuǎn)子處于勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；汽車減速運(yùn)行時(shí)，Tl〈T2，則K〉1。必須使d"/dt〈0，也就是使電機(jī)轉(zhuǎn)子處于減速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；如此
操控，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)變矩。
無級自動變速是這樣實(shí)現(xiàn)的電機(jī)在恒功率特性區(qū)的工作曲線為雙曲線函 數(shù)，因電機(jī)功率等于扭矩與角速度之積，則驅(qū)動功率與負(fù)載功率有下式
Tl W l=T2 " 2二常數(shù)
調(diào)整無數(shù)個(gè)K來滿足扭矩與轉(zhuǎn)速的匹配與變化實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級變速。
根據(jù)路面狀況和行駛需要，依據(jù)節(jié)氣門開度、制動踏板位置、變速檔位、
發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或車速等控制信號輸入功率變換器16，電子控制器及其總線17， 自動控制電磁轉(zhuǎn)矩Td的變化、轉(zhuǎn)子d"/dt大小和方向及數(shù)個(gè)制動器、數(shù)個(gè)單 向離合器及普通離合器電磁線圈的不同啟合，則可以實(shí)現(xiàn)無級自動變速。
電驅(qū)動、油驅(qū)動、油電混合驅(qū)動和能量回收4種模式是這樣進(jìn)行的 純電驅(qū)動模式關(guān)閉發(fā)動機(jī)，利用功率變換器16、電子控制器17控制C2
使轉(zhuǎn)子Mi不轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子M2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)行星排機(jī)構(gòu)組合8
和9傳遞動力使車輛前進(jìn)；若使轉(zhuǎn)子Ml不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子M2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則可以實(shí)
現(xiàn)車輛倒退。離合器Co須保證轉(zhuǎn)子Mi在任何情況下不能逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，據(jù)此實(shí)
現(xiàn)純電驅(qū)動。顯然這是節(jié)油減排的重要理由；
油驅(qū)動模式利用功率變換器16、電子控制器17控制制動器D中的一個(gè)， 使轉(zhuǎn)子M2不轉(zhuǎn)，Ci閉合，由發(fā)動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子Mi順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使動力經(jīng)過行星
排9傳遞動力使車輛前進(jìn)；若制動第一行星排的行星架并使轉(zhuǎn)子Ml、 M2都順時(shí)
針旋轉(zhuǎn)，則可以實(shí)現(xiàn)車輛倒退；
油電混合驅(qū)動模式功率變換器16、電子控制器17、電池組18使轉(zhuǎn)子M2 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電磁扭矩，其反力矩推動轉(zhuǎn)子Mi順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并與出力的發(fā)動機(jī)順吋針轉(zhuǎn)矩在各種速度下混合疊加，此吋的輸出轉(zhuǎn)矩即為兩者之和，從而 使車輛獲得更大的驅(qū)動力；
能量回收模式當(dāng)制動/下坡時(shí)，發(fā)動機(jī)與電機(jī)被車輪反拖，電機(jī)處于發(fā) 電機(jī)狀態(tài)。在功率變換器16、電子控制器17、電池組18等作用下，除有部分
機(jī)械能量被發(fā)動機(jī)制動消耗外，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能被存儲于電池組18中，實(shí)
現(xiàn)運(yùn)動能量的回收，達(dá)到節(jié)能的功效。
參考圖4知，圖5中的電磁線圈78，通過接口 2在功率變換器16，電子控 制器及其總線17的控制下，使作動桿77與固定于殼體合件15上的支撐桿76 之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，令制動器D的環(huán)形制動帶56抱緊或放松制動鼓57，以產(chǎn) 生電機(jī)動力總成l的不同工況。其它制動器D的結(jié)構(gòu)及環(huán)形制動帶6、 53的工 作與此相似。
圖6中，給出混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置的8種工作 模式。(1)為純電驅(qū)行駛，電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)；(2)為電驅(qū)行駛中起動發(fā)動 機(jī)點(diǎn)火，電機(jī)起到起動機(jī)作用；(3)為油驅(qū)動行駛，即發(fā)動機(jī)正常行駛；(4) 為油電混合驅(qū)動加速，發(fā)動機(jī)、電機(jī)同處于出力狀態(tài)；(5)為制動/下坡時(shí)的 能量回收模式，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將電能存儲于電池組中。此時(shí)，電機(jī)與 發(fā)動機(jī)共同制動。若制動力不足，則令駕駛員實(shí)施機(jī)械制動；(6)為油驅(qū)行駛 中將多余電能對電池組充電，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；(7)為駐車時(shí)發(fā)動機(jī)對電 池組充電，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；(8)為駐車時(shí)起動發(fā)動機(jī)點(diǎn)火。圖中箭頭表 明流向，線型與文字說明如圖l。
在前述8種工作模式中，電驅(qū)動(1)、油驅(qū)動(3)、油電混合驅(qū)動(4) 三種工作模式均可實(shí)現(xiàn)無級自動變速驅(qū)動。
權(quán)利要求1. 一種混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動裝置，它包括有可自由轉(zhuǎn)動的雙轉(zhuǎn)子(M1)、(M2)且?guī)Щh(huán)(7)的電機(jī)，與包含數(shù)個(gè)制動器(D)、數(shù)個(gè)單向離合器(C0)、(C3)與普通離合器(C1)、(C2)在內(nèi)的行星排機(jī)構(gòu)組合(8)、(9)，差速器(11)，傳動軸(12)、(19)，發(fā)動機(jī)(13)及曲軸(14)，驅(qū)動車輪(20)，功率變換器(16)，電子控制器及其總線(17)，電池組(18)等，其特征在于由帶電樞鐵芯及繞組的第一個(gè)轉(zhuǎn)子(M1)和帶永磁體的第二個(gè)轉(zhuǎn)子(M2)且有2自由度可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子、滑環(huán)(7)等組成的電機(jī)(M1)-(M2)，與包含數(shù)個(gè)制動器(D)、數(shù)個(gè)單向離合器(C0)、(C3)與普通離合器(C1)、(C2)在內(nèi)，有2自由度或2自由度以上的行星排機(jī)構(gòu)組合(8)或(9)呈機(jī)械連接，組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體，電機(jī)轉(zhuǎn)子(M1)除通過曲軸(14)的延長中軸(10)，穿過轉(zhuǎn)子(M2)基體回轉(zhuǎn)中心中空軸管，與行星排機(jī)構(gòu)組合(8)或(9)三元件中的某一元件機(jī)械連接外，還替代發(fā)動機(jī)(13)的飛輪、離合器，通過曲軸(14)與發(fā)動機(jī)(13)機(jī)械連體，轉(zhuǎn)子(M2)除與行星排機(jī)構(gòu)組合(8)或(9)機(jī)械連接外，還通過轉(zhuǎn)子(M1)與發(fā)動機(jī)(13)呈磁鏈連接，對于FF驅(qū)動形式，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體的行星排機(jī)構(gòu)組合(8)或(9)再與差速器(11)機(jī)械連接，從而組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排機(jī)構(gòu)組合-差速器一體的電機(jī)動力總成(1)，電機(jī)動力總成(1)的殼體合件(15)與發(fā)動機(jī)(13)殼體機(jī)械連接，并共同組成發(fā)動機(jī)-電機(jī)混合動力總成，通過電機(jī)動力總成殼體合件(15)的滑環(huán)(7)及電路接口(2)，與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體內(nèi)的電機(jī)(M1)-(M2)及其數(shù)個(gè)制動器(D)、數(shù)個(gè)單向離合器(C0)、(C3)與普通離合器(C1)、(C2)等，和發(fā)動機(jī)(13)一起直接與功率變換器(16)、電子控制器及總線(17)、電池組(18)呈電力連接，發(fā)動機(jī)(13)與電機(jī)(M1)-(M2)的動力在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排集成體內(nèi)混合疊加后，由差速器(11)輸出給傳動軸(12)、(19)，最終傳遞至驅(qū)動車輪(20)，電機(jī)動力總成(1)與功率變換器(16)、電子控制器及總線(17)、電池組(18)等一起構(gòu)成混合動力電動汽車雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成式無級自動變速驅(qū)動裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動 裝置，其特征在于所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成體內(nèi)電機(jī)(Mi) - (M2)，除 設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合(8)或(9)之前外，也可以設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合(8) 或(9)之后，還可以設(shè)置在行星排機(jī)構(gòu)組合(8)與(9)之間，并與行星排的1 個(gè)或2個(gè)元件機(jī)械連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2所述的混合動力電動汽車集成式無級自動變速 驅(qū)動裝置，其特征在于當(dāng)汽車采用FR驅(qū)動形式時(shí)，將差速器(11)從電機(jī)動 力總成(1)內(nèi)移至后軸驅(qū)動橋內(nèi)，新電機(jī)動力總成僅由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排機(jī) 構(gòu)組合組成，其動力輸出由行星排機(jī)構(gòu)組合(8)或(9)的行星排元件之一抑或 轉(zhuǎn)子(Ml)或(M2)完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū)動 裝置，其特征在于在所述電機(jī)(Mi)-(M2)的動力輸出端轉(zhuǎn)子(Mi)，再與由帶 電樞鐵芯及繞組的第一個(gè)轉(zhuǎn)子(M4)和帶永磁體的第二個(gè)轉(zhuǎn)子(M3)且有2自由 度可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子、滑環(huán)(7)等組成的電機(jī)的動力輸入端(M3)或(M4) 呈機(jī)械連接，串聯(lián)組成2個(gè)或多個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)集成體，由該集成體構(gòu)成的電 機(jī)動力總成與功率變換器(16)、電子控制器及其總線(17)、電池組(18)等一起，組成混合動力電動汽車雙轉(zhuǎn)子多電機(jī)型集成式無級自動變速驅(qū)動裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的混合動力電動汽車集成式無級自動變速驅(qū) 動裝置，其特征在于作為動力輸出端的發(fā)動機(jī)曲軸(14)，可與行星排機(jī)構(gòu) 組合(8)或(9)中的1-2個(gè)元件機(jī)械連接，抑或與電機(jī)(Mi)- (M2)或電機(jī) (M3) - (M4)的1-2個(gè)轉(zhuǎn)子機(jī)械連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的混合動力電動汽車集成式無級自動變速 驅(qū)動裝置，其特征在于對于所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(Ml) - (M2)或雙轉(zhuǎn)子電機(jī) (M3)-(M4)可以是永磁電機(jī)或勵(lì)磁電機(jī)，永磁體或勵(lì)磁繞組及鐵芯可以在轉(zhuǎn)子 (Mi)或(M4)上，也可以在轉(zhuǎn)子(M2)或(M:O上，相對應(yīng)的另一轉(zhuǎn)子即為繞組線 圈及鐵芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的混合動力電動汽車集成式無級自動變速 驅(qū)動裝置，其特征在于對于所述雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(Ml) - (M2)或雙轉(zhuǎn)子電機(jī) (M3) - (M4)可以工作在電動機(jī)模式下，也可以工作在發(fā)電機(jī)模式下，在與行 星機(jī)構(gòu)組合及發(fā)動機(jī)一起協(xié)調(diào)工作完成無級自動變速的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)油、電 單獨(dú)驅(qū)動和油電混合驅(qū)動及制動/下坡能量回收等多種工作模式，其模式切 換和調(diào)速功能均由功率變換器(16)、電子控制器及其總線(17)、電池組(18) 等實(shí)現(xiàn)。
專利摘要本實(shí)用新型采用2個(gè)可繞中心軸自由旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子與單排或多排行星齒輪機(jī)構(gòu)組合呈機(jī)械連接組成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)-行星排型集成體。集成體一個(gè)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機(jī)連體的同時(shí)，與另一個(gè)轉(zhuǎn)子一樣機(jī)械連接行星排。發(fā)動機(jī)通過該轉(zhuǎn)子與電機(jī)磁鏈連接。電子控制器通過滑環(huán)、電路接口不僅與轉(zhuǎn)子而且還與發(fā)動機(jī)電力連接，組成無級自動變速驅(qū)動裝置主要架構(gòu)。因省去飛輪、離合器、起動機(jī)、發(fā)電機(jī)、AT的液力變矩器和復(fù)雜的液力控制系統(tǒng)，故結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高、制造容易、成本較低；能在各速下實(shí)現(xiàn)功率混合疊加，調(diào)速范圍寬廣，令發(fā)動機(jī)和電池組始終處于最佳工作狀態(tài)，整車油耗低、排污少?？梢詫?shí)現(xiàn)油、電單獨(dú)驅(qū)動和油電混合驅(qū)動及制動/下坡能量回收等8種工作模式。
文檔編號B60K6/365GK201240251SQ200820008758
公開日2009年5月20日 申請日期2008年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者宮維鈞, 宮欽哲, 宮欽鵬 申請人:宮維鈞;宮欽哲;宮欽鵬