專利名稱：用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及純電動轎車的新型動力裝置和車載發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機 結(jié)構(gòu)和控制方法。
背景技術(shù)：
隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，零污染、高效的電動汽車已成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域 研究和發(fā)展的熱點。電動汽車以大容量電池組作為動力源，以電動機作為動力裝置，通過控 制器控制獲取電池組提供的動力。電動汽車在使用過程中，其行駛里程依賴于電池組的容 量，而現(xiàn)有電動汽車的電池組充足一次電，能行駛的里程數(shù)多數(shù)不超過200公里，續(xù)航能力 差；為此，具備不間斷地向電池組及與電池組并聯(lián)的超級電容器充電、有效控制汽車制動和 回收制動能量、加速功能等的動力裝置是解決電動汽車?yán)m(xù)航能力差最有效的解決辦法。具備車載發(fā)電及充電功能的汽車常見于混合動力汽車上，典型的混合動力汽車具 有電動無級變速器，電動無級變速器有兩個機械接口 一個是輸入和輸出接口，另一個是和 電池相連的電力接口。電動無級變速器輸入軸和發(fā)動機的輸出軸相連，輸出軸和汽車的驅(qū) 動軸相連，電力接口和汽車的蓄電池相連接。目前，無論是電動汽車還是混合動力汽車都是將發(fā)電裝置與傳動裝置作為一體布 置在發(fā)動機與變速器之間，這種布置方式不利于汽車底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也造成了底盤 結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、傳輸效率高的用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動 機，在行駛過程中能使雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機不間斷地向電池組及超級電容器充電，延長電動汽車 的行駛里程數(shù)。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的控制方法，完成純電動轎車的 動力輸出、起動、發(fā)電、制動及加速功能。本發(fā)明用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用的技術(shù)方案是包括雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外 殼、轉(zhuǎn)子軸和控制單元，雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼固定支撐于轉(zhuǎn)子軸，控制單元設(shè)置在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動 機外殼外部，雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼內(nèi)部具有永磁鐵、定子三相繞組、內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和動力傳 輸軸，動力傳輸軸固定支撐在轉(zhuǎn)子軸上且固定連接外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子固定連接轉(zhuǎn)子軸，在內(nèi)轉(zhuǎn) 子和外轉(zhuǎn)子之間設(shè)置固定支撐在轉(zhuǎn)子軸上的永磁鐵，定子三相繞組固定連接在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動 機外殼內(nèi)壁上且位置對應(yīng)于外轉(zhuǎn)子；在動力傳輸軸與雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼之間的轉(zhuǎn)子軸上設(shè) 置滑環(huán)，滑環(huán)上固定連接碳刷；碳刷電連接內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部具有的勵磁繞組；動力傳輸軸同軸 固定連接輸出軸一端，輸出軸另一端固定連接飛輪；控制單元分別外接定子三相繞組和碳 刷，控制單元具有嵌入式系統(tǒng)、變壓整流器、1號繼電器、2號繼電器和大功率場效應(yīng)管；外 轉(zhuǎn)子電連接變壓整流器，嵌入式系統(tǒng)分別電連接1號繼電器、2號繼電器和大功率場效應(yīng) 管；變壓整流器的輸出分別電連接2號繼電器和12V電壓輸出，大功率場效應(yīng)管電連接內(nèi)轉(zhuǎn)子輸入端。本發(fā)明用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的控制方法采用的技術(shù)方案是將電池組 與超級電容器并聯(lián)后分別電連接控制單元的1號繼電器和2號繼電器；當(dāng)起動信號傳至控 制單元中，嵌入式系統(tǒng)輸出電流至1號繼電器使其常開觸點閉合；控制單元控制大功率場 效應(yīng)管使內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的勵磁繞組通電，在永磁體所形成的磁場作用下內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使外轉(zhuǎn) 子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流而隨之旋轉(zhuǎn)，帶動動力傳輸軸同步旋轉(zhuǎn)，動力經(jīng)輸出軸傳至飛輪，實現(xiàn) 雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的起動；雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)后，控制單元內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)輸出電流至2 號繼電器使其常開觸點閉合，接通電池組和超級電容器，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時使定子三相繞組產(chǎn) 生感應(yīng)電壓并輸出至控制單元上，經(jīng)變壓整流器后分別輸出42V和12V直流電，實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子 發(fā)動機的發(fā)電；當(dāng)控制單元內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)接收到制動信號后，切斷1號繼電器使其常 開觸點斷開，內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和飛輪的轉(zhuǎn)速下降，實現(xiàn)電動機的制動；當(dāng)控制單元內(nèi)部的嵌 入式系統(tǒng)在接收到加速信號后，對大功率場效應(yīng)管的通斷頻率進行PWM調(diào)節(jié)，提高內(nèi)轉(zhuǎn)子 內(nèi)部的勵磁繞組的通電電流強度，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速可調(diào)的加速。本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明融電動無級變速器技術(shù)于一體，將發(fā)動機與傳動、發(fā)電裝置合為一體，具備了 起動、發(fā)電、制動及加速控制等功能，是一種全新的純電動轎車發(fā)動機，同時減輕了整車重 量。2、控制單元可根據(jù)各種傳感器信號控制發(fā)動機處于不同的運行工況。當(dāng)出現(xiàn)起動 信號時，控制電池組及超級電容器提供起動電流；正常起動后，控制單元又可及時向電池組 和超級電容器充電；制動時，控制單元及時切斷內(nèi)轉(zhuǎn)子的勵磁繞組電流，并將外轉(zhuǎn)子的動能 轉(zhuǎn)化為電池組及超級電容器的電能儲存起來；加速信號出現(xiàn)時，控制單元通過PWM控制內(nèi) 轉(zhuǎn)子的通電電流，達(dá)到控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的目的。在控制單元控制下，雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機處于最佳 的工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)具備轉(zhuǎn)子發(fā)動機的特點，布局合理，有效地提升了轎車底盤空間的利用率， 有效提高了轎車動力傳輸效率；延長了純電動轎車的行駛里程數(shù)，續(xù)航能力高。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中控制單元1的結(jié)構(gòu)連接圖。圖中1.控制單元；2.滑環(huán)；3.動力傳輸軸支撐軸承；4.永磁鐵；5.定子三相繞 組；
6.外轉(zhuǎn)子；7.動力傳輸軸；8.雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼軸承；9.飛輪殼；10.飛輪；11.雙轉(zhuǎn) 子發(fā)動機外殼；13.內(nèi)轉(zhuǎn)子；14.永磁鐵支撐軸承；15.碳刷；16.超級電容器；17.電池組; 18.轉(zhuǎn)子軸；19.輸出軸；20.法蘭盤。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明主要包括雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼11、轉(zhuǎn)子軸18、永磁鐵4、定子三相繞 組5、內(nèi)轉(zhuǎn)子13、外轉(zhuǎn)子6、動力傳輸軸7和控制單元1。雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼11通過雙轉(zhuǎn)子
4發(fā)動機外殼軸承8固定支撐在轉(zhuǎn)子軸18上?？刂茊卧?設(shè)置在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼11的外 部，永磁鐵4、定子三相繞組5、內(nèi)轉(zhuǎn)子13、外轉(zhuǎn)子6、動力傳輸軸7均安裝在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外 殼11的內(nèi)部，其中，動力傳輸軸7的兩端通過動力傳輸軸支撐軸承3固定支撐在轉(zhuǎn)子軸18 上，內(nèi)轉(zhuǎn)子13固定連接在轉(zhuǎn)子軸18上，外轉(zhuǎn)子6固定連接在動力傳輸軸7上，在內(nèi)轉(zhuǎn)子13 和外轉(zhuǎn)子6之間設(shè)置永磁鐵4，永磁鐵4通過永磁鐵支撐軸承14固定支撐在轉(zhuǎn)子軸18上。 定子三相繞組5固定連接在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼11內(nèi)壁上，并且定子三相繞組5的位置對應(yīng) 于外轉(zhuǎn)子6。在動力傳輸軸7與雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼11之間的轉(zhuǎn)子軸18上設(shè)置滑環(huán)2，滑環(huán)2上 固定連接碳刷15。內(nèi)轉(zhuǎn)子13的內(nèi)部具有勵磁繞組，該勵磁繞組電連接碳刷15。動力傳輸軸7通過緊固螺栓同軸固定連接輸出軸19的一端，輸出軸19的另一端 通過法蘭盤20固定連接飛輪10。飛輪10外圍設(shè)置飛輪殼9，飛輪殼9固定連接在輸出軸 19上。控制單元1分別外接定子三相繞組5和碳刷15，內(nèi)轉(zhuǎn)子13內(nèi)部勵磁繞組經(jīng)過碳 刷15后電連接控制單元1，分別對定子三相繞組5以及內(nèi)轉(zhuǎn)子13實現(xiàn)控制。控制單元1 還分別電連接電動轎車的電池組17、超級電容器16以及電動轎車的起動信號、加速信號、 制動信號、轉(zhuǎn)速信號的輸入；電池組17為3節(jié)12V蓄電池串聯(lián)而成，超級電容器16可輸出 36-42V電壓，將電池組17與超級電容器16并接在一起，電池組17與超級電容器16并聯(lián)后 通過導(dǎo)線與控制單元1連接。參見圖2，控制單元1具有嵌入式系統(tǒng)、變壓整流器、1號繼電器Kl、2號繼電器Κ2 和大功率場效應(yīng)管，電動轎車的起動信號、加速信號、制動信號、轉(zhuǎn)速信號的輸入電連接嵌 入式系統(tǒng)，外轉(zhuǎn)子6產(chǎn)生的三相電輸入連接變壓整流器，嵌入式系統(tǒng)分別電連接1號繼電器 Kl、2號繼電器Κ2和大功率場效應(yīng)管。變壓整流器的輸出分別電連接2號繼電器Κ2和12V 電壓輸出，大功率場效應(yīng)管接內(nèi)轉(zhuǎn)子13的輸入端。電池組17與超級電容器16并聯(lián)后分別 電接1號繼電器Kl和2號繼電器Κ2。當(dāng)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的點火開關(guān)接通STA檔位后，起動信號傳至控制單元1中，控制單 元1內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)輸出電流至1號繼電器Kl的線圈，使1號繼電器常開觸點閉合；控制 單元1通過控制與其連接的大功率場效應(yīng)管的柵極，使其源極與漏極導(dǎo)通；電池組17及超 級電容器16輸出的電流依次經(jīng)過1號繼電器Kl的常開觸點、大功率場效應(yīng)管、內(nèi)轉(zhuǎn)子13 輸入端、碳刷15、滑環(huán)2后，再經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)子13內(nèi)部勵磁繞組、滑環(huán)2、碳刷15、內(nèi)轉(zhuǎn)子13輸出端 子至負(fù)極。內(nèi)轉(zhuǎn)子13的內(nèi)部勵磁繞組通電后，在永磁體4所形成的磁場作用下，內(nèi)轉(zhuǎn)子13 開始旋轉(zhuǎn)，并使外轉(zhuǎn)子6內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流而隨之旋轉(zhuǎn)，由于動力傳輸軸7與外轉(zhuǎn)子6緊固 連接，因此當(dāng)外轉(zhuǎn)子6旋轉(zhuǎn)時，帶動動力傳輸軸7同步旋轉(zhuǎn)，動力傳輸軸7的動力通過緊固 螺栓傳遞到輸出軸19，輸出軸19經(jīng)法蘭盤20最終傳至飛輪10，安裝雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的汽車 動力傳遞路線為雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機一飛輪一離合器一變速器，從而實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的起動。 雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機在起動過程中，內(nèi)轉(zhuǎn)子13內(nèi)部的勵磁繞組處于他勵狀態(tài)。當(dāng)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)后，控制單元1內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)輸出電流至2號繼電器 Κ2的線圈，使2號繼電器Κ2的常開觸點閉合，接通電池組17和超級電容器16。由于定子 三相繞組5與雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼11緊固連接，外轉(zhuǎn)子6旋轉(zhuǎn)時將使定子三相繞組5產(chǎn)生感 應(yīng)電壓，并通過三相線輸出至控制單元1上，隨著外轉(zhuǎn)子6轉(zhuǎn)速的逐漸升高，定子三相繞組5所感應(yīng)的三相交流電電壓的有效值將越大，定子三相繞組5輸出電壓經(jīng)過控制單元1內(nèi)部 的變壓整流器后，分別輸出42V和12V直流電。其中12V直流電可供汽車用電設(shè)備使用，而 一部分42V直流電向電池組17和超級電容器16供電，另一部分分42V直流電繼續(xù)向內(nèi)轉(zhuǎn) 子13內(nèi)部勵磁繞組供電，從而實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的發(fā)電，維持汽車的正常行駛。汽車正常 行駛后，內(nèi)轉(zhuǎn)子13內(nèi)部的勵磁繞組處于自勵狀態(tài)，通過控制單元1實現(xiàn)對內(nèi)轉(zhuǎn)子13的供電 及自身的充電。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板后，控制單元1內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)在接收到制動信號后， 切斷1號繼電器Kl線圈電流，使1號繼電器Kl的常開觸點斷開，內(nèi)轉(zhuǎn)子13內(nèi)部勵磁繞組 因無電流流經(jīng)而轉(zhuǎn)速下降，進而造成外轉(zhuǎn)子6轉(zhuǎn)速下降，最終使飛輪10轉(zhuǎn)速降低，實現(xiàn)電動 機的制動。制動過程中，外轉(zhuǎn)子6經(jīng)變壓整流后所產(chǎn)生的42V直流電將全部向電池組17和 超級電容器16供電。當(dāng)制動信號消失后，控制單元1將重新控制1號繼電器Kl常開觸點 閉合，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)駕駛員踩下加速踏板后，控制單元1內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)在接收到加速信號后， 對大功率場效應(yīng)管的通斷頻率進行PWM調(diào)節(jié)，從而提高內(nèi)轉(zhuǎn)子13內(nèi)部勵磁繞組的通電電流 強度，進而控制外轉(zhuǎn)子6的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電動機輸出轉(zhuǎn)速可調(diào)的加速過程。本發(fā)明利用內(nèi)轉(zhuǎn)子13的旋轉(zhuǎn)使外轉(zhuǎn)子6產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而旋轉(zhuǎn)，動力通過動力傳 輸軸7輸出至飛輪10 ；通過控制單元1的控制有效地向內(nèi)轉(zhuǎn)子13供電，維持汽車正常行駛； 同時在制動過程中，能有效回收外轉(zhuǎn)子6的動能向電池組17及超級電容器16充電；控制單 元1通過控制大功率場效應(yīng)管的通斷頻率，控制汽車的加速?？扇〈F(xiàn)有的燃料發(fā)動機，工 作過程中，雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機可以完成動力輸出、起動、發(fā)電、制動及加速功能。
權(quán)利要求
一種用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機，包括雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼(11)、轉(zhuǎn)子軸(18)和控制單元(1)，其特征是雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼(11)固定支撐于轉(zhuǎn)子軸(18)，控制單元(1)設(shè)置在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼(11)外部，雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼(11)內(nèi)部具有永磁鐵(4)、定子三相繞組(5)、內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)、外轉(zhuǎn)子(6)和動力傳輸軸(7)，動力傳輸軸(7)固定支撐在轉(zhuǎn)子軸(18)上且固定連接外轉(zhuǎn)子(6)，內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)固定連接轉(zhuǎn)子軸(18)，在內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)和外轉(zhuǎn)子(6)之間設(shè)置固定支撐在轉(zhuǎn)子軸(18)上的永磁鐵(4)，定子三相繞組(5)固定連接在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼(11)內(nèi)壁上且位置對應(yīng)于外轉(zhuǎn)子(6)；在動力傳輸軸(7)與雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼(11)之間的轉(zhuǎn)子軸(18)上設(shè)置滑環(huán)(2)，滑環(huán)(2)上固定連接碳刷(15)；碳刷(15)電連接內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)內(nèi)部具有的勵磁繞組；動力傳輸軸(7)同軸固定連接輸出軸(19)一端，輸出軸(19)另一端固定連接飛輪(10)；控制單元(1)分別外接定子三相繞組(5)和碳刷(15)，控制單元(1)具有嵌入式系統(tǒng)、變壓整流器、1號繼電器(K1)、2號繼電器(K2)和大功率場效應(yīng)管；外轉(zhuǎn)子(6)電連接變壓整流器，嵌入式系統(tǒng)分別電連接1號繼電器(K1)、2號繼電器(K2)和大功率場效應(yīng)管；變壓整流器的輸出分別電連接2號繼電器(K2)和12V電壓輸出，大功率場效應(yīng)管電連接內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)輸入端。
2.一種用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的控制方法，其特征是具有如下步驟Α、將電池組(17)與超級電容器(16)并聯(lián)后分別電連接控制單元(1)的1號繼電器 (Kl)和2號繼電器(Κ2)；當(dāng)起動信號傳至控制單元(1)中，嵌入式系統(tǒng)輸出電流至1號繼 電器(Kl)使其常開觸點閉合；控制單元(1)控制大功率場效應(yīng)管使內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)內(nèi)部的勵磁 繞組通電，在永磁體(4)所形成的磁場作用下內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)旋轉(zhuǎn)，使外轉(zhuǎn)子(6)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng) 電流而隨之旋轉(zhuǎn)，帶動動力傳輸軸(7)同步旋轉(zhuǎn)，動力經(jīng)輸出軸(19)傳至飛輪(10)，實現(xiàn)雙 轉(zhuǎn)子發(fā)動機的起動；B、雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)后，控制單元(1)內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)輸出電流至2號繼電器 (Κ2)使其常開觸點閉合，接通電池組(17)和超級電容器(16)，外轉(zhuǎn)子(6)旋轉(zhuǎn)時使定子三 相繞組(5)產(chǎn)生感應(yīng)電壓并輸出至控制單元(1)，經(jīng)變壓整流器后分別輸出42V和12V直流 電，實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的發(fā)電；C、控制單元(1)內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)接收到制動信號后，切斷1號繼電器(Kl)使其常開 觸點斷開，內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)、外轉(zhuǎn)子(6)和飛輪(10)的轉(zhuǎn)速下降，實現(xiàn)電動機的制動；D、當(dāng)控制單元(1)內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)在接收到加速信號后，對大功率場效應(yīng)管的通斷 頻率進行PWM調(diào)節(jié)，提高內(nèi)轉(zhuǎn)子(13)內(nèi)部的勵磁繞組的通電電流強度，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速可調(diào) 的加速。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于純電動轎車的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機及其控制方法，動力傳輸軸固定支撐在轉(zhuǎn)子軸上且固定連接外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子固定連接轉(zhuǎn)子軸，在內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間設(shè)置固定支撐在轉(zhuǎn)子軸上的永磁鐵，定子三相繞組固定連接在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機外殼內(nèi)壁上，動力傳輸軸同軸固定連接輸出軸一端，輸出軸另一端固定連接飛輪；利用內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)使外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而旋轉(zhuǎn)，控制單元根據(jù)各種傳感器信號控制發(fā)動機的動力輸出、起動、發(fā)電、制動及加速功能，將發(fā)動機與傳動、發(fā)電裝置合為一體，有效提高動力傳輸效率，延長純電動轎車的行駛里程數(shù)。
文檔編號H02P9/14GK101976920SQ20101051653
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者何仁, 劉學(xué)軍, 劉層香 申請人:江蘇大學(xué)