CN201039064Y - 嵌套式永磁同步电机伺服系统 - Google Patents

Abstract

本嵌套式永磁同步电机伺服系统，系统包括定子、外转子和内转子构成的嵌套式电机，绕组定子固定于机壳，外转子处于定子内，外转子外层磁极为定子提供磁场构成外电机。外转子内层磁极为其内的内转子电枢提供磁场构成内电机。外转子轴为输出轴，内转子轴为输入轴、与发动机轴连接。二速度/位置传感器分别安装于外内转子轴，A传感器接A伺服驱动器，B传感器接AB伺服驱动器。二驱动器分别接二电机绕组、与公共母线相接。控制单元接二驱动器和二传感器。控制单元设定二电机扭矩，二驱动器控制二电机分别工作于发电机或电动机模式；发动机动能部分无损耗透过电机直接送达负载侧、部分转换为电能。负载制动能量也能回收，节能效果明显。

Description

嵌套式永磁同步电机伺服系统

(一)技术领域

本实用新型涉及永磁同步电机伺服系统，具体为一种嵌套式永磁同步电机伺服系统。

实用新型还涉及永磁同步电机伺服系统的控制方法，具体为对本嵌套式永磁同步电机伺服系统的控制运行方法。

(二)背景技术

由于能源紧缺，油价不断攀升，纯燃油发动机驱动油耗大、污染大成为关注焦点，原因与其发动机不便调整工作点、效率低有关，各国都加快了电动车的研究。

多年的研究发现纯电动车存在很多问题，主要是目前的蓄电池性能不能满足驱动车辆的要求。蓄电池的能积比与汽油相比相差甚远，重量为一吨的充满电的蓄电池所具有的能量还不及发动机燃烧30公斤汽油输出的能量大，因此纯电动车的续航能力都很有限。此外是充电时间长，转换效率低，100焦耳的电能量充入蓄电池，蓄电池能放出来的电能量不到40焦耳。快速充电用时虽短，但蓄电池效率更加降低。特别是蓄电池反复充电的次数有限，使用时间越长，其容量越低，一般很快就报废了，大量的废旧电池将又造成环境污染。

目前研究表明油电混合动力车是比较现实可行的节能车，因此研究的重点转移到油电混合动力车。这种车配备了燃油发动机和蓄电池，同时还有发电机和电动机。设计原理是通过发动机、发电机/电动机、蓄电池参与调节发动机的工作点，使发动机的转速和扭矩匹配在其最佳效率曲线上，从而使燃油发动机间歇或持续高效运行以实现消耗等量燃油获得更大的动能。通常的方法是根据车辆行驶状况的需要，将燃油发动机的产生的机械动能一部分输出给驱动轴、使之获得一定的转矩和转速，其余的动能则用于驱动发电机发电存贮于蓄电池，当特定地段或蓄电池电量饱和时，蓄电池带动电动机驱动车辆行驶。也可使燃油发动机间歇运行于高效率状态，其动能由发电机转为电能直接传递给电动机或存储于蓄电池，电动机驱动汽车运行。这样，燃油发动机的运行效率有所提高。

现有油电混合动力车的动力结构方案有串联式、并联式和串并联混合式。虽然实现了不同程度的节能，但现有的动力结构均存在一定的局限性，直接影响整车制造成本和节能效果。目前的油电混合动力车的动力结构难以满足进一步改进性能和实用的要求。永磁同步伺服电机的特点是效率高、体积小，一台20KW左右的电机在100％满载率下的效率可达93％，20％满载率下的效率达81％，并可由四象限驱动器控制切换到发电或电动的不同工作状态，若对其进行组合、改造，与发动机配合应用于油电混合动力车中，有可能达到既便于调整发动机工作点、改进传递效率，又便于简化结构和降低重量，实现进一步节能的目的。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种全新的嵌套式永磁同步电机伺服系统，这种电机基于永磁同步电机工作原理，但具有两个转子、两个轴、两套绕组和两个磁路，构成的两个分电机功率可合可分，在伺服系统控制下可分别工作于电动机或发动机状态。与燃油发动机配合，实现调整燃油发动机工作点提高其效率、改变能量传递方式提升传递效率、简化油电混合动力结构、改进动力性的目的。

本实用新型设计的嵌套式永磁同步电机伺服系统包括定子、外转子和内转子，定子为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子处于定子内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子外层磁极为定子提供磁场，外转子与定子构成外电机。内转子为电枢，位于外转子内，外转子内层磁极为内转子提供磁场，外转子与内转子构成内电机。外转子轴为本电机输出轴，内转子轴为本电机动力输入轴。

输出轴上安装有输出齿轮，输出齿轮与外部负载连接。

输入轴与发动机轴连接，即发动机轴即为本系统输入轴。

本实用新型设计的嵌套式永磁同步电机伺服系统还包括两个伺服驱动器、两个速度/位置传感器，A、B速度/位置传感器分别安装于内转子轴和外转子的轴上，A速度/位置传感器分别连接A伺服驱动器，B速度/位置传感器连接到A、B伺服驱动器。A伺服驱动器通过滑环与内转子上的绕组连接，B伺服驱动器直接连接定子线圈绕组。A伺服驱动器和B伺服驱动器通过公共直流母线连接。控制单元连接A、B伺服驱动器，A、B速度/位置传感器接入控制单元。控制单元主体为计算机。公共直流母线还连接储能单元和用电单元，储能单元内包含电容、蓄电池及其控制和保护线路，用电单元为空调等其它用电器。

本实用新型设计的嵌套式永磁同步机电机伺服系统的控制运行方法如下：

本系统的内转子与发动机的轴同步转动，A伺服驱动器通过A、B速度/位置传感器的位置信号得到内外转子的相对位置，A伺服驱动器按控制单元给出的扭矩设定值和内外转子的相对位置信号对内转子的绕组加载相应的电流矢量，对内电机进行扭矩伺服控制。B伺服驱动器按控制单元给出的扭矩设定值和外转子的位置信号对定子的绕组加载相应的电流矢量，对外电机进行扭矩伺服控制。内外电机均可四象限运行，在各自的伺服驱动器控制下工作于发电机或电动机状态。

外部发动机运行的情况下，内转子在与其连接的外部发动机的机械动能驱动下转动，A伺服驱动器对内电机进行扭矩伺服控制，使得内转子对发动机施加负载扭矩。调整内电机的扭矩设定，即可使发动机的扭矩与转速按发动机最佳效率曲线数据匹配，调整发动机工作点，达到节能目的。外转子同时受到内转子的反作用力，该反作用力通过输出齿轮传递到外部负载、直接对外做功，此输出的功率为透过功率。此时沿着发动机的转动方向，如果外转子转动速度低于内转子的转速，则内电机处于发电机状态运行，它所发出的电能通过A伺服驱动器输送到公共直流母线上的储能单元或用电单元；如果外转子转动速度高于内转子的转速，则内电机处于电动机状态运行，它从公共直流母线取用的电能通过A伺服驱动器和内电机转换为外转子的动能，与发动机透过来的能量一起送至输出轴。与此同时，如果B伺服驱动器获得的扭矩设定方向与外转子旋转方向相同，则B伺服驱动器通过公共直流母线吸收电能，驱动外电机工作于电动机状态，外转子转动的动能也通过输出齿轮对外部负载做功；如果B伺服驱动器获得的扭矩设定方向与外转子旋转方向相反，则B伺服驱动器控制外电机处于发电机状态运行，将轴上的机械能量转变为电能送入公共直流母线，外电机对负载进行电气制动回馈电能。

本嵌套式永磁电机在其伺服驱动装置控制下，按功率透过、发电储能、用电做功、制动回馈电能的新型动力传递方法运行。当A伺服驱动器控制外转子向内转子施加与发动机轴转动方向相反的力矩时，由于作用力与反作用力的原理，内转子也同时向外转子施加大小相等、方向相反的力矩，即此时外转子同时受到的电磁扭矩方向与内转子旋转方向相同。此时外转子带动负载转动，即外转子对外输出机械功率，此功率是本伺服系统控制运行过程中从发动机得到的动能、经内转子、再经过其内外转子的电磁耦合、直接透过到负载的机械功率，故称其为透过功率。电磁耦合的透过功率不经过任何衰减、100％地送达最终负载。内转子获得的机械功率与外转子输出的机械功率之差即为内电机用来发电的功率。该部分功率乘以内电机及A伺服驱动器的综合发电效率即为内电机输出到公共直流母线的电功率。

本实用新型的嵌套式电机伺服系统可将部分能量不经衰减100％送达负载侧，因而总的效率远高于传统的发电-储能-用电驱动方式。

当外部发动机停止运转时，B伺服驱动器可通过公共直流母线吸收电能，使外电机按电动机模式运行，对外部负载做功；A伺服驱动器使内转子绕组的电流矢量大小为零，内转子与外转子之间电磁力为零，内转子静止，外转子转动。

当外部发动机开始启动时，需外力协助由停止进入运转状态，内外电机可经其伺服驱动器通过公共直流母线吸收电能，按电动机模式运行，内外电机施加在外转子的扭矩大小相等方向相反，故输出轴静止，而外转子对内转子的作用扭矩使与内转子连接的外部发动机转动。

控制单元可对B伺服驱动器施加反向的扭矩设定，B伺服驱动器控制外电机工作于正向转动、反向出力的发电机状态，负载经外转子送入的动能被转化为电能传送至公共直流母线，外转子对输出轴的反向扭矩使负载制动。上述制动过程中，内电机有两种工作状态：其一是A伺服驱动器控制内电机向发动机施加有限的顺拖负载扭矩，即所施加的扭矩与发动机转动方向相同，但其力量不会使发动机熄火，此时外转子对外的透过扭矩为制动方向的扭矩，可一定程度上辅助外电机的电制动，并回馈制动能量到公共直流母线；其二为A伺服驱动器使内转子绕组的电流矢量大小为零，内转子与外转子间电磁力为零，外部负载制动时仅B电机按发电机模式运行进行电制动。

根据整个伺服驱动系统的运行状况，本嵌套式永磁同步电机的任何一个电机都可以在其伺服驱动器的控制下实现独立的四象限运行。

本实用新型的嵌套式永磁同步机电机伺服系统的优点为：

1、不受外负载影响，可通过伺服驱动器独立对燃油发动机的轴加载，便于调整燃油发动机工作点使其使用等量燃油输出更大动能；相对于纯燃油式的动力结构，本实用新型可独立调整燃油发动机工作点，提高燃油的化学能转换成动能的效率达20～60％；2、发动机的动能一部分以机械能直接传递，另一部分转为电能传递；相对于发动机的纯机械能传递结构，本实用新型因可调整燃油发动机工作点、使燃油能转为动能的效率更高；相对于发动机的动能转换为纯电能后传递的结构，因一部分动能以透过功率100％直接传递到负载侧，发动机的动能转为外负载机械能的平均效率提高5％以上；3、伺服驱动器调节与发动机连接的内外转子相互作用扭矩，使两者可相互无作用力或以某一扭矩接合；4、燃油发动机、内外电机三个动力源以电磁力方式耦合，实现非接触式功率或扭矩叠加，组合灵活、控制方便，无结合噪音和磨损；5、内外电机均可在伺服驱动器控制下实现四象限工作，便于各个动力的组合；6、内外电机可四象限工作，便于实现回收制动能，便于辅助发动机出力；7、本电机伺服系统适合用于油电混合动力车，相对于串联式、并联式、混合式的动力结构，大大简化了油电混合动力车的结构，进一步提高整车燃油能量的利用效率，节能效果明显，成本下降明显。

(四)附图说明

图1为本嵌套式永磁同步电机伺服系统实施例结构示意图。

图中标号为：

1、A速度/位置传感器，2、输入轴，3、滑环，4、内转子，5、外转子，6、定子7、A伺服驱动器，8、控制单元，9、公共直流母线，10、用电单元，11、储能单元，12、B伺服驱动器，13、B速度/位置传感器，14、输出轴，15、输出齿轮。

(五)具体实施方式

本实用新型设计的嵌套式永磁同步电机伺服系统实施例结构如图1所示，包括定子6、外转子5和内转子4，定子6为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子5处于定子6内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子5的外层磁极为定子6提供磁场，外转子5与定子6构成外电机。内转子4为电枢，位于外转子5内，外转子5的内层磁极为内转子4提供磁场，外转子5与内转子4，构成内电机。外转子5轴为本电机输出轴14，内转子4轴为本电机动力输入轴2。输出轴14上安装输出齿轮15，输出齿轮15与外部负载连接。输入轴2与发动机轴连接，即发动机轴即为本系统输入轴2。本实用新型的嵌套式永磁同步电机伺服系统还包括两个伺服驱动器、两个速度/位置传感器，输入轴2上安装A速度/位置传感器1，用于测量内转子4的旋转速度及所在位置。A伺服驱动器7经滑环3连接内转子4的绕组，A速度/位置传感器1也与A伺服驱动器7连接。外转子5的轴上安装B速度/位置传感器13，用于测量外转子5的旋转速度及所在位置。B速度/位置传感器13与B伺服驱动器12和A伺服驱动器7连接，B伺服驱动器13连接定子6的线圈绕组。控制单元8连接A、B伺服驱动器7、12，A、B速度/位置传感器1、13接入控制单元8。控制单元8主体为计算机，其按需要给出内外电机的扭矩设定。A、B伺服驱动器7、12经公共直流母线9连接。公共直流母线9连接储能单元11，还可连接用电单元10。储能单元10内包含电容、蓄电池及其控制和保护线路。

Claims (3)

1.一种嵌套式永磁同步电机伺服系统，包括永磁电机及伺服驱动装置，其特征在于：

永磁电机为嵌套式永磁同步电机，包括定子(6)、外转子(5)和内转子(4)，定子(6)为电枢绕组，处于最外层，固定于机壳；外转子(5)处于定子(6)内，其上嵌有内外层永磁磁极，外转子(5)与定子(6)构成外电机；内转子(4)为电枢，位于外转子(5)内，外转子(5)与内转子(4)构成内电机；外转子(5)轴为本电机输出轴(14)，内转子(4)轴为本电机动力输入轴(2)；

所述伺服驱动装置包括两个伺服驱动器、两个速度/位置传感器，A、B速度/位置传感器(1、13)分别安装于内转子(4)和外转子(5)的轴上，A速度/位置传感器(1)连接A伺服驱动器(7)，B速度/位置传感器(13)同时连接A、B伺服驱动器(7、12)；A伺服驱动器(7)通过滑环(3)与内转子(4)的绕组连接，B伺服驱动器(12)直接连接定子(6)的绕组；控制单元(8)连接A、B伺服驱动器(7、12)，A、B速度/位置传感器(1、13)接入控制单元(8)；控制单元(8)主体为计算机，A伺服驱动器(7)和B伺服驱动器(12)通过公共直流母线(8)连接。

2.根据权利要求1所述的嵌套式永磁同步电机伺服系统，其特征在于：

所述输入轴(2)与发动机轴连接。

3.根据权利要求1或2所述的嵌套式永磁同步电机伺服系统，其特征在于：

所述嵌套式电机输出轴(14)上安装输出齿轮(15)，输出齿轮(15)连接外负载。

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