CN101131199A - 一种电力无级变速器及其动力模式 - Google Patents

Abstract

电力无级变速器及其动力模式，行星齿轮太阳轮(7)与双机械端口电机内转子(2)固连，行星齿轮齿圈(6)与双机械端口电机外转子(3)通过离合器相连。控制离合器的开闭完成外转子(3)与齿圈(6)的连接和脱开。控制装在行星齿轮齿圈(6)和动力总成壳体(14)之间的第一制动器(9)的制动和松开，完成齿圈(6)的制动和运动。控制装在发动机轴(21)与动力总成壳体(14)之间的第二制动器(5)的制动与松开，完成发动机(17)制动和运动。切换两个制动器(9、5)，开闭离合器，车辆可在两种混联混合动力模式和纯电动模式之间自由切换。控制内转子(2)的转速可控制电力无级变速器在混联混合动力模式和并联混合动力模式间切换。

Description

一种电力无级变速器及其动力模式

技术领域

本发明涉及一种电力无级变速器及其动力模式，特别涉及用于车辆的电力无级变速器及其动力模式。

背景技术

双机械端口电机是一种新型的具有两个可以独立运转，独立控制的机械端口的电机。这种新型的电机在国内外很多发明专利中出现。如中国专利CN1945939《双机械端口电机及其驱动控制系统》，CN1738163《双转子混合动力复合永磁电机》，中国专利200710121112.2《一种电力无级变速器》，CN2865127实用新型专利《一种车辆用的具有直接传动功能的电动自动变速器》，又如国外的发明专利US2004026143，WO0034066和EP1481463等。这种电机被广泛应用在新型的混合动力总成中。行星齿轮也是一种具有两个可以独立旋转，独立控制的机械端口的机构。由于同样的原因，这种机构也被广泛的应用于混合动力总成中，如中国专利CN1181322《动力输出装置、发动机控制装置及其控制方法》。上述混合动力总成由于都采用了不同形式，不同布置方式的电机及其组合，并能完成和机械无级变速器相同的无级变速功能，因此都属于电力无级变速器。

在中国专利200710121112.2《一种电力无级变速器》专利中，行星齿轮仅仅作为升速装置使用，使混合动力的模式受到了限制；同时混联模式时，发动机的经过一个升速环节，将能量传递到内转子，其中一部分能量经过电磁耦合传递到外转子，驱动车辆运行，另一部分通过内电机转换为电能回馈到电池，这两部分的能量转换和传递都是电磁耦合形成，存在比较大的损耗；同时由于升速环节造成内电机的绝对转速较高，给制造和工艺带来不便。200710121112.2《一种电力无级变速器》中，太阳轮上有离合器的摩擦片，离合器闭合时，将行星架、外齿圈、太阳轮及其双机械端口电机外转子锁定在一起，与发动机同速旋转，这样离合器结构复杂，不易实现。

发明内容

本发明在专利《一种电力无级变速器》的基础上，提出一种新型的电力无级变速器及其动力模式，使得这种电力无级变速器具有更多的动力模式和更高的效率。

本发明电力无级变速器主要包括双机械端口电机和行星齿轮两大部分。

行星齿轮与双机械端口电机的连接方式方案一是：行星齿轮的太阳轮与双机械端口电机的内转子固连，行星齿轮的外齿圈与双机械端口电机的外转子通过离合器相连，发动机与行星架固连。根据整个动力总成的运行状态，通过控制离合器的吸合和松开完成外转子与齿圈的连接和脱开；行星齿轮齿圈和动力总成壳体之间安装有第一制动器，根据整个动力总成的运行状态，通过控制第一制动器的吸合和松开完成行星齿轮齿圈的制动和自由运动。在动力总成壳体与发动机轴之间安装有第二制动器。通过控制第二制动器的吸合和松开完成发动机的制动和自由运动。

本发明电力无级变速器存在如下的动力模式：

当第一制动器、第二制动器闭合，离合器松开时，双机械端口电机的定子和内转子通电流，外转子输出转矩，电力无级变速器工作在纯电动模式，由于第一制动器将行星齿轮的外齿圈制动，第二离合器将发动机和行星架制动，防止发动机反转，这样太阳轮也被固定不转，双机械端口电机的定子和内转子向外转子输出功率，形成第一种纯电动模式；如果第一制动器闭合，第二制动器、离合器松开时，通过控制内转子绕组中的电流控制内转子的转速为零，同样可以固定行星架和发动机不发生转动，此时只能通过定子向外转子输出功率，形成第二种纯电动模式；如果第二制动器闭合，第一制动器、离合器松开，通过定子向外转子输出功率，形成第三种纯电动模式。

当第一制动器制动，将外齿圈制动，离合器和第二制动器均松开，发动机正常工作，行星架和太阳轮之间形成升速系统，发动机的能量通过行星齿轮升速传递到内转子，这部分能量一部分转化为电能回馈到电池，另一部分通过电磁耦合传递到外转子，同时定子也能向外转子传递能量，形成第一种混联混合动力模式。

当第一制动器和第二制动器均松开，发动机正常工作，离合器闭合，外转子和齿圈固定同速转动，此时发动机的能量一部分通过外齿圈直接传递到外转子，另一部分通过太阳轮传递到内转子，其中一部分再通过内转子和外转子的电磁耦合传递到外转子，另一部分转化为电能回馈到电池。同时定子能向外转子传递能量，形成第二种混联混合动力模式。这种混合动力模式中发动机的一部分能量直接由外齿圈机械的传递到外转子，比双机械端口电机通过电磁耦合传递效率要高。同时，内转子上传递的能量减小，发电的功率也减小，从而减小了机电能量转换时的能量损耗，也有利于对电池的保护。在这种模式下，第一制动器同时具有刹车的功能。

当第一制动器和第二制动器均松开，发动机正常工作，离合器闭合，外转子和齿圈固定同速转动，同时控制内转子的转速和发动机同速旋转，此时，行星齿轮的外齿圈、行星架、太阳轮以相同的转速(发动机转速)旋转，发动机的能量全部由外齿圈机械的传递到外转子，同时定子也能向外转子传递能量，形成并联混合动力模式。

本发明的电力无级变速器具有多种动力模式，具有更多的选择，通过控制离合器、制动器和内转子转速可以在多种模式间自由的切换，充分的利用发动机的最佳工作区，提高整个动力系统的效率。

本发明还可以有很多种方式，如方案二：行星齿轮的太阳轮与双机械端口电机的内转子固连；行星齿轮的行星架与双机械端口电机的外转子通过离合器相连，发动机与外齿圈相连。根据整个动力总成的运行状态，通过控制离合器的吸合和松开完成外转子与行星架的连接和脱开；行星齿轮的齿圈和动力总成壳体之间安装有第二制动器，根据整个动力总成的运行状态，通过控制第二制动器的吸合和松开完成齿圈的制动和自由运动，从而控制发动机的制动和自由运动。在动力总成壳体与行星齿轮行星架之间安装有第一制动器。通过控制第一制动器的吸合和松开完成行星齿轮行星架的制动和自由运动。

本发明有机组合了行星齿轮和双机械端口电机，充分发挥了两者的优点，弥补各自的缺点，使得本发明不仅保留了《一种电力无级变速器》专利所具有的优点，而且具有如下的特点：

1.具有多种动力模式；可以在不同模式中自由切换；

2.第二种混联混合动力模式中发动机的大部分能量由行星齿轮传递到外转子，这种机械的能量传递相比内外电机的电磁耦合效率高很多；

3.第二种混联混合动力模式中发动机转矩一部分通过行星齿轮机械的传递到外转子，因此内转子上通过电磁耦合传递的功率减小，这样，内电机的设计转矩可以的更小，相应的体积可以更小；

4.第二种混联混合动力模式中，发动机传递到内转子上通过电磁耦合转化为电能的功率减小，这样，此装置的机电能量转化的损耗减小，效率提高。

附图说明

图1是本发明及其在搭载车辆上的混合动力系统方案一连接图，图中：1双机械端口电机的定子，2双机械端口电机的内转子，3双机械端口电机的外转子，4离合器的主动盘，5第二制动器，6行星齿轮的齿圈，7行星齿轮的太阳轮，8行星齿轮的行星架，9第一制动器，10第一过渡盘，11绕组，12第二过渡盘，13电刷，14动力总成壳体，15输出链轮，16钢链，17发动机，18减速齿轮组合，19差速器，20驱动轮，21发动机轴，27集电环；

图2是本发明提出的新型电力无级变速器方案一中行星齿轮部分放大图，图中：22第一摩擦片，23第二摩擦片，24第三摩擦片，25第四摩擦片；

图3是本发明方案一工作在第一种混联混合动力模式下的动力传递示意图；

图4是本发明方案一工作在第二种混联混合动力模式下的动力传递示意图；

图5是本发明方案一工作在并联混合动力模式下的动力传递示意图；

图6是本发明方案一工作在第一种纯电动模式下的动力传递图；

图7是本发明方案一工作在第二、三种纯电动模式下的动力传递图；

图8是本发明及其在搭载车辆上的混合动力系统方案二连接图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是本发明电力无级变速器及其在搭载平台上的方案一连接方式示意图。本发明电力无级变速器主要包括双机械端口电机和行星齿轮两大部分。如图1所示，双机械端口电机是同心布置的三层结构，最外层是定子1，中间是外转子3，最内层是内转子2。其中，定子1和内转子2上安装有电枢绕组11。内转子电流通过电刷13和集电环27从外部电源通入内转子2的电枢绕组之中。行星齿轮由行星架8、太阳轮7和齿圈6组成。太阳轮7与内转子2固连。行星架8与发动机轴21固连。内转子2内部制成空心结构，发动机轴21从中穿过，两者之间通过轴承支撑。动力总成壳体14与行星齿轮齿圈6之间安装有第一制动器9，动力总成壳体14与发动机轴21之间安装有第二制动器5，通过控制第一制动器9和第二制动器5的制动与松开，分别完成齿圈6和发动机17的制动和自由运动。外转子3和齿圈6之间安装有离合器，通过控制离合器可以使外转子3和齿圈6具有相同的转速。上述制动器都由静止和旋转两部分组成。具体的机械结构的实现多种多样。本发明采用的结构是一种典型的机械结构，静止部分是制动蹄，制动蹄的张开与合拢依靠液压动力或者凸轮机构。而旋转部分是制动鼓。对于上述第一制动器9，制动鼓安装在齿圈6上，对于上述第二制动器5，制动鼓安装在发动机轴21上。制动蹄都安装在动力总成壳体14上。制动鼓和制动蹄之间构成一对摩擦副，当制动蹄合拢时，摩擦副之间的摩擦力制动制动鼓，达到制动目的。

第二制动器5控制发动机17的转动和制动。第一过渡盘10与齿圈6固连，第二过渡盘12与外转子3固连。离合器主动盘4是固定在动力总成壳体14上的，上述两个过渡盘作为离合器的被动盘，当主动盘4动作时，把两个过渡盘10和12吸合在一起，使两个过渡盘10和12以相同的转速旋转。输出链轮15与外转子3回连。通过啮合在输出链轮15上的钢链16，把外转子3上的动力传递到减速齿轮组18，经由差速器19最终传递到驱动轮20，推动车辆行驶。

图2是本发明电力无级变速器中行星齿轮部分的放大图。如图2所示，在齿圈6上有第一摩擦片22，在发动机轴21上有第二摩擦片23，在第二过渡盘12上有第三摩擦片24，在第一过渡盘10上有第四摩擦片25。当第二制动器5制动时，其与第二摩擦片23之间的摩擦力可以制动发动机轴21，防止发动机出现误动作。当第二制动器5松开时，其与第二摩擦片23之间的摩擦力消失，发动机17可以自由旋转。当第一制动器9制动时，其与第一摩擦片22之间的摩擦力可以制动齿圈6。当第一制动器9松开时，其与第一摩擦片22之间的摩擦力消失，齿圈6可以自由旋转。当离合器主动盘4动作时，会使第三摩擦片24、第四摩擦片25压在一起，通过他们之间的摩擦力使得两者吸合，以相同的速度旋转。离合器可以是机械离合器，也可以是电磁离合器。

图3、图4、图5、图6、图7是在不同混合动力的模式下，能量流动示意图。

如图3所示，第一制动器9制动，第二制动器5松开，离合器松开。这时，发动机17可以自由旋转，行星齿轮中齿圈6固定不动。外转子3、内转子2均可以自由转动。因此动力系统总成运行在第一混联混合动力模式下。假设齿圈6齿数为R，太阳轮齿数为S，这样，在行星架8和太阳轮7之间，也即发动机17和内转子2之间形成了一个升速环节，升速比为k＝1+R/S。与一般双机械端口电机内转子与发动机直接连接不同，这种升速连接使得内转子输出转矩只是发动机转矩的1/k。由于电机的体积与电机的转矩成正比，因此采用本发明电力无级变速器，通过升速环节连接内转子与发动机的方法，与一般电力无级变速器中，直接连接内转子和发动机的方法相比，可以获得体积更小的内转子。

如图4所示，第一制动器9松开，第二制动器5松开，离合器吸合。动力系统工作在第二种混联混合动力模式下。这时，发动机17可以自由旋转。由于离合器吸合，两个过渡盘10和12被连成一体，与两个过渡盘固连的齿圈6和外转子3也以相同的速度旋转。此时，发动机17的转矩Tice一部分通过行星齿轮齿圈6传递到外转子3；另一部分传递到内转子2，为了保证内转子的平衡，内转子绕组加电流，将此部分转矩传递到外转子3。同时定子侧同样可以工作在电动模式或者发电模式，这样整个动力系统总成工作在混联混合动力模式下。这种模式下，大部分的转矩通过行星齿轮传递，这种机械的转矩传递具有更高的效率和可靠性。同时通过内外转子的电磁耦合传递的转矩减小，同样可以采用更小体积的内转子。

如图5所示，第一制动器9松开，第二制动器5松开，离合器吸合。发动机17正常工作，控制内转子2的转速与发动机17转速相同，因此太阳轮7和外齿圈6具有相同的转速，行星齿轮锁定为一体，外齿圈6也以与发动机17相同的转速转动。发动机17输出的转矩由外齿圈6机械的传递到外转子3上，驱动汽车运行。同时定子侧同样可以工作在电动模式或者发电模式，这样整个动力系统总成工作在并联混合动力模式下。这种模式下，发动机17全部的转矩通过行星齿轮传递，这种机械的转矩传递具有更高的效率和可靠性。

在图6中，第一制动器9闭合，第二制动器5闭合，离合器也松开。这时，发动机17被制动器5约束，不能反转和误动作。齿圈6被制动器9制动，也不能转动，行星齿轮被锁定为一体，因此导致内转子2也不能转动。此时双机械端口电机的定子和内转子绕组11通电，向外转子3传递转矩，以第一种纯电动方式驱动车辆运行。

如图7所示，第一制动器9闭合，第二制动器5松开，离合器也松开。这时，齿圈6被制动器9制动，不能转动，控制行星齿轮太阳轮7不转，行星齿轮被锁定为一体，因此行星架8也不能转动，发动机17不能反转和误动作。此时双机械端口电机的定子绕组通电，向外转子3传递转矩，以第二种纯电动方式驱动车辆。或者第一制动器9松开，第二制动器5闭合，离合器也松开。这时，发动机17被制动器5约束，不能反转和误动作。双机械端口电机的定子绕组通电，向外转子3传递转矩，以第三种纯电动方式驱动车辆。

图8是本发明电力无级变速器的变形，在搭载平台上的混合动力方案二连接方式示意图。其中齿圈6与发动机轴21固连，因此第二制动器5控制了齿圈6的转动，从而控制发动机17的转动。第一过渡盘10与行星架8固连，第二过渡盘12与外转子3固连，控制离合器的吸合和松开完成外转子3和行星架8的吸合和脱开。第一制动器9在行星架8和动力总成壳体14之间，第一制动器9控制了行星架的转动。其余连接与方案一相同。工作模式分析与方案一类似。

Claims (3)

1.一种电力无级变速器，包括双机械端口电机和行星齿轮；双机械端口电机为同心布置的三层结构，最外层是定子(1)，中间是外转子(3)，最内层是内转子(2)；行星齿轮由行星架(8)、太阳轮(7)和齿圈(6)组成，其特征在于行星架(8)与发动机轴(21)固连，行星齿轮的太阳轮(7)与双机械端口电机的内转子(2)固连；行星齿轮的齿圈(6)和动力总成壳体(14)之间装有第一制动器(9)，通过控制第一制动器(9)的制动和松开完成齿圈(6)的制动和自由运动，发动机轴(21)与动力总成壳体(14)之间装有第二制动器(5)；通过控制第二制动器(5)的制动与松开完成发动机(17)的制动和自由运动：齿圈(6)与第一过渡盘(10)固连，外转子(3)与第二过渡盘(12)固连；离合器主动盘(4)固定在动力总成壳体(14)上，主动盘(4)动作时，把两个过渡盘(10、12)吸合在一起，使两个过渡盘(10、12)以相同的转速旋转；输出链轮(15)与外转子(3)固连；通过啮合在输出链轮(15)上的钢链(16)，把外转子(3)上的动力传递到减速齿轮组(18)，经由差速器(19)最终传递到驱动轮(20)，推动车辆行驶。

2.一种电力无级变速器，包括双机械端口电机和行星齿轮；双机械端口电机是同心布置的三层结构，最外层是定子(1)，中间是外转子(3)，最内层是内转子(2)；行星齿轮由行星架(8)、太阳轮(7)和齿圈(6)组成，齿圈(6)与发动机轴(21)固连，行星齿轮的太阳轮(7)与双机械端口电机的内转子(2)固连；行星齿轮的齿圈(6)和动力总成壳体(14)之间装有第二制动器(5)，通过控制第二制动器(5)的制动和松开完成齿圈(6)的制动和自由运动，其特征在于行星架(8)与动力总成壳体(14)之间装有第一制动器(9)；通过控制第一制动器(9)的制动与松开完成行星架(8)的制动和自由运动：行星齿轮的行星架(8)与双机械端口电机的外转子(3)通过离合器相连，通过控制离合器的吸合和松开完成外转子(3)与行星架(8)的连接和脱开；第一过渡盘(10)与行星架(8)固连，第二过渡盘(12)与外转子3固连；离合器主动盘(4)固定在动力总成壳体(14)上，离合器主动盘(4)动作时，把两个过渡盘(10、12)吸合在一起，使两个过渡盘(10、12)以相同的转速旋转；输出链轮(15)与外转子(3)固连；通过啮合在输出链轮(15)上的钢链(16)，把外转子(3)上的动力传递到减速齿轮组(18)，经由差速器(19)最终传递到驱动轮(20)，推动车辆行驶。

3.根据权利要求1或2所说的电力无级变速器，其特征在于当第一制动器(9)制动，第二制动器(5)和离合器松开时，动力系统工作在第一种混联混合动力模式；当第一制动器(9)，第二制动器(5)松开，离合器闭合时，动力系统工作在第二种混联混合动力模式；当第一制动器(9)，第二制动器(5)松开，离合器闭合时，控制内转子(2)和太阳轮(7)的转速和发动机(17)转速相同时，动力系统工作在并联混合动力模式；当第一制动器(9)闭合，第二制动器(5)闭合，离合器松开，动力系统工作在第一种纯电动方式驱动车辆；当第一制动器(9)闭合，第二制动器(5)松开，离合器松开时，控制内转子(2)不转动，动力系统工作在第二种纯电动方式驱动车辆；当第一制动器(9)松开，第二制动器(5)闭合，离合器松开，这时，动力系统工作在第三种纯电动方式驱动车辆；切换第一制动器(9)、第二制动器(5)以及离合器的打开和关闭，在第一、第二混联混合动力模式和纯电动模式之间自由切换；控制内转子(2)的转速可以控制电力无级变速器在混联混合动力模式和并联混合动力模式间切换。

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