專利名稱：嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)及其控制運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁同步電機伺服系統(tǒng)，具體為一種嵌套式永磁同步電機 伺服系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制方法，具體為對本嵌套式 永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法。
(二)
背景技術(shù)：
由于能源緊缺，油價不斷攀升，純?nèi)加桶l(fā)動機驅(qū)動油耗大、污染大成 為關(guān)注焦點，原因與其發(fā)動機不便調(diào)整工作點、效率低有關(guān)，各國都加快 了電動車的研究。
多年的研究發(fā)現(xiàn)純電動車存在很多問題，主要是目前的蓄電池性能不 能滿足驅(qū)動車輛的要求。蓄電池的能積比與汽油相比相差甚遠，重量為一
噸的充滿電的蓄電池所具有的能量還不及發(fā)動機燃燒30公斤汽油輸出的 能量大，因此純電動車的續(xù)航能力都很有限。此外是充電時間長，轉(zhuǎn)換效 率低，IOO焦耳的電能量充入蓄電池，蓄電池能放出來的電能量不到40 焦耳?？焖俪潆娪脮r雖短，但蓄電池效率更加降低。特別是蓄電池反復(fù)充 電的次數(shù)有限，使用時間越長，其容量越低， 一般很快就報廢了，大量的 廢舊電池將又造成環(huán)境污染。
目前研究表明油電混合動力車是比較現(xiàn)實可行的節(jié)能車，因此研究的 重點轉(zhuǎn)移到油電混合動力車。這種車配備了燃油發(fā)動機和蓄電池，同時還 有發(fā)電機和電動機。設(shè)計原理是通過發(fā)動機、發(fā)電機/電動機、蓄電池參 與調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作點，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩匹配在其最佳效率曲線 上，從而使燃油發(fā)動機間歇或持續(xù)高效運行以實現(xiàn)消耗等量燃油獲得更大 的動能。通常的方法是根據(jù)車輛行駛狀況的需要，將燃油發(fā)動機的產(chǎn)生的 機械動能一部分輸出給驅(qū)動軸、使之獲得一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，其余的動能 則用于驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電存貯于蓄電池，當特定地段或蓄電池電量飽和時， 蓄電池帶動電動機驅(qū)動車輛行駛。也可使燃油發(fā)動機間歇運行于高效率狀 態(tài)，其動能由發(fā)電機轉(zhuǎn)為電能直接傳遞給電動機或存儲于蓄電池，電動機驅(qū)動汽車運行。這樣，燃油發(fā)動機的運行效率有所提高。
現(xiàn)有油電混合動力車的動力結(jié)構(gòu)方案有串聯(lián)式、并聯(lián)式和串并聯(lián)混合 式。雖然實現(xiàn)了不同程度的節(jié)能，但現(xiàn)有的動力結(jié)構(gòu)均存在一定的局限性， 直接影響整車制造成本和節(jié)能效果。目前的油電混合動力車的動力結(jié)構(gòu)難 以滿足進一步改進性能和實用的要求。永磁同步伺服電機的特點是效率
高、體積小， 一臺20KW左右的電機在100X滿載率下的效率可達930/^， 20%滿載率下的效率達81%，并可由四象限驅(qū)動器控制切換到發(fā)電或電動 的不同工作狀態(tài)，若對其進行組合、改造，與發(fā)動機配合應(yīng)用于油電混合 動力車中，有可能達到既便于調(diào)整發(fā)動機工作點、改進傳遞效率，又便于 簡化結(jié)構(gòu)和降低重量，實現(xiàn)進一步節(jié)能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種全新的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)，這種 電機基于永磁同步電機工作原理，但具有兩個轉(zhuǎn)子、兩個軸、兩套繞組和 兩個磁路，構(gòu)成的兩個分電機功率可合可分，在伺服系統(tǒng)控制下可分別工 作于電動機或發(fā)動機狀態(tài)。
本發(fā)明的另一目的在于設(shè)計一種本發(fā)明的嵌套式永磁同步機電機伺 服系統(tǒng)的控制運行方法，在伺服驅(qū)動系統(tǒng)的伺服控制下，嵌套式永磁同步 電機可分別進行四象限運行，工作于電動機或發(fā)電機狀態(tài)，與燃油發(fā)動機 配合，實現(xiàn)調(diào)整燃油發(fā)動機工作點提高其效率、改變能量傳遞方式提升傳 遞效率、簡化油電混合動力結(jié)構(gòu)、改進動力性的目的。
本發(fā)明設(shè)計的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)包括定子、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn) 子，定子為電樞繞組，處于最外層，固定于機殼；外轉(zhuǎn)子處于定子內(nèi)，其 上嵌有內(nèi)外層永磁磁極，外轉(zhuǎn)子外層磁極為定子提供磁場，外轉(zhuǎn)子與定子 構(gòu)成外電機。內(nèi)轉(zhuǎn)子為電樞，位于外轉(zhuǎn)子內(nèi)，外轉(zhuǎn)子內(nèi)層磁極為內(nèi)轉(zhuǎn)子提 供磁場，外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成內(nèi)電機。外轉(zhuǎn)子軸為本電機輸出軸，內(nèi)轉(zhuǎn)子 軸為本電機動力輸入軸。
輸出軸上安裝有輸出齒輪，輸出齒輪與外部負載連接。 輸入軸與發(fā)動機軸連接，即發(fā)動機軸即為本系統(tǒng)輸入軸。 本發(fā)明設(shè)計的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)還包括兩個伺服驅(qū)動器、 兩個速度/位置傳感器，A、 B速度/位置傳感器分別安裝于內(nèi)轉(zhuǎn)子軸和外 轉(zhuǎn)子的軸上，A速度/位置傳感器分別連接A伺服驅(qū)動器，B速度/位置傳感器連接到A、 B伺服驅(qū)動器。A伺服驅(qū)動器通過滑環(huán)與內(nèi)轉(zhuǎn)子上的繞組連 接，B伺服驅(qū)動器直接連接定子線圈繞組。A伺服驅(qū)動器和B伺服驅(qū)動器 通過公共直流母線連接?？刂茊卧B接A、 B伺服驅(qū)動器，A、 B速度/位置 傳感器接入控制單元?？刂茊卧黧w為計算機。公共直流母線還連接儲能 單元和用電單元，儲能單元內(nèi)包含電容、蓄電池及其控制和保護線路，用 電單元為空調(diào)等其它用電器。
本發(fā)明設(shè)計的嵌套式永磁同步機電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法如下
本系統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機的軸同步轉(zhuǎn)動，A伺服驅(qū)動器通過A、 B速度 /位置傳感器的位置信號得到內(nèi)外轉(zhuǎn)子的相對位置，A伺服驅(qū)動器按控制 單元給出的扭矩設(shè)定值和內(nèi)外轉(zhuǎn)子的相對位置信號對內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組加載 相應(yīng)的電流矢量，對內(nèi)電機進行扭矩伺服控制。B伺服驅(qū)動器按控制單元 給出的扭矩設(shè)定值和外轉(zhuǎn)子的位置信號對定子的繞組加載相應(yīng)的電流矢 量，對外電機進行扭矩伺服控制。內(nèi)外電機均可四象限運行，在各自的伺 服驅(qū)動器控制下工作于發(fā)電機或電動機狀態(tài)。
外部發(fā)動機運行的情況下，內(nèi)轉(zhuǎn)子在與其連接的外部發(fā)動機的機械 動能驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，A伺服驅(qū)動器對內(nèi)電機進行扭矩伺服控制，使得內(nèi)轉(zhuǎn)子 對發(fā)動機施加負載扭矩。調(diào)整內(nèi)電機的扭矩設(shè)定，即可使發(fā)動機的扭矩與 轉(zhuǎn)速按發(fā)動機最佳效率曲線數(shù)據(jù)匹配，調(diào)整發(fā)動機工作點，達到節(jié)能目的。 外轉(zhuǎn)子同時受到內(nèi)轉(zhuǎn)子的反作用力，該反作用力通過輸出齒輪傳遞到外部 負載、直接對外做功，此輸出的功率為透過功率。此時沿著發(fā)動機的轉(zhuǎn)動 方向，如果外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度低于內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，則內(nèi)電機處于發(fā)電機狀態(tài) 運行，它所發(fā)出的電能通過A伺服驅(qū)動器輸送到公共直流母線上的儲能單 元或用電單元；如果外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度高于內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，則內(nèi)電機處于電 動機狀態(tài)運行，它從公共直流母線取用的電能通過A伺服驅(qū)動器和內(nèi)電機 轉(zhuǎn)換為外轉(zhuǎn)子的動能，與發(fā)動機透過來的能量一起送至輸出軸。與此同時， 如果B伺服驅(qū)動器獲得的扭矩設(shè)定方向與外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，則B伺服 驅(qū)動器通過公共直流母線吸收電能，驅(qū)動外電機工作于電動機狀態(tài)，外轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動的動能也通過輸出齒輪對外部負載做功；如果B伺服驅(qū)動器獲得的 扭矩設(shè)定方向與外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，則B伺服驅(qū)動器控制外電機處于發(fā) 電機狀態(tài)運行，將軸上的機械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿牍仓绷髂妇€，外電機 對負載進行電氣制動回饋電能。
本嵌套式永磁電機在其伺服驅(qū)動裝置控制下，按功率透過、發(fā)電儲能、用電做功、制動回饋電能的新型動力傳遞方法運行。當A伺服驅(qū)動器控制 外轉(zhuǎn)子向內(nèi)轉(zhuǎn)子施加與發(fā)動機軸轉(zhuǎn)動方向相反的力矩時，由于作用力與反 作用力的原理，內(nèi)轉(zhuǎn)子也同時向外轉(zhuǎn)子施加大小相等、方向相反的力矩， 即此時外轉(zhuǎn)子同時受到的電磁扭矩方向與內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同。此時外轉(zhuǎn) 子帶動負載轉(zhuǎn)動，即外轉(zhuǎn)子對外輸出機械功率，此功率是本伺服系統(tǒng)控制 運行過程中從發(fā)動機得到的動能、經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)子、再經(jīng)過其內(nèi)外轉(zhuǎn)子的電磁耦 合、直接透過到負載的機械功率，故稱其為透過功率。電磁耦合的透過功
率不經(jīng)過任何衰減、100%地送達最終負載。內(nèi)轉(zhuǎn)子獲得的機械功率與外轉(zhuǎn)
子輸出的機械功率之差即為內(nèi)電機用來發(fā)電的功率。該部分功率乘以內(nèi)電
機及A伺服驅(qū)動器的綜合發(fā)電效率即為內(nèi)電機輸出到公共直流母線的電功 率。
本發(fā)明的嵌套式電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法，由于部分能量不經(jīng)衰 減100%送達負載側(cè)，因而總的效率遠高于傳統(tǒng)的發(fā)電-儲能-用電驅(qū)動方 式。
當外部發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)時，B伺服驅(qū)動器可通過公共直流母線吸收電 能，使外電機按電動機模式運行，對外部負載做功；A伺服驅(qū)動器使內(nèi)轉(zhuǎn) 子繞組的電流矢量大小為零，內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子之間電磁力為零，內(nèi)轉(zhuǎn)子靜 止，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
當外部發(fā)動機開始啟動時，需外力協(xié)助由停止進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)，內(nèi)外電 機可經(jīng)其伺服驅(qū)動器通過公共直流母線吸收電能，按電動機模式運行，內(nèi) 外電機施加在外轉(zhuǎn)子的扭矩大小相等方向相反，故輸出軸靜止，而外轉(zhuǎn)子 對內(nèi)轉(zhuǎn)子的作用扭矩使與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接的外部發(fā)動機轉(zhuǎn)動。
控制單元可對B伺服驅(qū)動器施加反向的扭矩設(shè)定，B伺服驅(qū)動器控制 外電機工作于正向轉(zhuǎn)動、反向出力的發(fā)電機狀態(tài)，負載經(jīng)外轉(zhuǎn)子送入的動 能被轉(zhuǎn)化為電能傳送至公共直流母線，外轉(zhuǎn)子對輸出軸的反向扭矩使負載 制動。上述制動過程中，內(nèi)電機有兩種工作狀態(tài)其一是A伺服驅(qū)動器控 制內(nèi)電機向發(fā)動機施加有限的順拖負載扭矩，即所施加的扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn) 動方向相同，但其力量不會使發(fā)動機熄火，此時外轉(zhuǎn)子對外的透過扭矩為 制動方向的扭矩，可一定程度上輔助外電機的電制動，并回饋制動能量到 公共直流母線；其二為A伺服驅(qū)動器使內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電流矢量大小為零， 內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子間電磁力為零，外部負載制動時僅B電機按發(fā)電機模式運 行進行電制動。根據(jù)整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)的運行狀況，本嵌套式永磁同步電機的任何一 個電機都可以在其伺服驅(qū)動器的控制下實現(xiàn)獨立的四象限運行。
本發(fā)明的嵌套式永磁同步機電機伺服系統(tǒng)及其控制運行方法的優(yōu)點
為
1、不受外負載影響，可通過伺服驅(qū)動器獨立對燃油發(fā)動機的軸加載， 便于調(diào)整燃油發(fā)動機工作點使其使用等量燃油輸出更大動能；相對于純?nèi)?油式的動力結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可獨立調(diào)整燃油發(fā)動機工作點，提高燃油的化學(xué) 能轉(zhuǎn)換成動能的效率達20 60%; 2、發(fā)動機的動能一部分以機械能直接傳
遞，另一部分轉(zhuǎn)為電能傳遞；相對于發(fā)動機的純機械能傳遞結(jié)構(gòu)，本發(fā)明 因可調(diào)整燃油發(fā)動機工作點、使燃油能轉(zhuǎn)為動能的效率更高；相對于發(fā)動 機的動能轉(zhuǎn)換為純電能后傳遞的結(jié)構(gòu)，因一部分動能以透過功率100°/。直接
傳遞到負載側(cè)，發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)為外負載機械能的平均效率提高5%以上；
3、伺服驅(qū)動器調(diào)節(jié)與發(fā)動機連接的內(nèi)外轉(zhuǎn)子相互作用扭矩，使兩者可相 互無作用力或以某一扭矩接合；4、燃油發(fā)動機、內(nèi)外電機三個動力源以 電磁力方式耦合，實現(xiàn)非接觸式功率或扭矩疊加，組合靈活、控制方便， 無結(jié)合噪音和磨損；5、內(nèi)外電機均可在伺服驅(qū)動器控制下實現(xiàn)四象限工 作，便于各個動力的組合；6、內(nèi)外電機可四象限工作，便于實現(xiàn)回收制 動能，便于輔助發(fā)動機出力；7、本電機伺服系統(tǒng)適合用于油電混合動力 車，相對于串聯(lián)式、并聯(lián)式、混合式的動力結(jié)構(gòu)，大大簡化了油電混合動 力車的結(jié)構(gòu)，進一步提高整車燃油能量的利用效率，節(jié)能效果明顯，成本 下降明顯。
(四)


圖l為本嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標號為
1、 A速度/位置傳感器，2、輸入軸，3、滑環(huán)，4、內(nèi)轉(zhuǎn)子，5、外轉(zhuǎn) 子，6、定子7、 A伺服驅(qū)動器，8、控制單元，9、公共直流母線，10、 用電單元，11、儲能單元，12、 B伺服驅(qū)動器，13、 B速度/位置傳感器， 14、輸出軸，15、輸出齒輪。
具體實施方式
本發(fā)明設(shè)計的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括定子6、外轉(zhuǎn)子5和內(nèi)轉(zhuǎn)子4，定子6為電樞繞組，處于最外層，固 定于機殼；外轉(zhuǎn)子5處于定子6內(nèi)，其上嵌有內(nèi)外層永磁磁極，外轉(zhuǎn)子5 的外層磁極為定子6提供磁場，外轉(zhuǎn)子5與定子6構(gòu)成外電機。內(nèi)轉(zhuǎn)子4 為電樞，位于外轉(zhuǎn)子5內(nèi)，外轉(zhuǎn)子5的內(nèi)層磁極為內(nèi)轉(zhuǎn)子4提供磁場，外 轉(zhuǎn)子5與內(nèi)轉(zhuǎn)子4，構(gòu)成內(nèi)電機。外轉(zhuǎn)子5軸為本電機輸出軸14，內(nèi)轉(zhuǎn)子 4軸為本電機動力輸入軸2。輸出軸14上安裝輸出齒輪15，輸出齒輪15 與外部負載連接。輸入軸2與發(fā)動機軸連接，即發(fā)動機軸即為本系統(tǒng)輸入 軸2。本發(fā)明的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)還包括兩個伺服驅(qū)動器、兩 個速度/位置傳感器，輸入軸2上安裝A速度/位置傳感器1，用于測量內(nèi) 轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)速度及所在位置。A伺服驅(qū)動器7經(jīng)滑環(huán)3連接內(nèi)轉(zhuǎn)子4的 繞組，A速度/位置傳感器1也與A伺服驅(qū)動器7連接。外轉(zhuǎn)子5的軸上安 裝B速度/位置傳感器13，用于測量外轉(zhuǎn)子5的旋轉(zhuǎn)速度及所在位置。B 速度/位置傳感器13與B伺服驅(qū)動器12和A伺服驅(qū)動器7連接，B伺服驅(qū) 動器13連接定子6的線圈繞組?？刂茊卧?連接A、 B伺服驅(qū)動器7、 12， A、 B速度/位置傳感器l、 13接入控制單元8。控制單元8主體為計算機， 其按需要給出內(nèi)外電機的扭矩設(shè)定。A、 B伺服驅(qū)動器7、 12經(jīng)公共直流母 線9連接。公共直流母線9連接儲能單元11，還可連接用電單元IO。儲 能單元10內(nèi)包含電容、蓄電池及其控制和保護線路。
本發(fā)明嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法實施例具體如 以下幾種形式
① 發(fā)動機未啟動，內(nèi)轉(zhuǎn)子4靜止，外電機單獨驅(qū)動負載-
B伺服驅(qū)動器12通過公共直流母線9汲取電能，根據(jù)B速度/位置傳 感器13的信號和控制單元8給外電機的扭矩設(shè)定，對定子6加載電流矢 量，外電機工作于電動機狀態(tài)，將電能轉(zhuǎn)化為動能，對負載驅(qū)動軸輸出扭 矩，此時A伺服驅(qū)動器7對內(nèi)轉(zhuǎn)子4加載的電流矢量為零，內(nèi)轉(zhuǎn)子4與外 轉(zhuǎn)子5相互作用力也為零內(nèi)轉(zhuǎn)子4維持靜止。
B伺服驅(qū)動器13可對外電機輸出反向扭矩，驅(qū)動輸出軸14反向運轉(zhuǎn)。
② 當發(fā)動機啟動時，需外力協(xié)助由停止進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)，內(nèi)外電機工作 于電動機狀態(tài)，帶動發(fā)動機的軸轉(zhuǎn)動
內(nèi)外電機經(jīng)A、 B伺服驅(qū)動器7和12通過公共直流母線9吸收電能， 按電動機模式運行。A伺服驅(qū)動器7根據(jù)A、 B速度/位置傳感器l、 13的 位置信號得到內(nèi)外轉(zhuǎn)子4、 5的相對位置，A伺服驅(qū)動器7根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子4、 5的此相對位置和控制單元8扭矩設(shè)定給內(nèi)轉(zhuǎn)子4施加電流矢量對內(nèi)電 機進行扭矩伺服控制；同時控制單元8給B伺服驅(qū)動器12大小相等方向 相反的扭矩設(shè)定，B伺服驅(qū)動器12根據(jù)此扭矩設(shè)定及B速度/位置傳感器 13的位置信號給定子6加載電流矢量對外電機進行扭矩伺服控制，使施加 在外轉(zhuǎn)子5的扭矩和內(nèi)電機對其的扭矩大小相等方向相反，外轉(zhuǎn)子5靜止， 而外轉(zhuǎn)子5對內(nèi)轉(zhuǎn)子4的作用扭矩則驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)子4帶動發(fā)動機的軸轉(zhuǎn)動。
③ 當發(fā)動機以怠速供油量、高速慣性運行時，A、 B伺服驅(qū)動器7、 12 驅(qū)動內(nèi)外電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，對負載驅(qū)動軸實施電氣制動
A伺服驅(qū)動器7根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子4、 5的相對位置及控制單元8的扭矩設(shè) 定給內(nèi)轉(zhuǎn)子4施加電流矢量，使得內(nèi)電機對發(fā)動機施加順拖負載扭矩，即 所施加的扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)動方向相同，但力量大小不足以使發(fā)動機熄火， 此時外轉(zhuǎn)子5對外的透過扭矩為制動方向的扭矩；B伺服驅(qū)動器12根據(jù)B 速度/位置傳感器13獲得的外轉(zhuǎn)子5位置信號及控制單元8的扭矩設(shè)定給 定子6加載電流矢量，使得外轉(zhuǎn)子5對外施加制動扭矩。此時內(nèi)外電機 都工作在發(fā)電機狀態(tài)，外轉(zhuǎn)子5通過裝在其軸14上的輸出齒輪15對負載 驅(qū)動軸施加制動扭矩，嵌套式電機從負載驅(qū)動軸得到的動能，經(jīng)內(nèi)外電機 轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)A、 B伺服驅(qū)動器7、 12送入公共直流母線9;公共直流母線 9將電能送入儲能單元11或直接提供給用電單元10達到回收制動能量的 目的。
④ 當發(fā)動機怠速運行、不參與驅(qū)動，外轉(zhuǎn)子5與發(fā)動機隔離，外電 機工作于發(fā)電機狀態(tài)-
A伺服驅(qū)動器7使內(nèi)轉(zhuǎn)子4的電流矢量為零，內(nèi)轉(zhuǎn)子4與外轉(zhuǎn)子5相 互作用扭矩為零，實現(xiàn)外轉(zhuǎn)子5與發(fā)動機隔離。B伺服驅(qū)動器12根據(jù)B 速度/位置傳感器13的信號和控制單元8的扭矩設(shè)定給定子6加載電流矢 量，控制外電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，外轉(zhuǎn)子5通過其軸14上的輸出齒 輪15對負載驅(qū)動軸施加制動扭矩，外轉(zhuǎn)子5的軸14從負載驅(qū)動軸得到的 動能，使外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)動，經(jīng)外電機轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)B伺服驅(qū)動器12送入公 共直流母線9，達到制動、回收能量又不改變發(fā)動機現(xiàn)狀的目的。
⑤ 發(fā)動機運行輸入動能，內(nèi)外電機分別工作于發(fā)電機和電動機狀態(tài)， 發(fā)動機動能一部分傳遞到負載側(cè)、另一部分轉(zhuǎn)換為電能，并調(diào)節(jié)發(fā)動機工 作點發(fā)動機輸出機械功率至輸入軸2，輸入軸2轉(zhuǎn)速為N,轉(zhuǎn)/分鐘(rpni)， A伺服驅(qū)動器7根據(jù)A速度/位置傳感器1和B速度/位置傳感器13的位置 信號獲得內(nèi)外轉(zhuǎn)子4、 5的相對位置信號，A伺服驅(qū)動器7根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子 4、 5的相對位置信號、控制單元8的扭矩設(shè)定T對內(nèi)轉(zhuǎn)子4的繞組加載電 流矢量對內(nèi)電機進行扭矩伺服控制，驅(qū)動內(nèi)電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，對輸 入軸2，即發(fā)動機的軸施加T牛米(N.m)的負載扭矩，則內(nèi)轉(zhuǎn)子4輸入機 械功率(即發(fā)動機輸出的機械功率)為
<formula>formula see original document page 12</formula>(W)。 (9. 55為單位轉(zhuǎn)換常數(shù))
內(nèi)電機施加在其外轉(zhuǎn)子5的扭矩等于其內(nèi)轉(zhuǎn)子4施加在發(fā)動機軸2上 的扭矩，控制單元8調(diào)整內(nèi)電機的扭矩設(shè)定T (N.m)，即可使發(fā)動機的扭 矩與轉(zhuǎn)速按發(fā)動機最佳效率曲線數(shù)據(jù)匹配，調(diào)整發(fā)動機工作點，達到節(jié)能 目的。
當嵌套式電機的輸出軸14的轉(zhuǎn)速為N2 (rpm)，內(nèi)轉(zhuǎn)子4與外轉(zhuǎn)子5 之間的電磁扭矩T (N.m)與外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速之積為由內(nèi)電機經(jīng)輸出齒輪15 送至負載側(cè)的機械功率即為透過功率為
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內(nèi)電機及A伺服驅(qū)動器7 —方面將透過功率直接施加于負載驅(qū)動軸， 另一方面將部分輸入機械功率P,3轉(zhuǎn)換為電功率h輸送到公共直流母線9; P3 二 PrP2，電功率h為P3再乘以內(nèi)電機和A伺服驅(qū)動器7的發(fā)電轉(zhuǎn)換效 率r^，也就是
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外轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)速為N2 (rpm)， B伺服驅(qū)動器12根據(jù)控制單元8提供的 扭矩設(shè)定值和B速度/位置傳感器13的位置信號對定子6加載電流矢量， 驅(qū)動外電機對外轉(zhuǎn)子5的軸施加驅(qū)動扭矩。當內(nèi)外電機總輸出扭矩為T。 (N.m)，嵌套式電機的輸出機械功率為
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外電機提供的機械功率為嵌套式電機的輸出機械功率減去內(nèi)電機提 供的機械功率
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外電機及B伺服驅(qū)動器12消耗的公共直流母線9上的電功率為其輸 出的機械功率除以外電機和B伺服驅(qū)動器13的電能機械能轉(zhuǎn)換效率n2， 即-Pc =PB/ru)= N2X (T -T) / (9.55r]2) (W)
外電機將來自公共直流母線9的電能轉(zhuǎn)化為動能從外轉(zhuǎn)子5軸14上 輸出，與內(nèi)電機所加扭矩一起通過輸出齒輪15帶動負載驅(qū)動軸；外電機
損耗的功率為P。fPf pB/n2- pb= pb (i-n'》/n2。
內(nèi)電機發(fā)電的能量直接通過公共直流母線9提供給外電機。當外電機
將內(nèi)電機發(fā)出的全部電能用于驅(qū)動外負載時，產(chǎn)生的機械功率Ps為 Ps=ri2P4 二i12 1^ (P,-h) 二run,X (N「N2) XT/9.55 (W)。 此時輸出軸輸出的全部機械功率為-Po =P2+ Ps= "21"1萬+ (In) N2) XT/9.55 (W)
⑥ 發(fā)動機運行輸入動能，但負載需要的驅(qū)動功率大于發(fā)動機提供的最 大機械功率，內(nèi)外電機分別工作于發(fā)電機和電動機狀態(tài)，B伺服驅(qū)動器12 和外電機不僅使用了內(nèi)電機此時發(fā)出的全部電能，還從儲能單元11取用 電能補充功率需求
內(nèi)電機和A伺服驅(qū)動器7的工作模式同⑤。B伺服驅(qū)動器12從公共直 流母線9的吸取電能，根據(jù)控制單元8的扭矩設(shè)定值和B速度/位置傳感 器13的位置信號對定子6加載更大電流矢量，驅(qū)動外電機對外轉(zhuǎn)子5施 加更大的驅(qū)動扭矩，內(nèi)外電機共同驅(qū)動輸出軸14帶動負載。負載側(cè)可得 到的最大驅(qū)動功率為發(fā)動機通過內(nèi)電機透過的機械功率與外電機輸出機 械功率之和。
⑦ 在⑥的情況下，嵌套式電機輸出軸14的轉(zhuǎn)速N2高于發(fā)動機軸的轉(zhuǎn) 速N,:
當輸出軸14輸出的總扭矩持續(xù)大于負載扭矩，則輸出軸14不斷加速， 當其轉(zhuǎn)動速度超過發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，內(nèi)電機從發(fā)電機狀態(tài)過度到電動機狀 態(tài)， 一方面將透過功率直接施加于負載驅(qū)動軸，另一方面從公共直流母線 9汲取電能并轉(zhuǎn)化為動能輸送到負載驅(qū)動軸。負載可得到的最大驅(qū)動功率 為發(fā)動機的機械功率與內(nèi)外電機功率之和。B伺服驅(qū)動器12及外電機工作 狀態(tài)與⑥相同。
當內(nèi)外電機中的一個或兩個處于發(fā)電狀態(tài)時，機械動能轉(zhuǎn)化為電能傳 遞到公共直流母線9，可供電動機狀態(tài)的電機使用，或送入儲能單元11 或直接提供給用電單元IO。多余的電能可使儲能單元IO電壓升高。儲能 單元10的電壓超過預(yù)定的安全電壓值時，儲能單元10啟動其內(nèi)的能量泄 放通道，將多余電能通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苄狗?，直至其電壓降到預(yù)定的安全值。
本發(fā)明的嵌套式電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法，由于部分能量不經(jīng)衰
減100%送達負載側(cè)，因而總的效率遠高于傳統(tǒng)的發(fā)電-儲能-用電驅(qū)動方 式。在上述計算例中，發(fā)動機動能轉(zhuǎn)變?yōu)橛行C械能和電能總的效率n^
(P2+ P4) / N2/仏，總的效率提高了 (1-n,) N2/ Nl;發(fā)
動機動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥庳撦d的有用機械能的總效率n二 (P2+ P5) / Pf^^十 (l-^l) N2/ 提高了 (l-n) N2/ N,。
權(quán)利要求
1、 一種嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)，包括永磁電機及伺服驅(qū)動裝置，其特征在于永磁電機為嵌套式永磁同步電機，包括定子(6)、外轉(zhuǎn)子(5)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)，定子(6)為電樞繞組，處于最外層，固定于機殼；外轉(zhuǎn)子(5)處于定子(6)內(nèi)，其上嵌有內(nèi)外層永磁磁極，外轉(zhuǎn)子(5)的外層磁極為定子(6)提供磁場，外轉(zhuǎn)子(5)與定子(6)構(gòu)成外電機；內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)為電樞，位于外轉(zhuǎn)子(5)內(nèi)，外轉(zhuǎn)子(5)的內(nèi)層磁極為內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)提供磁場，外轉(zhuǎn)子(5)與內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)構(gòu)成內(nèi)電機；外轉(zhuǎn)子(5)軸為本電機輸出軸(14)，內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)軸為本電機動力輸入軸(2)；輸入軸(2)與發(fā)動機軸連接；所述伺服驅(qū)動裝置包括兩個伺服驅(qū)動器、兩個速度/位置傳感器，A、B速度/位置傳感器(1、13)分別安裝于內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)和外轉(zhuǎn)子(5)的軸上，A速度/位置傳感器(1)連接A伺服驅(qū)動器(7)，B速度/位置傳感器(13)同時連接A、B伺服驅(qū)動器(7、12)；A伺服驅(qū)動器(7)通過滑環(huán)(3)與內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)的繞組連接，B伺服驅(qū)動器(12)直接連接定子(6)的繞組；控制單元(8)連接A、B伺服驅(qū)動器(7、12)，A、B速度/位置傳感器(1、13)接入控制單元(8)；控制單元(8)主體為計算機，A伺服驅(qū)動器(7)和B伺服驅(qū)動器(12)通過公共直流母線(8)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)，其特征在于 所述嵌套式電機輸出軸(14)上安裝輸出齒輪(15)，輸出齒輪(15)連接外負載。
3、 如權(quán)利要求l所述的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法，其 特征在于所述嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)與發(fā)動機的軸同步轉(zhuǎn)動， A伺服驅(qū)動器(7)通過A、 B速度/位置傳感器(1、 13)的位置信號得到內(nèi)外轉(zhuǎn) 子(4、 5)的相對位置，A伺服驅(qū)動器(7)按控制單元(8)給出的扭矩設(shè)定 值和內(nèi)外轉(zhuǎn)子(4、 5)的相對位置信號對內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)的繞組加載相應(yīng)的電流矢 量，對內(nèi)電機進行扭矩伺服控制，發(fā)動機軸上的扭矩等于A伺服驅(qū)動器(7)通 過內(nèi)電機施加在其內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)的扭矩；B伺服驅(qū)動器(12)通過B速度/位置傳感器(13)得到外轉(zhuǎn)子(5)的位置信號，B伺服驅(qū)動器(12)按控制單元(8)給出的扭矩設(shè)定值和外轉(zhuǎn)子(5)的位置信號對定子(6)的繞組加載相應(yīng)的電流矢量，對外電機進行扭矩伺服控制。
4、 如權(quán)利要求3所述的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法，其特征在于當發(fā)動機未啟動，內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)靜止，B伺服驅(qū)動器(12)通過公共直流母 線(9)汲取電能驅(qū)動外電機工作于電動機狀態(tài)，對輸出軸(14)輸出扭矩驅(qū)動 外負載；A伺服驅(qū)動器(7)對內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)加載的電流矢量為零，內(nèi)轉(zhuǎn)子(4) 與外轉(zhuǎn)子(5)之間作用力為零。
5、 如權(quán)利要求4所述的嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法，其 特征在于B伺服驅(qū)動器(12)對外電機輸出反向扭矩，驅(qū)動輸出軸(14)反向運轉(zhuǎn)。
6、 如權(quán)利要求3所述的一種嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法， 其特征在于-.當發(fā)動機開始啟動時，需外力協(xié)助由停止進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)，A、 B伺服驅(qū)動器 (7、 12)通過公共直流母線(9)吸收電能、驅(qū)動A、 B電機按電動機模式運行； 施加在外轉(zhuǎn)子(5)的扭矩大小相等方向相反，嵌套式電機輸出軸(14)靜止， 外轉(zhuǎn)子(5)對內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)的作用扭矩驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)和發(fā)動機的軸轉(zhuǎn)動。
7、 如權(quán)利要求3所述的一種嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法， 其特征在于發(fā)動機以怠速供油量、高速慣性運行，A伺服驅(qū)動器(7)控制內(nèi)電機對發(fā) 動機施加順拖負載扭矩，外轉(zhuǎn)子(5)對外的透過扭矩為制動方向的扭矩；B伺 服驅(qū)動器(12)控制外轉(zhuǎn)子(5)對輸出軸(14)施加制動扭矩，內(nèi)外電機都工 作在發(fā)電機狀態(tài)，嵌套式電機從負載驅(qū)動軸得到的動能，經(jīng)內(nèi)外電機轉(zhuǎn)化為電 能經(jīng)A、 B伺服驅(qū)動器(7、 12)送入公共直流母線(9)。
8、 如權(quán)利要求3所述的一種嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法， 其特征在于發(fā)動機怠速運行、不參與驅(qū)動，A伺服驅(qū)動器(7)控制內(nèi)外轉(zhuǎn)子(4、 5)之間的扭矩為零；B伺服驅(qū)動器(12)控制外電機按控制單元(8)的制動扭 矩設(shè)定運行，外轉(zhuǎn)子(5)通過其軸上的輸出齒輪(15)對負載驅(qū)動軸施加制動 扭矩，外轉(zhuǎn)子(5)從負載驅(qū)動軸得到的動能，經(jīng)外電機轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)B伺服驅(qū) 動器(12)送入公共直流母線(9)。
9、 如權(quán)利要求3所述的一種嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方法， 其特征在于發(fā)動機運行，A伺服驅(qū)動器(7)驅(qū)動內(nèi)電機通過內(nèi)轉(zhuǎn)子(4)對發(fā)動機施加 扭矩T牛米，同樣大小的反作用扭矩T牛米直接作用于外轉(zhuǎn)子(5)的輸出軸(14) 上，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為Ni轉(zhuǎn)/分鐘時，輸出功率為P產(chǎn)N,XT/9.55瓦；設(shè)此時外轉(zhuǎn) 子(5)輸出軸(14)轉(zhuǎn)速為N2轉(zhuǎn)/分鐘，當N2小于N,時，內(nèi)電機工作于發(fā)電機 狀態(tài)， 一方面將機械功率P2二N2XT/9. 55瓦透過至輸出軸(14)， 一方面將P「P2 的機械功率轉(zhuǎn)化為電功率送至公共直流母線(9);當N2大于N,時，內(nèi)電機工作 于電動機狀態(tài)， 一方面將機械功率P產(chǎn)N,XT/9.55瓦透過至輸出軸(14)， 一方 面從公共直流母線(9)吸取電能產(chǎn)生P廠Pt的機械功率送至輸出軸(14);B伺服驅(qū)動器(12)驅(qū)動外電機對外轉(zhuǎn)子(5)的軸施加驅(qū)動扭矩，外電機 將來自公共直流母線(9)的電能轉(zhuǎn)化為動能從輸出軸(14)上輸出，與內(nèi)電機 一起帶動負載。
10、 如權(quán)利要求9所述的一種嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制運行方 法，其特征在于當發(fā)動機運行、負載需要的驅(qū)動功率大于發(fā)動機提供的最大機械功率，內(nèi) 外電機分別工作于發(fā)電機和電動機狀態(tài)，控制單元(8)、 A伺服驅(qū)動器(7)控 制內(nèi)電機使發(fā)動機輸出最大機械功率，B伺服驅(qū)動器(12)從公共直流母線(9) 的吸取電能，驅(qū)動外電機對外轉(zhuǎn)子(5)施加驅(qū)動扭矩，內(nèi)外電機共同驅(qū)動負載 驅(qū)動軸；負載得到的驅(qū)動功率為發(fā)動機通過內(nèi)電機透過的機械功率與外電機輸 出機械功率之和。
全文摘要
本嵌套式永磁同步電機伺服系統(tǒng)及其控制運行方法，系統(tǒng)包括定子、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的嵌套式電機，繞組定子固定于機殼，含內(nèi)外層永磁極的外轉(zhuǎn)子處于定子內(nèi)，外轉(zhuǎn)子與定子構(gòu)成外電機。外轉(zhuǎn)子與其內(nèi)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電樞構(gòu)成內(nèi)電機。外轉(zhuǎn)子軸為輸出軸，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸為輸入軸、與發(fā)動機軸連接。二速度/位置傳感器分別安裝于外內(nèi)轉(zhuǎn)子軸，A傳感器接A伺服驅(qū)動器，B傳感器接AB伺服驅(qū)動器。二驅(qū)動器分別接二電機繞組、經(jīng)公共母線相接。控制單元接驅(qū)動器和傳感器。其控制運行方法為控制單元設(shè)定二電機扭矩，二驅(qū)動器控制二電機分別工作于發(fā)電機或電動機模式；發(fā)動機動能部分無損耗透過電機直接送達負載側(cè)、部分轉(zhuǎn)換為電能。負載制動能量也能回收，節(jié)能效果明顯。
文檔編號H02K16/00GK101286678SQ20071004886
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月10日
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