[0001] 本申请属于电机技术领域，更具体地，涉及一种复合电机。

[0002] 与传统的燃油汽车相比，混合动力电动汽车的发动机效率更高，燃油的经济性也得到了大幅度提高，有效克服了内燃机在某些特定驱动场景下效率偏低的问题。

[0003] 混合驱动系统复合电机是具有多电气/机械端口的机电能量转换装置，其无需离合器和额外的起动电动机，可以在发动机最佳转速范围内进行传动比的匹配，在各种工况
下保持最佳传动比，由于混合驱动电机采用的发动机/电动机协同工作的模式，因此，如何
设计适合于多驱动模式的复合电机系统，使得动力系统按照驱动设备实际的工况进行灵活
调控，同时使发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，降低能耗、提高驱动性能，成为目
前混合驱动电机领域亟需解决的技术问题。

[0046] 为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用
以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0047] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

[0048] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0049] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0050] 请一并参阅图1‑图2，现对本申请实施例提供的复合电机进行说明。

[0051] 本申请实施例提供一种复合电机，请参阅图1，该复合电机包括从内到外同轴设置的内定子1、调磁环转子2、永磁环转子3和外定子4，内定子1与调磁环转子2之间间隔形成第
一气隙5，调磁环转子2与永磁环转子3之间间隔形成第二气隙6，永磁环转子与外定子之间
间隔形成第三气隙7。

[0052] 上述实施方式中，内定子1、调磁环转子2和永磁环转子3同轴设置组成磁齿轮永磁电机，永磁环转子3和外定子4同轴设置组成了一个电机，两个电机同轴复合设置，通过共用
一个永磁环转子3的方式进一步提高了电机的转矩密度。

[0053] 上述实施方式中，电机的具体工作原理包括：外定子4在第三气隙7中产生外定子旋转磁场驱动永磁环转子3转动，内定子1在第一气隙5中产生内定子旋转磁场，内定子旋转
磁场通过调磁环转子2的调制作用，在第二气隙6中产生调制旋转磁场，调制旋转磁场进一
步作用在永磁环转子3上，由于力的作用是相互的，调磁环转子2同样会受到转矩作用，而调
磁环转子2与外部动力的输入进行连接时，能够进一步为永磁环转子3的转动提供动力，因
此本发明中，内定子1、外定子4分别为两个单独的电力驱动端，调磁环转子2作为机械驱动
端，通过三个相互独立的驱动端选择性进行工作配合，可以实现不同的工作模式的切换，并
选择输出不同级别的动力，更加节能，其次当其中的两个电力驱动端部工作时，还能够收集
多余机械能并转换成电能储存，提高了复合电机的工作效率。

[0054] 以上实施方式中永磁环转子3和外定子4同轴设置组成的电机可以是常规电机，也可以是游标电机，通过改变永磁环转子3和外定子4的磁极对数以改变对应电机类型。

[0055] 由内定子1、调磁环转子2和永磁环转子3组成磁齿轮电机结构，调磁环转子2和永磁环转子3均可以转动，同时两个转子均受到对应的磁齿轮永磁电机的磁场调制效应影响，
在由永磁环转子3和外定子4组成的电机中，永磁环转子3同样受到磁场调制效应的影响，因
此利用内定子1和外定子4分别对永磁环转子3进行调制，达到了增强转矩的效果。

[0056] 在一些实施方式中，内定子1包括内定子铁心11和第一电枢绕组12，内定子铁心11沿周向外表面凸出设置有多个内定子齿111，第一电枢绕组12缠绕在内定子齿111上，外定
子4包括外定子铁心41和第二电枢绕组42，外定子铁心41沿周向内表面凸出设有多个外定
子齿411，第二电枢绕组42缠绕在外定子齿411上。

[0057] 以上实施方式中，在内定子齿111上绕设第一电枢绕组12后形成对应的内定子电枢磁极，向内定子的电枢内通入电流从而使对应的内定子铁心11表面产生磁场，从而与调
磁环转子2和永磁环转子3耦合，在外定子齿411上绕设第二电枢绕组42后形成对应的外定
子电枢磁极，向外定子的电枢内通入电流使对应的外定子铁心41产生磁场，从而与永磁环
转子3耦合。

[0058] 以上实施方式中，相邻两个内定子齿111之间形成第一线槽，第一电枢绕组12的线圈通过嵌入在第一线槽中，实现第一电枢绕组12的安装，相邻两个外定子齿411之间形成第
二线槽，第二电枢绕组42的线圈通过嵌入在第二线槽中，实现第二电枢绕组42的安装。

[0059] 以上实施方式中，内定子齿111以及外定子齿411的形状可以是现有技术中已知齿结构的一种或满足电机设计原理的定子齿的结构。

[0060] 在一些实施方式中，多个内定子齿111绕内定子1的转轴周向均匀阵列排布，多个外定子齿411绕外定子的转轴周向均匀阵列排布。

[0061] 在一些实施方式中，第一电枢绕组12的绕线方式如图4所示。

[0062] 在一些实施方式中，第二电枢绕组42的绕线方式如图3所示。

[0063] 在一些实施方式中，外定子4的外定子齿411的数量为Pos，外定子4的第二电枢绕组42极对数为Pow，永磁环转子3的极对数为PPM，调磁环转子2的极数为Pring，内定子1的第一电枢绕组极对数为Piw，Pos、Pow、PPM、Pring和Piw均为正整数且满足以下关系：

[0064] Pos‑Pow＝PPM

[0065] Pring‑PPM＝Piw。

[0066] 以上实施方式中，磁场调制复合电机由双电机共用永磁环转子3实现嵌合，复合的游标和磁齿轮电机的极对数都必须遵循磁场调制机理的限制，即对于外定子4和永磁环转
子3组成的电机而言，外定子4的外定子齿411的数量Pos减去外定子4的第二电枢绕组42极对
数Pow应与永磁环转子3的极对数PPM相等；对于永磁环转子3、调磁环转子2和内定子1组成的
电机而言，调磁环转子2的极数Pring减去内定子1的第一电枢绕组12极对数Piw应与永磁环转
子3的极对数PPM相等。

[0067] 在一些实施方式中，外定子4的外定子齿411的数量Pos为24，外定子4的第二电枢绕组42极对数Pow为13，永磁环转子3的极对数PPM为11，调磁环转子2的极数Pring为13，内定子1的第一电枢绕组12极对数Piw为2。

[0068] 以上实施方式中，考虑到电机在实际应用当中的场景限制以及对机器尺寸的限制，内定子1的第一电枢绕组12极对数为2，外定子4的第二电枢绕组42极对数为13，永磁环
转子3和外定子4组成游标电机，此时内定子1、调磁环转子2以及永磁环转子3则组成磁齿轮
电机，其中调磁环转子2经第二电枢绕组42磁化后形成与外定子4具有相同极对数的定子结
构，该结构类似双定子无刷电机，内定子结构和外定子结构产生的气隙磁场同时对永磁环
转子3产生磁场调制作用，而在磁齿轮电机的结构中，调磁环转子2与内定子1和永磁环转子
3形成磁齿轮结构，驱动调磁环转子2转动的同时会对永磁环转子3产生调速作用，因此永磁
环转子3同时受到了多种调制作用影响。通过该多种调制作用，使复合电机具有多种不同工
作模式。

[0069] 在一些实施方式中，第一电枢绕组12采用分布式绕组。

[0070] 以上实施方式中，第一电枢绕组12的绕组结构根据实际设计可进行不同选择，绕组的极对数满足复合电机磁场调制原理即可。

[0071] 在一些实施方式中，第一电枢绕组12采用双层绕组。

[0072] 以上实施方式中，第一电枢绕组的12的绕组层数选择根据电机设计需求进行更改。

[0073] 在一些实施方式中，第一电枢绕组12采用三相或三相以上相数绕组。

[0074] 以上实施方式中，第一电枢绕组12的相数选择根据电机的实际应用场景进行改变。多相电机具有可靠性高、控制灵活度高等优点，有效降低了半导体器件的功率等级。

[0075] 在一些实施方式中，第二电枢绕组42采用集中式绕组。

[0076] 以上实施方式中，采用集中式绕组的第二电枢绕组对第二线槽的利用率更高，绕组端部长度降低，有效减少复合电机铜耗、降低铜线用量。同时，绕组的结构更简单紧凑，便于加工生产。

[0077] 在一些实施方式中，第二电枢绕组42中，相邻两个线圈之间间隔设置至少一个外定子齿411。

[0078] 以上实施方式中，相邻两个线圈之间间隔设置外定子齿411，有效提高了容错能力，使相邻线圈之间具有热隔离、磁隔离以及电气隔离的能力，每相绕组之间也能够抑制短
路电流，缩短了端部绕组长度。

[0079] 在一些实施方式中，第二电枢绕组42采用单层绕组。

[0080] 以上实施方式中，第二电枢绕组42的绕组层数选择根据复合电机设计需求进行更改，采用单层绕组减少了槽隔离、槽绝缘占用空间，提高了第二线槽的利用率与可靠性。

[0081] 在一些实施方式中，第二电枢绕组42为三相或三相以上相数绕组。

[0082] 以上实施方式中，第二点数绕组42的相数选择根据电机的实际应用场景进行改变。多相电机可靠性高，可降低功率半导体功率等级，适用于低压大功率场合。

[0083] 在一些实施方式中，调磁环转子2包括沿调磁环转子2所在圆环周向排布的多个导磁块21和设置于相邻两个导磁块21之间的非导磁块22。

[0084] 在一些实施方式中，多个导磁块21沿圆环周向均匀阵列排布。

[0085] 以上实施方式中，导磁块21可选用软磁材料或硬磁材料，在一些示范例中，导磁块21的选择包括硅钢、铁或铁氧体，非导磁块22不能被磁化，在一些实施例中，非导磁块22用
于保持导磁块21之间间隔设置，用以支撑用，作为示范例，非导磁块22是空气，或者采用非
导磁材料的实体块状结构设置在相邻两个导磁块21之间，在一些实施例中，当非导磁块22
采用实体块状结构时，非导磁块22与导磁块21之间固定连接。

[0086] 在一些实施方式中，永磁环转子3包括沿永磁环转子3所在圆环周向依次排布的多个永磁块31。

[0087] 在一些实施方式中，多个永磁块31沿圆环周向均匀排布。

[0088] 在一些实施方式中，永磁块31采用双极性径向充磁。

[0089] 在一些实施方式中，相邻两个永磁块31的充磁方向相反。

[0090] 现将以上实施例所述复合电机作为混合动力飞机的驱动电机作为示例，介绍其可能存在的几种工作模式：

[0091] 模式1、分别对内定子1上的第一电枢绕组12通电、对外定子4上的第二电枢绕组42通电，永磁环转子3分别受到内定子1和/或外定子4产生的磁场驱动而转动，此时，永磁环转
子3与驱动轴连接，调磁环转子2连接内燃机处于锁定状态，从而实现纯电驱动，对应的，该
模式下复合电机可以进行飞机起飞滑行阶段的驱动。

[0092] 模式2、利用外部驱动结构，例如内燃机，对调磁环转子2进行驱动，此时，内定子1和外定子4均保持供电，调磁环转子2的运动介入进一步对永磁环转子3的转动起到驱动作
用，以实现无级调速，此时永磁环转子3的转矩达到最大，可满足飞机加速爬升阶段所需的
能量。

[0093] 模式3、在模式2的基础上，保持内燃机工作，根据混合动力飞机的功率需求，调节内定子1和外定子4的供电情况，当内燃机输出的功率大于复合电机的需求功率时，内燃机
输出多余的能量则通过内定子1和/或外定子4转换为电能输出至储电单元进行存储，此时，
复合电机进行定速驱动，例如飞机巡航阶段。

[0094] 模式4、在模式3的基础上，当混合动力飞机发生大幅度速度变化时，具体的，当进入突然加速阶段时，则保持内燃机与储电单元同时工作，维持永磁环转子3高速转动；当进
入突然减速阶段时，则停止内燃机工作，储电单元进行电能输入调节，降低永磁环转子3转
速，达到减速目的。

[0095] 模式5、在模式2的基础上，当混合动力飞机的动力需求为0时，混合动力飞机进入滑行状态，内燃机停止工作，调磁环转子2连接内燃机处于锁定状态，制动返回的机械能通
过永磁环转子3反转产生的旋转磁场驱动内定子1和外定子4输出电能，实现能量回馈，减少
燃油消耗。

[0096] 通过上述工作模式看出，相比现有技术中分体式电机结构而言，本发明的复合电机可同时实现多种工作模式的切换，不同工作模式下，电机输入和输出的能量实现了高效
利用，复合电机采用了无接触的电磁力作用，转速可自由调节，大幅度降低了机械摩擦，提
高了电机的效率，同时复合电机的结构紧凑，降低了空间占用，使用更加灵活。

[0097] 在一种具体的示范例中，对应复合电机的参数如下表所示：

[0098]符号 参数 取值
m 相数 3
le 轴向长度(mm) 150
no 永磁环转子额定转速(r/min) 1000
ni 调磁环转子额定转速(r/min) 850
Do 电机外径(mm) 300
Di 电机内径(mm) 60
PPM 永磁环转子永磁体极对数 11
Pring 调磁环转子极对数 13
Pow 第二电枢绕组极对数 13
Piw 第一电枢绕组极对数 2
Pos 外定子齿数 24

[0099] 永磁环转子3采用钕铁硼(NdFeB)材质，永磁环转子3中各永磁体均沿永磁环转子3所在圆环采用双极性径向充磁。

[0100] 通过有限元仿真模拟软件对本实施例的复合电机进行了分析，其中磁力线的分布分别如图5所示，图中看出，内定子1和外定子4的电枢绕组分别具有2对极和13对极。

[0101] 图6‑图11分别展示了示范例复合电机中三个气隙内的磁密度，由于本示范例复合电机的复合磁场调制过程，因此在图中分别标注了各个谐波分量的主要来源，具体的分析
公式如下所示：

[0102] he＝k·PPM，k＝1,3,5,…

[0103] hmo,i＝|iPring±PPM|，i＝1,2,3,…

[0104] hmo,m＝|jPring±PPM|，j＝1,2,3,…

[0105] hmo,o＝|nPring±PPM|，n＝1,2,3,…

[0106] 其中，he表示由永磁环转子3在所有气隙中产生的谐波分量总和，hmo,i表示磁场调制在第一气隙5中提供的谐波分量，hmo,m表示磁场调制在第二气隙6中提供的谐波分量，hmo,o表示磁场调制在第三气隙7中提供的谐波分量，其中k、i、j、n分别代表各个谐波分量的谐波次数，谐波分量分布情况反映了该电机的复合特性。在第一气隙5和第二气隙6中，磁密度谐
波主要受到内磁齿轮电机磁场调制的影响，而外部气隙磁密度的谐波分量由外部电机的极
对组合影响，以上所述内磁齿轮电机是指由内定子1、调磁环转子2和永磁环转子3组成的电
机，而外部电机则是指由永磁环转子3和外定子4组成的电机。

[0107] 此外，第一气隙5中的磁密度在磁场调制作用下的谐波分量高于永磁环转子3激励作用下的谐波分量，这是因为永磁环转子3的磁场要通过两层气隙才能实现与第一电枢绕
组的耦合。

[0108] 基于上述复合电机的磁密度分析，电机电磁性能如图12至图19所示，内外磁场和电动势都具有高度的三相对称性和正弦特性。相电动势的THD限制在5％以内，很好地满足
了可接受的范围要求。

[0109] 本示范例的复合电机基于复合磁场调制效应，外稳态转矩平均可达到748Nm，理想3
转矩密度可达到70kNm/m，是一种具有广阔应用前景的多端口驱动电机。

[0110] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。