环球热门:打破日本垄断 超越THS的自带混动调磁电机
2023-02-17 10:57:21
日本丰田THS混动系统，号称业内最强，别的厂家至今不能在技术上超越它。其技术垄断的核心是利用一个行星排作为自动分流的混动器。如下图：
图1
(资料图片仅供参考)
图中1为太阳轮，2为行星架，3为内齿圈，4为电机二，5为内燃机，6为驱动轴，7为电控与电池，8电机一连接太阳轮。内齿圈与驱动轴连接，电机二的转子与驱动轴连接，发动机穿过电机一、太阳轮与行星架连接。
其行星排运动方程为：3.6*内燃机转速=1*电机一转速+2.6*电机二转速。行星排特性参数为2.6，电机一与电机二转速之比为2.6。可见混动器的原理是，利用那些遵循三元一次运动方程的机构来自动分流多个动力。
THS是自动分流混动，参与混动的内燃机、电机一、电机二都以无级变速的模式自动分配动力，无需离合器、变速器切换，各动力源流畅地工作在自己最佳的转速范围，效率最高。
THS优点突出，但有两个缺点：一，电机一、行星排和电机二同轴排列，系统纵向尺寸过大。二，电机一转速与电机二转速之比为2.6，偏大，电机一的最高转速限制了混动系统纯电模式的最大车速。
由于丰田专利垄断，其他厂家只能避开这个技术方案。近期比亚迪dmi混动的营销火爆，但技术没有超越。比亚迪方案比较粗暴，直接上离合器切换燃油、纯电等各模式，效率不高，成本也不高。短时间内，THS混动营销失败。
这是丰田的战略失误，以燃油动力为主、电力为辅的混动战略，败给了比亚迪dmi所代表的电力为主的混动战略，连带THS 也失败。但自动分流混动没失败，基于其路径技术优势，所有厂家都在继续关注自动分流混动的发展。
近期，比亚迪申请了DM5.0专利，采用两个行星排并联作为混动器，不依靠离合器就实现自动分流混动，同时也优化了电机一与电机二的转速之比。这表明比亚迪也不愿放弃自动分流混动技术路径。两个行星排结构更复杂，成本高，机械耗损更多，此专利不见得是好方案。
要超越THS，不一定非要死磕行星排机构，其他机构也遵循三元一次运动方程。更好的自动分流混动，需更先进的发明来支撑，新发明就是自带混动调磁电机！抛弃行星排机械混动，利用调磁电机本身作为混动器，实现自动分流混动。见下图：
图2
调磁电机有三个部件：定子、调磁环和转子。图中1为定子，2为调磁环，3为转子，4为电机二，5为内燃机，6为驱动轴，7为电控与电池。转子与驱动轴连接，电机二的转子与驱动轴连接，内燃机穿过定子与调磁环连接。
其运动方程为：4*内燃机转速=1*定子电磁场转速+3*电机二转速。定子电磁场相当于电机一，定子电磁场转速与电机二转速之比为3。相比THS，调磁电机取代了行星排作为混动器，无机械损耗实现自动分流混动。且节省了电机一，纵向尺寸缩小。
在THS的第二代、第三代中，丰田为了增加纯电模式的占比，通过设置行星排或旁轴齿轮传动，缩小了电机一和电机二的转速之比。调磁电机同样可以缩小转速之比，不必增设行星排或旁轴齿轮，只要调整调磁电机参数即可。
调整设置调磁电机参数，运动方程变为：2*内燃机转速=1*定子电磁场转速+1*电机二转速。定子电磁场与电机二转速之比为1。该比值也可设置为1.333，例如：7*内燃机转速=3*定子电磁场转速+4*电机二转速。不同参数设置，可以匹配不同动力源组合的混动方案。
备注：老行星排特性参数可以设置为1，其结构类似于汽车差速器，但纵向尺寸过大。设置为1.333，对于老行星排来说很难，很不经济。
因为运动方程类似，三个部件的转速关系完全一一对应类似。新混动系统各种混动模式与丰田THS的各种混动模式完全类似：
全电驱动。内燃机关机，调磁环转速为零，电机二的转子带动驱动轴正转，定子电磁场通电反转也带动转子和驱动轴正转。巡航模式。内燃机功率大于行驶所需功率。内燃机和调磁环正转，带动转子和驱动轴正转，且带动定子电磁场正转发电。电机二停电。加速模式。内燃机功率小于行驶所需功率。内燃机和调磁环正转，带动转子和驱动轴正转，定子电磁场通电反转也带动转子和驱动轴正转，电机二的转子也带动驱动轴正转。回收电力。内燃机关机，驱动轴带动电机二被动正转发电，转子正转带动定子电磁场被动反转也发电。上述调磁电机，需要具体新发明结构来实现所述运动方程，来实现其功能性能。新发明结构源于同心磁齿轮，2001年，同心磁齿轮由Atallah和Howe发明。
同心磁齿轮就是三个环，内环、外环设置有磁极对，中环有调磁块是调磁环。三个环电磁互感、转速相互牵制，遵循运动方程：a*调磁环转速=b*内环转速+c*外环转速，例如a=4，b=1，c=3。如图：
图3
图中1为内环，有一对磁极对，2为调磁环，有四块调磁块，3为外环，有三对磁极对。同心磁齿轮一般只用于传动。
保留中环调磁环结构，保留外环磁极对结构。内环改为三相交流定子，内环磁极对改为电磁场极对，用电磁场转动代替内环转动，就发明了自带混动调磁电机：4*调磁环转速=1*定子电磁场转速+3*转子转速。如下图：
图4
图4中1为定子，2为调磁环，3为外环。这也是图2中左侧电机结构剖面。
与同心磁齿轮类似，调磁电机也遵循三元一次运动方程。定子电磁场经调磁变为调制磁场与转子同步，转子磁场经过调磁变为调制磁场与定子电磁场同步。调磁电机在定子中引入了电动力，功能性能大为扩展。
相比传统电机，调磁电机增设了调磁环，定子、转子结构也相应优化，除此没有其他技术障碍。传统电机只有定子和转子两个部件，不能形成三部件相互牵制的运动方程。相比之下，具备定子、调磁环和转子的调磁电机是电机领域重大创新，其功能性能远超传统电机。
自带混动调磁电机，打破了日本丰田THS对自动分流混动技术的垄断，并实现超越，这是最先进的自动分流混动技术。
