CN101789667A - 电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机，其包括外转子(1)、与外转子(1)相连的支撑轴(7)、设置在外转子(1)内壁的外转子轭部(2)、沿圆周方向均匀嵌放在外转子轭部(2)上的永磁体(3)、与永磁体(3)相连且固定在支撑轴(7)上的调磁环(4)、设置在调磁环(4)和支撑轴(7)之间且固定在支撑轴(7)上的定子(5)、缠绕在定子(5)上的绕组(6)、设置在支撑轴(7)上的轴承(8)和转轴(12)，其中，转轴(12)通过轴承(8)与支撑轴(7)转动连接，支撑轴(7)同时通过轴承(8)与外转子(1)连接，转轴(12)的中心轴线和外转子(1)的中心轴线重合。解决了现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车新型外转子复合永磁无刷轮毂电机装置，属于新型特种电机技术。
背景技术
随着能源短缺危机和环境污染问题的不断突出，电动汽车以其高效率低排放的显著优点逐渐成为各著名汽车制造厂商和研究机构的研究热点，高效、高功率密度是其发展趋势。电机驱动系统作为其核心部件，而轮毂电机驱动系统是电动车辆的先进驱动方式，具有以下显著优点：
(1)动力控制由硬连接改为软连接，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁，有效可利用空间大，传动效率提高。
(2)各电动轮的驱动可直接独立控制，使其动力学控制更为灵活、方便，能合理地控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能。
(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。这是内燃机汽车不具备的优点。
(4)底架结构大为简化可使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。
(5)在采用电动轮驱动系统的电动汽车上，若进一步导入线控轮转向技术，则还可实现车辆转向行驶高性能化，并有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加转向灵便性。
上述这些优点使轮毂电机驱动系统成为汽车领域的研究热点。电机作为其重要组成部分，先进的电机性能将会推动电动汽车的快速发展。目前基于内转子型电动机的电动轮系统采用高转速范围低转矩特性的电动机，为了满足车轮实际转速的要求，通常需匹配一个相应的行星齿轮减速机构，整个传动系统的体积和重量大大增加，投资成本相应增加。除此之外，噪声大、效率低、传输精度低、响应慢也是其不足之处，齿轮箱的磨损会减少系统的寿命和可靠性。基于外转子型电动机的电动轮则采用低转速范围高转矩特性的电动机，由于转速范围符合车轮实际转速要求，通常无须匹配减速机构，由电动机外转子直接驱动车轮。同时由于磁齿轮噪声低、免维修、可靠性高、转矩传输能力大、过载自动保护等优点，越来越被受到关注，因此，有必要提出一种应用于电动汽车的利用磁齿轮进行低速大转矩驱动的新型轮毂电机。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种电动汽车新型外转子复合永磁无刷轮毂电机装置，解决了现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种电动汽车新型外转子复合永磁无刷轮毂电机，包括外转子、与外转子相连的支撑轴、设置在外转子内壁的外转子轭部、沿圆周方向均匀嵌放在外转子轭部上的永磁体、与永磁体相连且固定在支撑轴上的调磁环、设置在调磁环和支撑轴之间且固定在支撑轴上的定子、缠绕在定子上的绕组、设置在支撑轴上的轴承和转轴，其中，转轴通过轴承与支撑轴转动连接，支撑轴同时通过轴承与外转子连接，转轴的中心轴线和外转子的中心轴线重合。
优选的，外转子与调磁环之间有气隙、调磁环与定子之间有气隙。
优选的，外转子采用永磁体与铁心交错的形式，所有永磁体极性相同，永磁体材料为钕铁硼。
优选的，调磁环包括调磁块和非调磁块，调磁环采用调磁块和非调磁块沿圆周方向均匀分布的结构，调磁块材料为硅钢片，非调磁块材料为非导磁的铝
优选的，调磁环中调磁块个数等于永磁体个数与定子磁场极对数之和。
有益效果：
(1)省去了机械变速齿轮箱，但一样可以获得较大的机械转矩，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了装置可靠性。同时减小电机的体积，重量和制造成本；
(2)省去了磁齿轮的内转子，制造工艺大大简化，减少永磁体用量，避免了由内转子带来的机械振动以及噪声。应用于电动汽车，减少了非簧载质量，提高的驾乘的稳定性以及舒适性；
(3)外转子采用高磁能积钕铁硼励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高、效率高以及可靠性高等优点；
(4)外转子永磁体内嵌在外转子铁心中不会发生受力脱落现象，提高了机械可靠性，减少了永磁用量，降低了生产成本；
(5)外转子永磁体之间通过铁心隔离，阻断了永磁体中涡流电流的横向电流，从而降低了外转子永磁体中的涡流损耗。
(6)能在低速下提供较大的转矩，满足电动汽车在低速或者爬坡时对大扭矩的要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中有：外转子1、外转子轭部2、永磁体3、调磁环4、定子5、绕组6、支撑轴7、轴承8。
图2为本发明电机整体截面图；
其中有：永磁体3、调磁块9、非调磁块10、定子槽11、转轴12；外转子1与调磁环4，调磁环4与定子5之间有气隙；
图3为本发明外转子截面图；
其中有：永磁体3、外转子轭部2；永磁体沿圆周方向均匀嵌在转子轭部，所有永磁体极性相同。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的目的是提供一种电动汽车新型外转子复合永磁无刷轮毂电机装置，解决了现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，同时在传统磁齿轮结构的基础上省去一个磁齿轮的内转子，简化了装置制造工艺，减小了发电机的体积、重量和制造成本，提高了效率、同时还去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。作为轮毂电机应用于电动汽车时内转子的省去也减少了汽车的非簧载质量，提高了驾乘的稳定性以及舒适性。该装置将解决应用于电动汽车的直接驱动型轮毂电机在低速下转矩不足的问题。
参见图1，本发明提供的电动汽车新型外转子复合永磁无刷轮毂电机装置包括磁齿轮外转子1、调磁环4、内定子5、支撑轴7、轴承8；磁齿轮外转子作为复合电机的外转子与机壳合为一体，外转子转轴12通过轴承8与支撑轴7转动连接，转轴的中心轴线和机壳的中心轴线相重合，永磁体3沿圆周方向均匀嵌放在转子轭2上。定子5采用传统外转子无刷直流电机定子结构，调磁环4采用杯形结构，固定在支撑轴7上，置于外转子1和内定子5之间。支撑轴8用来固定电机定子5和调磁环4，同时与外转子1通过轴承8连接。
如图2所示为该电机结构：低速外转子1与静止调磁环4之间有气隙、静止调磁环4与内定子5之间有气隙。
本发明的基本原理为调磁环的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，既可以运行在电动状态，也可以运行在能量回馈状态。
当该装置运行在电动状态时，内定子线圈中通以一定频率的交流电，在靠近内定子一侧的气隙中产生一个以角速度ω1旋转的磁场，经过调磁环调制作用，在靠近外转子一侧的气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为-ω2，该磁场与外转子处的永磁体相互作用，带动外转子旋转，通过改变通过绕组的电压大小以及频率从而实现不同的角速度ω1，进而得到不同的外转子旋转速度-ω2，实现调速驱动。ω1∶ω2为速度变比，等于外转子永磁体数nr与内定子磁场极对数np之比。所以，该装置可作为外转子直接驱动型的轮毂电机应用到电动汽车中，能满足在低速时对较大转矩的要求，同时可以实现电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。
当该装置运行在发电状态时，永磁低速外转子以角速度-ω2旋转，经过调磁环调制作用，在靠近内定子一侧的气隙中产生一个调制波磁场，其旋转角速度为ω1，该磁场与电机定子产生相对运动切割发出电能。ω1∶ω2为速度变比，等于外转子永磁体数nr与内定子的磁场极对数np之比。通常情况下，外转子永磁体数nr是远大于定子磁场极对数np的，所以这可实现电机在低速条件下发电运行，故本装置也可运用在风力发电的场合。
本发明提供的电动汽车新型外转子复合永磁无刷轮毂电机装置，在直接驱动的轮毂电机中，要求低速下具有较大的输出转矩，该装置解决了传统电机低速运行体积大的缺点，能输出较大的稳定转矩。同时该装置在以往磁齿轮结构的基础上省去一个内转子，简化了加工工艺，节省了永磁材料，同时还去除了由内转子带来的较大的振动以及噪声。该装置包括一个外转子1，一个调磁环4和一个内定子5。将一台外转子高速无刷直流电机和一台磁齿轮整合在一起构成复合电机，同时省去磁齿轮的一个齿轮，磁齿轮的外轮作为复合电机的外转子，永磁体3沿圆周方向均匀嵌放在转子轭2上，内定子采用传统的外转子永磁无刷直流电机定子结构，调磁环置于外转子1和内定子5之间，起变极作用，调磁铁块数ns等于转子永磁体数nr与定子磁场极对数np之和，永磁体数与定子极对数之比即为该复合电机可实现的速度变比。该装置通过改变电机的转子极数和调磁块数，可应用于不同的需要低速直驱的场合，省去了机械齿轮箱和磁齿轮的一个内转子，减小了电机的体积，提高了系统的效率，此设计为应用于电动汽车直接驱动形式的轮毂电机。
Claims (5)
1.一种电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机，其特征在于：其包括外转子(1)、与外转子(1)相连的支撑轴(7)、设置在外转子(1)内壁的外转子轭部(2)、沿圆周方向均匀嵌放在外转子轭部(2)上的永磁体(3)、与永磁体(3)相连且固定在支撑轴(7)上的调磁环(4)、设置在调磁环(4)和支撑轴(7)之间且固定在支撑轴(7)上的定子(5)、缠绕在定子(5)上的绕组(6)、设置在支撑轴(7)上的轴承(8)和转轴(12)，其中，转轴(12)通过轴承(8)与支撑轴(7)转动连接，支撑轴(7)同时通过轴承(8)与外转子(1)连接，转轴(12)的中心轴线和外转子(1)的中心轴线重合。
2.根据权利要求1所述的电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机，其特征在于：外转子(1)与调磁环(4)之间有气隙，调磁环(4)与定子(5)之间有气隙。
3.根据权利要求1所述的电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机，其特征在于：外转子(1)采用永磁体(3)与铁心交错的形式，所有永磁体(3)极性相同，永磁体(3)材料为钕铁硼。
4.根据权利要求1所述的电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机，其特征在于：调磁环(4)包括调磁块(9)和非调磁块(10)，调磁环(4)采用调磁块(9)和非调磁块(10)沿圆周方向均匀分布的结构，调磁块(9)材料为硅钢片，非调磁块(10)材料为非导磁的铝。
5.根据权利要求4所述的电动汽车外转子复合永磁无刷轮毂电机，其特征在于：调磁环(4)中调磁块(9)个数等于永磁体(3)个数与定子(5)磁场极对数之和。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100728 |