CN102647060A - 磁齿轮式复合型轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁齿轮式复合型轮毂电机，包括电机心轴、内定子、高速内转子、调磁环和低速外转子。内定子、内转子、调磁环和外转子依次围绕电机心轴同轴布置且沿电机心轴的径向依次嵌套；内定子固定于电机心轴；内转子在内转子支撑组件支撑下可绕电机心轴转动，内转子支撑组件沿电机心轴的轴向设置于内转子的两侧；调磁环通过调磁环固定幅固定于电机心轴，调磁环固定幅沿电机心轴的轴向设置于调磁环的两侧；外转子在外转子支撑组件支撑下可绕电机心轴转动，外转子支撑组件沿电机心轴的轴向设置于外转子的两侧。本发明具备高结构强度和刚度，旋转精度和输出转矩大，结构紧凑、效率高、振动小，适用于直驱轮毂电机。

Description

磁齿轮式复合型轮毂电机

技术领域

本发明涉及一种轮毂电机，特别是涉及一种磁齿轮式复合型轮毂电机。

背景技术

磁齿轮式复合型轮毂电机是将普通电机和同心式磁力齿轮采用套筒式结合在一起的轮毂电机。目前公开的磁齿轮式复合型轮毂电机是由香港大学的Linni Jian、K.T.Chau、J.Z.Jiang于2008年9月3日到5日的IEEE VPPC会议上提出的文章《An integrated magnetic-geared permanent-magnet in-wheelmotor drive for electric vehicles《中所提出的轮毂电机，其结构简图如图1所示，包括电机心轴10、定子电枢20、高速内转子30、调磁环40及低速外转子50组成。高速内转子30由内转子支撑件60悬臂支撑，外形如杯型。调磁环40由调磁环支撑件70悬臂支撑，外形如杯型。由于此结构中的高速内转子30和调磁环40都是采用悬臂支撑，刚度、强度和旋转精度较低，噪声和振动较大，不适合应用于低速大扭矩直接驱动的电动车中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁齿轮式复合型轮毂电机，使其具备高结构强度和刚度，旋转精度和输出转矩大，且结构紧凑、效率高、振动小，以适用于低速大扭矩直接驱动的电动车。

本发明所提供的磁齿轮式复合型轮毂电机包括电机心轴、内定子、高速内转子、调磁环和低速外转子，其中所述内定子、所述高速内转子、所述调磁环和所述低速外转子依次围绕所述电机心轴同轴布置，且沿所述电机心轴的径向依次嵌套；所述内定子固定于所述电机心轴；所述高速内转子在内转子支撑组件支撑下可绕所述电机心轴转动，所述内转子支撑组件沿所述电机心轴的轴向设置于所述高速内转子的两侧；所述调磁环通过调磁环固定幅固定于所述电机心轴，所述调磁环固定幅沿所述电机心轴的轴向设置于所述调磁环的两侧；所述低速外转子在外转子支撑组件支撑下可绕所述电机心轴转动，所述外转子支撑组件沿所述电机心轴的轴向设置于所述低速外转子的两侧。

本发明将普通电机与调制磁力齿轮嵌套在一起，充分利用了磁力齿轮的优点，使其具备过载保护，替代了机械齿轮传动，大大降低了噪声和震动。高速内转子、调磁环和低速外转子皆采用两侧支撑，消除了附加弯矩，提高了刚度，提高了旋转精度，减轻了振动，减小了轴向尺寸。

进一步地，所述内转子包括内转子铁心、高速永磁阵列及电机永磁阵列，所述高速永磁阵列设置于所述内转子铁心的外周缘，而所述电机永磁阵列设置于所述内转子铁心的内周缘。

进一步地，所述低速外转子包括环形外壳及永磁体，所述永磁体嵌于所述环形外壳的内周缘，所述外转子支撑组件包括设置于环形外壳两侧的端盖及第一轴承，所述端盖的外缘通过螺钉固定于所述环形外壳，内缘与所述第一轴承的外圈相配合，所述第一轴承的内圈与所述电机心轴相配合，从而对称支撑所述低速外转子。

低速外转子由径向轴承对称支撑，消除了附加弯矩，提高了刚度，提高了旋转精度，减轻了振动，减小了轴向尺寸。

进一步地，所述高速内转子的永磁体极对数为P1对，所述低速外转子的永磁极对数为P2，所述调磁环的齿极数为N，且P1、P2及N满足：P1＜P2，N＝P1+P2。

两个转子和调磁环组成调制同心式磁力齿轮。调磁环的齿槽间隔分布引起气隙磁导沿圆周产生周期性变化，从而对调磁环两边的永磁气隙磁场起到调制作用，N＝P1+P2使两个转子空间气隙磁场调制基波相同，通过内外转子永磁磁场的耦合效应实现转矩和转速的传递。

进一步地，所述内转子支撑组件包括滚珠及轴圈，所述轴圈沿所述电机心轴的轴向设置于所述内转子铁心的两侧并固定于所述电机心轴，所述内转子铁心面朝所述轴圈的侧表面具有V型槽，所述轴圈面朝所述内转子铁心的侧表面也具有V型槽，所述滚珠设置于所述轴圈的V型槽和所述内转子铁心的V型槽所形成的空间中，所述滚珠、所述轴圈及所述内转子铁心形成推力滚动轴承，以支撑所述高速内转子绕所述电机心轴转动。

采用推力轴承支撑结构提高了刚度和强度，也减小了轴向尺寸。

进一步地，所述轴圈与所述调磁环固定幅为同一部件，所述轴圈的内缘固定于所述电机心轴，所述轴圈的外缘固定于所述调磁环。

高速内转子与调磁环共用轴圈，不仅提高了刚度和强度，也减小了轴向尺寸。

进一步地，所述内转子支撑组件包括第二轴承及支撑挡板，所述支撑挡板沿所述电机心轴的轴向设置所述内转子铁心的两侧，所述支撑挡板的外缘通过螺钉固定于所述内转子铁心，内缘与所述第二轴承的外圈相配合，所述第二轴承的内圈与所述电机心轴相配合。

进一步地，所述调磁环固定幅通过键固定于所述电机心轴，并通过螺栓固定于所述调磁环。所述第二轴承为向心角接触滚动轴承。

采用径向轴承支撑的结构提高了刚度和强度，也减小了轴向尺寸。

进一步地，所述调磁环包括均匀分布的铁心及均匀分布的非导磁材料填充物，所述铁心由硅钢片叠加而成，所述硅钢片之间的中间空隙由所述非导磁材料填充物填充，提高了调磁环的强度。所述内定子包括环状电机铁心及嵌入在所述电机铁心中的电机绕组。

附图说明

图1为现有技术中的磁齿轮式复合型轮毂电机的结构示意图。

图2为本发明的第一较佳实施例的磁齿轮式复合型轮毂电机的结构示意图。

图3为图2中的A-A剖面示意图。

图4为本发明的第二较佳实施例的磁齿轮式复合型轮毂电机的结构示意图。

具体实施方式

如图2及图3所示，本发明的第一较佳实施例中的磁齿轮式复合型轮毂电机包括电机心轴1、内定子2、高速内转子3、调磁环4、低速外转子5、内转子支撑组件6及外转子支撑组件7。内定子2、高速内转子3、调磁环4及低速外转子5围绕电机心轴1同轴布置，且沿电机心轴1的径向依次嵌套。

内定子2和高速内转子3构成普通电机，而同时，高速内转子3、调磁环4和低速外转子5又构成了同心式磁力齿轮，因此，高速内转子3既为普通电机的转子，也为磁力齿轮的转子，本实施例中的磁齿轮式复合型轮毂电机具有普通电机和磁力齿轮同轴机械式叠加的结构形式。

下面将对各组成部件作详细介绍。

内定子2包括环状电机铁心及嵌入在电机铁心中的电机绕组，内定子固定幅将电机铁心以过盈连接的方式固定至电机心轴1。电机铁心为开槽电枢铁心，由带有开槽的硅钢片叠加而成，多相电机绕组内嵌在开槽中。多相电枢绕组以对称电流在内层气隙中产生旋转磁场，从而与高速内转子3作用产生驱动转矩。

高速内转子3包括电机永磁阵列31、内转子铁心32及高速永磁阵列33。内转子铁心32的纵截面为工字型，高速永磁阵列33镶嵌于内转子铁心32的外周缘，电机永磁阵列31镶嵌于内转子铁心32的内周缘。

内转子支撑组件6包括滚珠61及轴圈62，用于支撑高速内转子3。具体地，轴圈62沿着电机心轴1的轴向，设置于内转子铁心32的两侧，内转子铁心32朝向轴圈62的左右两边开有V型槽，且轴圈62面朝内转子铁心32的一面也具有V型槽。两侧滚珠61分别设置于内转子铁心32的V型槽和轴圈62的V型槽所形成的空间内。

在结构上，内转子铁心32、滚珠61及轴圈62形成了推力滚动轴承，内转子铁心32相当于推力滚动轴承的座圈，使得高速内转子3可绕电机心轴1高速运转，且消除了高速内转子3的附加弯矩，提高了高速内转子3的刚度和旋转精度，减轻了振动，也减小了轴向尺寸。

调磁环4由N个均匀分布的铁心41及其N个均匀分布的非导磁材料填充物42组成。其中铁心41由硅钢片叠加而成，中间空隙由非导磁材料填充物42填充，从而提高调磁环的强度，非导磁材料填充物42可以为铝或者塑料。

在本实施例中，调磁环4与高速内转子3共用轴圈62，轴圈62同时用作调磁环固定幅，左侧的轴圈62通过键与电机心轴1固定，右侧的轴圈62通过螺钉与电机心轴1固定。左右两侧的轴圈62通过螺栓将调磁环4的两边支撑起来。在结构上，调磁环4形成圆柱定子，将高速内转子3嵌套于内，因此提高了调磁环4的刚度和强度。

低速外转子5由环形外壳51及永磁体52组成，永磁体52嵌于环形外壳51的内周缘，且环形外壳51与汽车轮毂相连。外转子支撑组件7包括两边端盖71及两侧的第一轴承72，用于支撑低速外转子5。两边端盖71的外缘通过螺钉与环形外壳51连接起来，内缘与第一轴承72的外圈相配合，第一轴承72的内圈与电机心轴1配合，从而对称支撑低速外转子5。结构上，低速外转子5将调磁环4嵌套于内。对称布置的支撑结构提高了低速外转子5的刚度和强度，提高了旋转精度，降低了振动和噪声。

较佳地，高速内转子3的永磁体极对数为P1对，低速外转子5的永磁极对数为P2，且P1＜P2。高速内转子3、低速外转子5和两者之间的调磁环4组成调制同心式磁力齿轮。调磁环4的齿槽间隔分布引起气隙磁导沿圆周产生周期性变化，从而对调磁环4两边的永磁气隙磁场起到调制作用。

高速内转子3的极对数P1、低速外转子5的极对数P2、以及中间调磁环齿极数N满足一定关系：N＝P1+P2，从而使两个转子空间气隙磁场调制基波相同，通过内外转子永磁磁场的耦合效应实现转矩和转速的传递。调制同心式磁力齿轮的传动比为G＝P2/P1。当轮毂电机运行时，内定子2通入电流，带动高速内转子3高速旋转，再通过磁力齿轮的减速作用，输出低速大转矩，实现低速大转矩直驱轮毂。

图4所示为本发明的第二较佳实施例的磁齿轮式复合型轮毂电机，其包括电机心轴1、内定子2、高速内转子3、调磁环4、低速外转子5、内转子支撑组件6’、外转子支撑组件7及调磁环固定幅8。内定子2、高速内转子3、调磁环4及低速外转子5沿着电机心轴1的径向同轴布置，且依次嵌套。

内定子2和高速内转子3构成普通电机，而同时，高速内转子3、调磁环4和低速外转子5又构成了同心式磁力齿轮，因此，本实施例中的磁齿轮式复合型轮毂电机也具有普通电机和磁力齿轮同轴机械式叠加的结构形式。

本实施例与第一较佳实施例相似，内定子2固定至电机心轴1，高速内转子3包括电机永磁阵列31、内转子铁心32及高速永磁阵列33。调磁环4由N个均匀分布的铁心41及其N个均匀分布的非导磁材料填充物42组成(参考图3)。低速外转子5由环形外壳51及永磁体52组成，外转子支撑组件7包括两边端盖71及两侧的第一轴承72，用于对称支撑低速外转子5。

与第一较佳实施例不同的是，内转子支撑组件6’包括第二轴承61’及支撑挡板62’，用于支撑高速内转子3。左右支撑挡板62’的外缘通过螺钉与内转子铁心32连为一体，内缘与第二轴承61’的外圈相配合，第二轴承61’的内圈与电机心轴1配合。在本实施例中，第二轴承61’为向心角接触滚动轴承。位于调磁环4两侧的调磁环固定幅8通过键固定于电机心轴1，并通过螺栓固定于调磁环4，从而在调磁环4的两侧支撑调磁环4。

本发明的磁齿轮复合轮毂电机具有多项优点。第一，在结构上，将普通电机与调制磁力齿轮嵌套在一起，充分利用了磁力齿轮的优点，使其具备过载保护，替代了机械齿轮传动，大大降低了噪声和震动。第二，高速内转子的两边由推力轴承或向心轴承对称支撑，消除了附加弯矩，提高了刚度，提高了旋转精度，减轻了振动。第三，调磁环由轴向固定副两边支撑，消除了附加弯矩，提高了刚度和旋转精度，减轻了振动，减小了轴向尺寸。第四，低速外转子由径向轴承对称支撑，消除了附加弯矩，提高了刚度和旋转精度，减轻了振动，减小了轴向尺寸。第五，大大减小了维护工作量，功率密度和转矩密度很高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，包括电机心轴、内定子、高速内转子、调磁环和低速外转子，其中所述内定子、所述高速内转子、所述调磁环和所述低速外转子依次围绕所述电机心轴同轴布置，且沿所述电机心轴的径向依次嵌套；所述内定子固定于所述电机心轴；所述高速内转子在内转子支撑组件支撑下可绕所述电机心轴转动，所述内转子支撑组件沿所述电机心轴的轴向设置于所述高速内转子的两侧；所述调磁环通过调磁环固定幅固定于所述电机心轴，所述调磁环固定幅沿所述电机心轴的轴向设置于所述调磁环的两侧；所述低速外转子在外转子支撑组件支撑下可绕所述电机心轴转动，所述外转子支撑组件沿所述电机心轴的轴向设置于所述低速外转子的两侧。

2.根据权利要求1所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述高速内转子包括内转子铁心、高速永磁阵列及电机永磁阵列，所述高速永磁阵列设置于所述内转子铁心的外周缘，而所述电机永磁阵列设置于所述内转子铁心的内周缘。

3.根据权利要求2所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述低速外转子包括环形外壳及永磁体，所述永磁体嵌于所述环形外壳的内周缘，所述外转子支撑组件包括设置于所述环形外壳两侧的所述端盖及第一轴承，所述端盖的外缘通过螺钉固定于所述环形外壳，内缘与所述第一轴承的外圈相配合，所述第一轴承的内圈与所述电机心轴相配合，从而对称支撑所述低速外转子。

4.根据权利要求3所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述高速内转子的永磁体极对数为P1对，所述低速外转子的永磁极对数为P2，所述调磁环的齿极数为N，且P1、P2及N满足：P1＜P2，N＝P1+P2。

5.根据权利要求2所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述内转子支撑组件包括滚珠及轴圈，所述轴圈沿所述电机心轴的轴向设置于所述内转子铁心的两侧并固定于所述电机心轴，所述内转子铁心面朝所述轴圈的侧表面具有V型槽，所述轴圈面朝所述内转子铁心的侧表面也具有V型槽，所述滚珠设置于所述轴圈的V型槽和所述内转子铁心的V型槽所形成的空间中，所述滚珠、所述轴圈及所述内转子铁心形成推力滚动轴承，以支撑所述高速内转子绕所述电机心轴转动。

6.根据权利要求5所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述轴圈与所述调磁环固定幅为同一部件，所述轴圈的内缘固定于所述电机心轴，所述轴圈的外缘固定于所述调磁环。

7.根据权利要求2所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述内转子支撑组件包括第二轴承及支撑挡板，所述支撑挡板沿所述电机心轴的轴向设置所述内转子铁心的两侧，所述支撑挡板的外缘通过螺钉固定于所述内转子铁心，内缘与所述第二轴承的外圈相配合，所述第二轴承的内圈与所述电机心轴相配合。

8.根据权利要求7所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述调磁环固定幅通过键固定于所述电机心轴，并通过螺栓固定于所述调磁环。

9.根据权利要求7所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述第二轴承为向心角接触滚动轴承。

10.根据权利要求2所述的磁齿轮式复合型轮毂电机，其特征在于，其中所述调磁环包括均匀分布的铁心及均匀分布的非导磁材料填充物，所述铁心由硅钢片叠加而成，所述硅钢片之间的中间空隙由所述非导磁材料填充物填充，所述内定子包括环状电机铁心及嵌入在所述电机铁心中的电机绕组。

Images