CN104506005B - 一种电动汽车轮毂式永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种电动汽车轮毂式永磁电机，包括外壳(1)、N极爪极(2)、S极爪极(3)、电枢绕组、永磁体(7)、轴(8)、隔磁套(9)和转子铁心(10)。N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起，中间为轴向充磁的永磁体。N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中式的电枢线圈，电枢线圈按相位不同分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)。本发明的永磁电机电枢反应磁场大部分经转子铁心和爪极闭合，因此电枢电流对永磁体的去磁影响小；爪极可以被简单的加工成多种形式，例如梯型结构的爪极可以提供近似正弦波绕组反电势，而且谐波含量低；具备外转子结构，十分适合安装轮毂内，构成轮毂式驱动电机。

Description

一种电动汽车轮毂式永磁电机
技术领域
本发明涉及一种电动汽车轮毂式永磁电机，属于电机与电器技术领域。
背景技术
轮毂电机将动力、传动装置都整合到车轮内，减小了变速器、传动机构的功率损耗，减轻了电动汽车的重量，同时使电动汽车的设计更容易实现模块化和个性化，因此在电动汽车领域有着广阔的应用前景。
永磁电机不需要励磁电流就能产生磁场，因此能量转化效率高。传统的永磁电机的永磁体位于转子上。例如授权的专利：基于Halbach阵列的电动汽车轮毂永磁电机，授权号：ZL201220025847.1，公开了一种磁钢为Halbach阵列的电动汽车轮毂电机。这些类型的表贴式永磁电机结构简单、应用较为广泛。但是，表贴式磁钢贴于外壳的内表面，因此其磁场的分布可近似为方波，而且表贴式磁钢的粘结剂还存在一定的寿命期限，粘结剂和磁钢容易受到高温和电枢电流的冲击从而引发故障。为了降低温度对永磁材料退磁的影响，申请号为201210096702.5的发明专利：电动汽车用油内冷式高功率密度轮毂永磁电机，提出了一种利用机油循环冷却的轮毂式永磁电机。如果将永磁体置于电机上的定子上，便可以方便地对永磁体进行直接冷却，从而控制其温升。
另外，研究发现永磁材料的制造受到诸多工艺的限制，不可能制造出来的永磁体都具有相同的磁性性能，因此传统多块永磁体分散励磁的电机各磁极的性能会有一定的差别。如果提出一种集中励磁的电机结构，则可以消除永磁性能不一致带来的问题，从而使电机各相绕组更加对称。
本发明公开的技术，提出了一种利用一块固定于定子上的磁钢实现电机励磁的结构方案，其电枢绕组和永磁体都位于内置的定子上，电机的转子随汽车轮毂旋转可以驱动汽车。
目前申请者未检索到利用一个永磁体在电机定子上励磁的技术方案。
发明内容
为了解决永磁体高温退磁和电枢反应退磁的问题、以及不均一的永磁材料分散励磁带来的各相不对称问题，本发明提出了一种新型的电动汽车轮毂式永磁电机。
本发明采用如下技术方案：
一种电动汽车轮毂式永磁电机，其特征在于：
包括外壳(1)、N极爪极(2)、S极爪极(3)、A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)、C相电枢绕组(6)、永磁体(7)、轴(8)、隔磁套(9)和转子铁心(10)；
所述电机的外壳(1)内部固定有转子铁心(10)，转子铁心(10)极数为4n或8n，n为自然数，表示单元电机个数；在轴承的作用下，外壳(1)和转子铁心(10)可绕轴(8)旋转；
所述轴(8)上固定有隔磁套(9)，隔磁套(9)的圆周外侧固定有极数皆为3n的N极爪极(2)和S极爪极(3)，N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起；N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧有一层气隙，气隙外侧为转子铁心(10)；
N极爪极(2)和S极爪极(3)的中间为环形的永磁体(7)，永磁体为轴向充磁，使N极与S极间隔排列；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，该电枢线圈所在的平面与爪极内圆相切；相位不同电枢线圈分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈矩形；当转子铁心(10)极数为4n时，转子极的极弧系数为0.5，且爪极的极弧系数也为0.5；当转子铁心(10)极数为8n时，转子极的极弧系数为0.5，且爪极的极弧系数为0.4。
一种电动汽车轮毂式永磁电机，其特征在于：
包括外壳(1)、N极爪极(2)、S极爪极(3)、A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)、C相电枢绕组(6)、永磁体(7)、轴(8)、隔磁套(9)和转子铁心(10)；
所述电机的外壳(1)内部固定有转子铁心(10)，转子铁心(10)极数为4n或8n，n为自然数，表示单元电机个数；在轴承的作用下，外壳(1)和转子铁心(10)可绕轴(8)旋转；
所述轴(8)上固定有隔磁套(9)，隔磁套(9)的圆周外侧固定有极数皆为3n的N极爪极(2)和S极爪极(3)，N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起；N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧有一层气隙，气隙外侧为转子铁心(10)；
N极爪极(2)和S极爪极(3)的中间为环形的永磁体(7)，永磁体为轴向充磁，使N极与S极间隔排列；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，该电枢线圈所在的平面与爪极内圆相切；相位不同电枢线圈分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈梯形；当转子铁心(10)极数为4n时，转子极的极弧系数为0.5，梯形底部的极弧系数为0.5～0.6，梯形顶部的极弧系数为0.4～0.5；当转子铁心(10)极数为8n时，转子极的极弧系数为0.5，梯形底部的极弧系数为0.4～0.45，梯形顶部的极弧系数为0.35～0.4。
所述转子铁心(10)由硅钢片叠压制成，所述N极爪极(2)和S极爪极(3)为无取向导磁材料制成，所述隔磁套(9)为非导磁材料。
永磁体(7)的圆周外侧绕有励磁绕组，所述电机按照混合励磁电机的工作原理工作。
根据单元电机定义，如果电机各线圈的相位星形图呈多个周期的话，每个周期内的极槽数就构成一个单元电机，重复的周期个数即为单元电机个数。本发明中，沿圆周排列的每4个或8个转子极对应6个爪极，每6个爪极上线圈的相位星形图可构成一个周期，爪极总的极数为6n的本发明所述电机可分为n个周期，即n表示单元电机个数。
本发明的电动汽车轮毂式永磁电机除了具备已公开的定子永磁型无刷电机的优点以外，还具备以下有益效果如下：
⑴外转子仅由导磁材料构成，既无永磁体，也没有绕组，结构特别简单可靠，十分适合安装轮毂内，构成轮毂式驱动电机；
⑵实现了一块永磁材料集中励磁，不存在分散磁极磁性材料不均一导致的各相不对称问题；
⑶与已有技术的定子励磁的永磁电机相比，其爪极可以被简单的加工成多种形式，例如梯型结构的爪极可以提供近似正弦波绕组反电势，而且谐波含量低；
⑷本发明还具有另外一个并非显而易见的技术效果：轴向励磁的永磁体远离电枢绕组，而位于定子极上的电枢绕组产生的电枢反应磁场大部分经转子铁心和爪极自行闭合，经过因此大电枢电流对永磁体的去磁影响小。
附图说明
图1是本发明的一种电动汽车轮毂式永磁电机一种实施例的截面图。其定、转子极数分别12极和8极。其中：1、外壳；2、N极爪极；3、S极爪极；4、A相电枢绕组；5、B相电枢绕组；6、C相电枢绕组；7、永磁体；8、轴；9、隔磁套；10、转子铁心。
图2是本发明一种电动汽车轮毂式永磁电机的纵剖图。其中：1、外壳；2、N极爪极；3、S极爪极；4、A相电枢线圈；7、永磁体；8、轴；9、隔磁套；10、转子铁心；11、引线；12、轴承。
图3为本发明一种电动汽车轮毂式永磁电机电枢绕组和爪极端面展开图。A1、A2、A3和A4分别表示A相第一个线圈、A相第二个线圈、A相第三个线圈和A相第四个线圈，B1、B2、B3和B4分别表示B相第一个线圈、B相第二个线圈、B相第三个线圈和B相第四个线圈，C1、C2、C3和C4分别表示C相第一个线圈、C相第二个线圈、C相第三个线圈和C相第四个线圈。
图4为本发明一种电动汽车轮毂式永磁电机梯形的爪极端面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1是本发明的一种电动汽车轮毂式永磁电机一种实施例的截面图。所述一种电动汽车轮毂式永磁电机包括外壳(1)、N极爪极(2)、S极爪极(3)、A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)、C相电枢绕组(6)、永磁体(7)、轴(8)、隔磁套(9)和转子铁心(10)；所述电机的外壳(1)内部固定有转子铁心(10)，转子铁心(10)极数为4n＝8。本实施例的电机由两个单元电机组成；在轴承的作用下，外壳(1)和转子铁心(10)可绕轴(8)旋转；
所述轴(8)上固定有隔磁套(9)，隔磁套(9)的圆周外侧固定有极数皆为6的N极爪极(2)和S极爪极(3)，N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起；N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧有一层气隙，气隙外侧为转子铁心(10)；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中式的电枢线圈，该电枢线圈所在的平面与爪极内圆相切；相位不同电枢线圈分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
如传统的电机，将一个N极和S极中心线的弧长定义为极距，将极宽占极距的比例定义为极弧系数。在本实施例中，N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈矩形。当转子铁心(10)极数为4n＝8时，转子极的极弧系数为0.5，且爪极的极弧系数也为0.5。如果转子铁心(10极数为8n时，则转子极的极弧系数为0.5，且爪极的极弧系数为0.4。
图2是本发明一种电动汽车轮毂式永磁电机的纵剖图。所述永磁电机的轴(8)上固定有隔磁套(9)，隔磁套(9)的圆周外侧固定有N极爪极(2)和S极爪极(3)，N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起。
N极爪极(2)和S极爪极(3)的中间为环形的永磁体(7)，永磁体为轴向充磁，使N极与S极间隔排列。
所述转子铁心(10)由硅钢片叠压制成，所述N极爪极(2)和S极爪极(3)为无取向导磁材料制成，所述隔磁套(9)为非导磁材料。
如果在永磁体的圆周外侧绕有励磁绕组，所述电机可以按照混合励磁电机的工作原理工作。
图3为本发明一种电动汽车轮毂式永磁电机电枢绕组和爪极端面展开图。所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中式的电枢线圈，该电枢线圈所在的平面与爪极内圆相切；相位不同电枢线圈分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反。
图4为本发明一种电动汽车轮毂式永磁电机梯形的爪极端面。所述永磁电机N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈梯形。当转子铁心(10)极数为4n时，转子极的极弧系数为0.5，梯形底部的极弧系数为0.5～0.6，梯形顶部的极弧系数为0.4～0.5；当转子铁心(10)极数为8n时，转子极的极弧系数为0.5，梯形底部的极弧系数为0.4～0.45，梯形顶部的极弧系数为0.35～0.4。
下面对本发明提出的起动发电机进行工作原理的说明。
充磁的永磁体两个爪极分别产生N极和S极磁场；当转子极与其中一个爪极完全重叠时，该极电枢绕组的磁阻最小、磁链最大；当转子极与其中一个爪极完全脱离时，该极电枢绕组的磁阻最大、磁链最小。
本发明的轮毂式永磁电机的极数和极弧系数并非是个简单的选择问题，而是在这种极数和极弧系数的匹配下才能取得所述性能的特殊结构。从图1可以看出，假设电机顺时针旋转，此时B相电枢绕组磁阻最小、C相电枢绕组的磁阻刚开始增加、而A相电枢绕组的磁阻即将变为最大值。因此只有在这种极数匹配下才能使三相电枢绕组的磁阻周期性变化且电位角相差120°电角度。
基于上述各相绕组磁阻变化的基本原理，本发明的轮毂式永磁电机的电动工作原理是：通过位置传感器检测电机转子位置，将位置信号输送给控制器后，控制器控制功率变换器的相应开关管，给磁阻减小、电感上升的绕组通以正向电流，给磁阻增加、电感下降的绕组通以负向电流，不给磁阻不变的电枢绕组通电流，电机即可实现对外输出转矩。其控制方法和无刷直流电机相似。
本发明的轮毂式永磁电机的也可以回收汽车制动能量，其工作原理是：转子旋转时，该极电枢绕组的磁通量不断变化，便会产生感应电动势。通过对三相感应电动势进行整流和调压，便可以输出电压的直流电。
本发明提出的轮毂式永磁电机磁链路径比较复杂，其中永磁体离电枢绕组的距离较远，电枢绕组产生的电枢反应磁场大部分经过定子极和转子极闭合，因此电枢反应对该电机的磁链和反电势影响较小，电机的反电势畸变和抗去磁能力强。
如果将爪极的端面加工成梯形，则上述磁阻变化的波形就不是梯形波，而是近似正弦波。由于电枢绕组的磁链与磁阻成反比，因此其磁链和反电势变化的波形也呈近似正弦波。因此当所述爪极的端面呈梯形时，可以使用永磁同步电机的控制方法进行控制。
需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种电动汽车轮毂式永磁电机，其特征在于：
包括外壳(1)、N极爪极(2)、S极爪极(3)、A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)、C相电枢绕组(6)、永磁体(7)、轴(8)、隔磁套(9)和转子铁心(10)；
所述电机的外壳(1)内部固定有转子铁心(10)，转子铁心(10)极数为4n或8n，n为自然数，表示单元电机个数；在轴承的作用下，外壳(1)和转子铁心(10)可绕轴(8)旋转；
所述轴(8)上固定有隔磁套(9)，隔磁套(9)的圆周外侧固定有极数皆为3n的N极爪极(2)和S极爪极(3)，N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起；N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧有一层气隙，气隙外侧为转子铁心(10)；
N极爪极(2)和S极爪极(3)的中间为环形的永磁体(7)，永磁体为轴向充磁，使N极与S极间隔排列；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，该电枢线圈所在的平面与爪极内圆相切；相位不同电枢线圈分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈矩形；当转子铁心(10)极数为4n时，转子极的极弧系数为0.5，且爪极的极弧系数也为0.5；当转子铁心(10)极数为8n时，转子极的极弧系数为0.5，且爪极的极弧系数为0.4。
2.一种电动汽车轮毂式永磁电机，其特征在于：
包括外壳(1)、N极爪极(2)、S极爪极(3)、A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)、C相电枢绕组(6)、永磁体(7)、轴(8)、隔磁套(9)和转子铁心(10)；
所述电机的外壳(1)内部固定有转子铁心(10)，转子铁心(10)极数为4n或8n，n为自然数，表示单元电机个数；在轴承的作用下，外壳(1)和转子铁心(10)可绕轴(8)旋转；
所述轴(8)上固定有隔磁套(9)，隔磁套(9)的圆周外侧固定有极数皆为3n的N极爪极(2)和S极爪极(3)，N极爪极(2)和S极爪极(3)结构相同且扣在一起；N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧有一层气隙，气隙外侧为转子铁心(10)；
N极爪极(2)和S极爪极(3)的中间为环形的永磁体(7)，永磁体为轴向充磁，使N极与S极间隔排列；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，该电枢线圈所在的平面与爪极内圆相切；相位不同电枢线圈分别组成A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(5)和C相电枢绕组(6)；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈梯形；当转子铁心(10)极数为4n时，转子极的极弧系数为0.5，梯形底部的极弧系数为0.5～0.6，梯形顶部的极弧系数为0.4～0.5；当转子铁心(10)极数为8n时，转子极的极弧系数为0.5，梯形底部的极弧系数为0.4～0.45，梯形顶部的极弧系数为0.35～0.4。
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