CN104753285A - 弧面二自由度永磁轮毂电机 - Google Patents

弧面二自由度永磁轮毂电机 Download PDF

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Abstract

弧面二自由度永磁轮毂电机，它涉及电机领域，它同时具备旋转和偏摆两个自由度，巧妙地将电动汽车中轮毂电机驱动功能和转向电机转向功能集于一身。它的定子铁芯被有效地分割成若干部分，各部分分别配置有特定排布方式的电枢绕组；转子上配置有永磁体；基于磁场谐波理论和自轴承磁悬浮原理，定子中间部分的驱动绕组能够实现电机旋转运动，两侧部分的偏摆绕组能够实现电机偏摆运动；定子铁芯和转子之间设置有均等气隙，且定子铁芯气隙侧表面和转子气隙侧表面为同心球形曲面，在转子旋转和偏摆运动的过程中，定子和转子之间各处气隙长度始终保持不变；轴承可以采用球形电机轴承等方案。本发明适用于驱动电动汽车。

Description

弧面二自由度永磁轮毂电机
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及一种新型结构多功能弧面二自由度永磁轮毂电机。
背景技术
进入21世纪以来，电动汽车已经经历了从概念车到推广普及的阶段，为了提高驾驶的平顺性和舒适性，越来越多的机械零部件呈现出被电子器件替代的趋势，采用轮毂电机驱动的电动汽车能够提升车辆操控性和车内空间。
然而，传统的电动汽车使用多台电机和机械传动与转向系统实现车辆直线行驶、转向和偏移的功能，结构复杂且占用大量的车辆空间，增加了车辆的非簧载质量，致使车辆平稳性和舒适性难以提升。因此，研发新结构多功能轮毂电机具有重要的理论意义和实际价值。
发明内容
本发明为了实现电动汽车轮毂电机的多功能化，采用轮毂电机实现车辆的直线行驶、转向和偏移功能，提出了弧面二自由度永磁轮毂电机。
本发明将线控转向技术与永磁同步轮毂电机驱动技术有机结合，车轮上只采用一台轮毂电机实现车辆的直线行驶、转向和偏移功能。
弧面二自由度永磁轮毂电机，它包括转子、定子、轴1、左端盖2、壳体5、右端盖6和轴承7；转子包括转子铁芯3-1和永磁体3-2，定子包括定子铁芯4-1和定子绕组4-2；定子绕组4-2包括左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3；壳体5的两个端面分别设置有左端盖2和右端盖6，轴1的左端从左端盖2伸出，轴1的右端通过轴承7与右端盖6活动连接；
轴1上固定转子或定子，壳体5的内侧壁相应的设置有定子或转子；且定子与转子之间存在均匀气隙g；
定子和转子同轴套装在一起，定子铁芯4-1靠近气隙g侧的表面与转子靠近气隙g侧的表面均为同心球形曲面结构。
定子铁芯4-1沿轴向被分割成三个部分，每个部分均配置有电枢绕组，其中中间部分配置驱动绕组4-2-2，两侧部分分别配置左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3。
左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3具有相同的励磁磁场等效极数，而且均通过采用集中绕组或分布绕组实现。
转子上永磁体3-2所产生的永磁磁场等效极对数p和定子绕组4-2所产生的励磁磁场等效极数Ns满足数学关系式Ns＝2p±1，其中其中p为正整数，Ns＝3k，k为正整数。
弧面二自由度永磁轮毂电机，直行状态时左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3通电方式一致；转向状态时左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3中电流与驱动绕组4-2-2中电流相序相反，且左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3中电流相位相差180°。
根据不同需求，永磁体可以采用表面式、内置式、Halbach阵列结构等；定子绕组可以采用分布绕组或者集中绕组。Halbach阵列又称哈尔巴克阵列，是一种磁极排列形式，运用在电机中能够改善气隙磁场波形。。
本发明巧妙利用定子绕组磁动势谐波理论和自轴承磁悬浮原理，通过选择恰当的定子、转子磁场极数配合，同时结合三套电枢绕组特定的电流控制策略，实现了电动汽车轮毂电机旋转和偏摆两自由度运动。
本发明针对轮毂电机平台线控车辆的纵向行进和转向功能的多电机控制现状，提出一种新型弧面结构兼具旋转和偏摆功能的永磁同步轮毂电机方案，极大程度上简化了电动汽车传动系统机械部件，为推进线控电动汽车的应用提供储备，具有很强的原始创新性。
附图说明
图1是直行状态时电枢绕组通电方式及电机定子受力示意图；
图2是转向状态时电枢绕组通电方式及电机定子受力示意图；
图3是具体实施方式六的结构示意图；
图4是具体实施方式七的结构示意图；
图5是具体实施方式八的结构示意图；
图6是具体实施方式九的结构示意图；
图7是Ns＝2p+1型集中绕组接线范例，其中Ns＝9、p＝4；a)为轮毂电机结构图；b)为轮毂电机三相接线图；
图8是Ns＝2p-1型集中绕组接线范例，其中Ns＝15、p＝8；a)为轮毂电机结构图；b)为轮毂电机三相接线图；
图9为实施方式六所述的弧面二自由度永磁轮毂电机的转子转动θ角度时的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图3至图9具体说明本实施方式，本实施方式所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，它包括转子、定子、轴1、左端盖2、壳体5、右端盖6和轴承7；转子包括转子铁芯3-1和永磁体3-2，定子包括定子铁芯4-1和定子绕组4-2；定子绕组4-2包括左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3；
壳体5的两个端面分别设置有左端盖2和右端盖6，轴1的左端从左端盖2伸出，轴1的右端通过轴承7与右端盖6活动连接；
轴1上固定转子或定子，壳体5的内侧壁相应的设置有定子或转子；且定子与转子之间存在均匀气隙g；
其特征在于，定子和转子同轴套装在一起，定子铁芯4-1靠近气隙g侧的表面与转子靠近气隙g侧的表面均为同心球形曲面结构。
具体实施方式二、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的弧面二自由度永磁轮毂电机的进一步说明，本实施方式中，定子铁芯4-1沿轴向被分割成三个部分，每个部分均配置有电枢绕组，其中中间部分配置驱动绕组4-2-2，两侧部分分别配置左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3。
具体实施方式三、本具体实施方式是对具体实施方式二所述的弧面二自由度永磁轮毂电机的进一步说明，本实施方式中，左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3具有相同的励磁磁场等效极数，而且均通过采用集中绕组或分布绕组实现。
具体实施方式四、本具体实施方式是对具体实施方式三所述的弧面二自由度永磁轮毂电机的进一步说明，本实施方式中，转子上永磁体3-2所产生的永磁磁场等效极对数p和定子绕组4-2所产生的励磁磁场等效极数Ns满足数学关系式Ns＝2p±1，其中p为正整数，Ns＝3k，k为正整数，该数学关系式具体包括以下配合：Ns＝3、p＝1；Ns＝3、p＝2；Ns＝9、p＝4；Ns＝9、p＝5；Ns＝15、p＝7；Ns＝15、p＝8；Ns＝21、p＝10；Ns＝21、p＝11；Ns＝27、p＝13；Ns＝27、p＝14；Ns＝33、p＝16；Ns＝33、p＝17；Ns＝39、p＝19；Ns＝39、p＝20；Ns＝45、p＝22；Ns＝45、p＝23；Ns＝51、p＝25；Ns＝51、p＝26；Ns＝57、p＝28；Ns＝57、p＝29；Ns＝63、p＝31；Ns＝63、p＝32……。
具体实施方式五、参照图1和图2具体说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式四所述的弧面二自由度永磁轮毂电机的进一步说明，本实施方式中，直行状态时左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3通电方式一致；转向状态时左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3中电流与驱动绕组4-2-2中电流相序相反，且左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3中电流相位相差180°。
当车辆直行时，左偏摆绕组、右偏摆绕组和驱动绕组通电方式一致，均产生同向转矩共同驱动电机旋转；当车辆转弯时，驱动绕组保持原有通电方式驱动电机旋转，左偏摆绕组和右偏摆绕组则通入与驱动绕组反相序(A-C-B)的电流(若驱动绕组电流相序为A-B-C)，同时保持左偏摆绕组和右偏摆绕组电流相位相反(相差180°电角度)，则两偏摆绕组产生的2p±2次谐波磁场与转子产生的2p次永磁磁场相互作用形成定向力，该力使弧面二自由度永磁轮毂电机产生偏摆运动，而基波转矩相互抵消，不影响旋转运动。
例如Ns＝9、p＝4的弧面二自由度永磁轮毂电机，其电枢绕组产生的磁动势分量主要是4次基波和5次谐波。当车辆处于直行状态时，电枢绕组通电方式如图1所示，左偏摆绕组、右偏摆绕组和驱动绕组通以相同相序的三相电，其所产生旋转磁场的4次基波分量与转子磁场相互作用形成方向相同的三个电磁转矩Tel、Tem和Ter，三者叠加共同驱动弧面二自由度永磁轮毂电机旋转；当车辆处于转向状态时，电枢绕组通电方式如图2所示，左偏摆绕组和右偏摆绕组通入与驱动绕组反相序的电流，同时保持左偏摆绕组和右偏摆绕组电流相位相反，则驱动绕组所产生旋转磁场的4次基波分量与转子磁场相互作用形成电磁转矩Tem，左偏摆绕组和右偏摆绕组所产生旋转磁场的4次基波分量旋转方向相反，所产生的电磁转矩Tel和Ter相互抵消，但是左偏摆绕组和右偏摆绕组所产生旋转磁场的5次谐波分量能与转子磁场相互作用产生定向力Fel和Fer，两者方向相反而形成偏摆力偶矩驱动弧面二自由度永磁轮毂电机偏摆，实现两个自由度运动。
本发明包括转子、定子、轴、左端盖、壳体、右端盖和轴承；转子包括转子铁芯和永磁体，定子包括定子铁芯、左偏摆绕组、驱动绕组和右偏摆绕组；定子和转子同轴套装在一起，定子铁芯气隙侧表面与转子气隙侧表面为同心球形曲面结构，且二者之间设置有均等的气隙。定子铁芯被分割成若干部分，每个部分配置有励磁磁场等效极数相等的电枢绕组，其中中间部分配置有驱动绕组，两侧部分分别配置有左偏摆绕组和右偏摆绕组；转子上配置有永磁体，且永磁体所产生的永磁磁场等效极对数p和定子绕组所产生的励磁磁场等效极数Ns满足数学关系式Ns＝2p±1，其中p为正整数，Ns＝3k，k为正整数。
具体实施方式六至具体实施方式九列出具体的弧面二自由度永磁轮毂电机的结构。
具体实施方式六、结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，它包括转子、定子、轴1、左端盖2、壳体5、右端盖6和轴承7；转子包括转子铁芯3-1和永磁体3-2，定子包括定子铁芯4-1和定子绕组4-2；定子绕组4-2包括左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3；定子和转子同轴套装在一起，采用外定子内转子结构，定子铁芯4-1气隙侧表面与转子气隙侧表面均为同心球形曲面结构，且二者之间设置有均等的气隙g；定子铁芯4-1沿轴向被分割成三个部分，其中中间部分配置有驱动绕组4-2-2，两侧部分分别配置有左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3，左偏摆绕组4-2-1、驱动绕组4-2-2和右偏摆绕组4-2-3均具有相同的励磁磁场等效极数Ns；转子上配置有永磁体3-2，且永磁体3-2所产生的永磁磁场等效极对数p和定子绕组励磁磁场等效极数Ns满足数学关系式Ns＝2p±1，其中p为正整数，Ns＝3k，k为正整数。
具体实施方式七、结合图4说明本实施方式，本实施方式所述的弧面二自由度永磁轮毂电机与具体实施方式六的不同点在于，定子和转子同轴套装在一起时，采用内定子外转子结构。
具体实施方式八、结合图5说明本实施方式，本实施方式所述的弧面二自由度永磁轮毂电机与具体实施方式六的不同点在于，采用双定子结构，外定子铁芯4-1-1上配置有驱动绕组4-2-2，内定子铁芯4-1-2左右两侧上分别配置有左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3；转子铁芯3-1外侧和内侧分别配置外永磁体3-2-1和内永磁体3-2-2，外永磁体3-2-1靠近外气隙g-2侧的表面和外定子铁芯4-1-1靠近外气隙g-2侧的表面为同心球形曲面，内永磁体3-2-2靠近内气隙g-1侧的表面和内定子铁芯4-1-2靠近内气隙g-1侧的表面亦为同心球形曲面，外气隙g-2和内气隙g-1均为均等气隙；转子连接件8将转子铁芯3-1和轴1连接起来。
具体实施方式九、结合图6说明本实施方式，本实施方式所述的弧面二自由度永磁轮毂电机与具体实施方式八的不同点在于，外定子铁芯4-1-1左右两侧上分别配置有左偏摆绕组4-2-1和右偏摆绕组4-2-3，内定子铁芯4-1-2上配置有驱动绕组4-2-2。
本实施方式与实施方式八的区别在于，外定子铁芯4-1-1、内定子铁芯4-1-2上配置的电枢绕组不同。

Claims (9)

1.弧面二自由度永磁轮毂电机，它包括转子、定子、轴(1)、左端盖(2)、壳体(5)、右端盖(6)和轴承(7)；转子包括转子铁芯(3-1)和永磁体(3-2)；
定子包括定子铁芯(4-1)和定子绕组(4-2)；定子绕组(4-2)包括左偏摆绕组(4-2-1)、驱动绕组(4-2-2)和右偏摆绕组(4-2-3)；
壳体(5)的两个端面分别设置有左端盖(2)和右端盖(6)，轴(1)的左端从左端盖(2)伸出，轴(1)的右端通过轴承(7)与右端盖(6)活动连接；
轴(1)上固定转子或定子，壳体(5)的内侧壁相应的设置有定子或转子；且定子与转子之间存在均匀气隙(g)；
其特征在于，定子和转子同轴套装在一起，定子铁芯(4-1)靠近气隙(g)侧的表面与转子靠近气隙(g)侧的表面均为同心球形曲面结构。
2.根据权利要求1所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，定子铁芯(4-1)沿轴向被分割成三个部分，每个部分均配置有电枢绕组，其中中间部分配置驱动绕组(4-2-2)，两侧部分分别配置左偏摆绕组(4-2-1)和右偏摆绕组(4-2-3)。
3.根据权利要求2所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，左偏摆绕组(4-2-1)、驱动绕组(4-2-2)和右偏摆绕组(4-2-3)具有相同的励磁磁场等效极数，而且均通过采用集中绕组或分布绕组实现。
4.根据权利要求3所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，转子上永磁体(3-2)所产生的永磁磁场等效极对数p和定子绕组(4-2)所产生的励磁磁场等效极数Ns满足数学关系式Ns＝2p±1，其中p为正整数，Ns＝3k，k为正整数。
5.根据权利要求4所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，定子和转子同轴套装在一起，采用外定子内转子结构。
6.根据权利要求4所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，定子和转子同轴套装在一起，采用内定子外转子结构。
7.根据权利要求4所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，定子和转子同轴套装在一起，采用双定子结构。
8.根据权利要求5、6或7所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，直行状态时左偏摆绕组(4-2-1)、驱动绕组(4-2-2)和右偏摆绕组(4-2-3)通电方式一致；转向状态时左偏摆绕组(4-2-1)和右偏摆绕组(4-2-3)中电流与驱动绕组(4-2-2)中电流相序相反，且左偏摆绕组(4-2-1)和右偏摆绕组(4-2-3)中电流相位相差180°。
9.根据权利要求8所述的弧面二自由度永磁轮毂电机，其特征在于，永磁体(3-2)采用表面式、内置式或Halbach阵列结构。
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