CN104993637B - 磁悬浮感应电机电动车驱动系统 - Google Patents

Abstract

磁悬浮感应电机电动车驱动系统，包括壳体、电机转子、电机定子、电机轴、端盖、辅助轴承、磁钢、外绕组和检测控制系统。电机转子与壳体紧配连接，磁钢安装在电机转子左右两侧端面上，在壳体内侧安装有外绕组，在外绕组内侧于壳体上沿圆周方向安装有轴向位置传感器，电机定子固定在电机轴上，在电机定子外侧沿圆周方向安装有径向位置传感器和转速传感器。本发明通过磁悬浮技术实现了转子与定子之间无接触，无摩擦，无磨损支承车身，直接通过电磁转矩驱动车轮旋转，缩短传动链，提高驱动效率，显著地降低了能耗，改善了电动自行车的动力性能，响应速度快。

Description

磁悬浮感应电机电动车驱动系统

技术领域

本发明涉及一种新型的电动自行车的驱动方式，采用磁悬浮感应电机电机驱动，具体涉及一种磁悬浮感应电机电动车驱动系统。

背景技术

从目前行业内普遍使用情况看，电动自行车主要有两种电机：高效稀土永磁有刷电机与高效稀土永磁无刷电机。目前市场上大多数电动自行车还停留在有刷电机阶段。有刷电机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，相对成本低于无刷电机，有刷电机的起动力矩略大于无刷电机。但致命的弱点是：寿命短、噪声大、效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落下齿轮油中，使齿轮油加速干涸，电机噪声进一步增大。

有刷电机使用到一年左右就需要更换内碳刷，而且充电一次行驶的里程不及新车买来时的三分之二，而且爬坡时动力不足，还会烧坏控制器。这是因为电机更换碳刷后，换向器也被磨出了一条凹槽，使碳刷接触面积减少，接触不良的碳刷通电后会产生火花并加快氧化换向器和铜片，导致上述不良现象。针对现有技术的上述缺陷，需要提供一种新型电机驱动方式的电动自行车。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的驱动电动自行车的磁悬浮感应电机系统，以克服现有技术的上述问题，该磁悬浮感应电机电动车驱动系统能够提高电动车电能向机械能的转化效率，从而降低能耗，改善电动车的动力性能。

本发明提出了一种采用磁悬浮感应电机驱动的驱动系统结构，设计的感应电机是一种外转子内定子形式的磁悬浮感应电机。利用磁悬浮及电机技术将车身悬浮，在检测控制系统控制下，使车轮轮毂无摩擦、无磨损地支承车身，并驱动车轮轮毂旋转，带动车轮沿地面滚动行驶。

上述目的是通过如下技术方案实现的：磁悬浮感应电机电动车驱动系统，包括壳体、电机轴以及置于壳体内的电机转子和电机定子，其特征是，所述电机轴穿过电机定子的中心，两者相互固定连接，所述电机转子置于电机定子外圈，两者同心并保持有间隙，且电机转子与壳体内侧紧配连接；

所述壳体内设有检测控制系统，该检测控制系统包括悬浮控制器、解耦控制器、2φ/3φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、轴向位移传感器、径向位移传感器和转速传感器、信号处理电路，以控制电机转子径向和轴向的移动以及悬浮和转动状态；

所述电机转子左、右两侧端面对称固定有左、右磁钢，所述壳体内侧的左、右两端对称安装有左、右外绕组，壳体内侧左、右两端还分别设有轴向位移传感器，轴向位移传感器分别沿圆周方向置于左、右外绕组的内侧，所述电机定子左、右两端面分别沿圆周方向安装有径向位移传感器和转速传感器；

所述电机定子是凸极结构，其沿圆周方向等间距分布定子凸极，在定子两侧端面上也分别呈沿圆周分布定子凸极，即是径向圆周方向分布定子凸极；所述电机转子采用笼型转子，包括转子铁芯，转子铁芯由硅钢片叠成，在转子铁芯叠片内圆周冲有嵌放转子绕组的槽，槽内嵌有绝缘导线组成的三相对称绕组；

在定子凸极上装有三相绕组，三相绕组经调压电路供电，以一定时序通入电流，电机定子和电机转子之间产生一定的径向悬浮力和沿圆周方向的电磁转矩，使得电机转子沿圆周方向旋转，电机定子悬浮在中心位置；同时左、右外绕组通电，作用在对应的磁钢上，产生轴向的悬浮力，使得电机转子在轴向也固定在中心位置，即使得电机转子在径向和轴向都位于中心位置，同时转子旋转，带动车轮转动。即在检测控制系统的综合控制下，产生沿定子对称轴方向和垂直方向的作用于转子的磁推或拉力和产生绕定子对称轴并与转子表面相切的磁转矩。

所述壳体左、右两侧端面均安装有端盖和辅助轴承，并用螺母固定，辅助轴承套在电机轴上，与端盖连接，起到固定电机轴作用，电机定子、辅助轴承、端盖均穿过电机轴。

所述电机定子左、右两侧用螺母与电机轴固定。

所述电机轴的两端部用圆螺母固定。

通过上述的技术方案，本发明的磁悬浮感应式电机利用磁悬浮及电机技术将车轮转动起来，无接触，无摩擦，无磨损，通过电磁转矩直接驱动车轮轮毂旋转，缩短传动链，提高驱动效率，显著降低了能耗，改善了电动车的动力性能。

本发明工作时，电机转子采用笼型转子。转子包括转子铁芯，其由硅钢片叠成，在转子铁芯叠片内圆周冲有嵌放转子绕组的槽，转子绕组采用笼型转子。电机定子采用双绕组结构。径向方向上，定子对称三相转矩绕组通入三相对称电流，产生旋转磁场，电机导体切割定子磁场产生感应电动势，并产生感应电流，载有感应电流的转子导体在定子磁场中受到电磁力并形成电磁转矩，从而驱使转子顺着定子磁场方向旋转起来。同时磁悬浮电机悬浮力是在转矩绕组和悬浮绕组共同作用下产生的。定子转矩绕组通以电流后，在电机内形成转矩磁链，同时定子中悬浮绕组通以电流后，在电机内形成悬浮力磁链。当只有一个方向上的悬浮力绕组通以正向电流时，在电机内形成悬浮力磁链。转矩磁场和悬浮力磁场共同作用的结果使得一侧气隙处的转矩磁链和悬浮力磁链方向相同，总磁密增加，吸力增加，在而在反方向的气隙处，磁链方向相反，总磁密减少，吸力减小。这样，不平衡的气隙磁通密度导致定子受到该方向上的磁悬浮力。

当检测到定子在径向上产生偏移时，从径向位移传感器得到检测信号，发送给检测控制系统，检测控制系统会相应的改变绕组电流，使得两套绕组电流一个变大一个变小，从而使得两侧的磁通密度不等，磁拉力变大或变小，电机定子受力回到平衡位置，定子在径向上的悬浮是靠电机作用提供的悬浮力。检测控制系统根据转子在某一方向的偏离平衡位置的差动信号，适时调节该方向上定子绕组或外绕组的转矩电流指令信号，差动调节提供给定子绕组的驱动电流，使产生的磁悬浮合力将转子稳定悬浮在该方向的平衡状态。

为了使电机转子在轴向方向上稳定悬浮，在轴向上的悬浮力是通过转子轴向两侧的磁钢和外绕组作用产生轴向上的悬浮力。外绕组产生电磁悬浮力，当两侧磁密度不等时，吸力不等，转子在轴向上会往磁密大的一侧偏移，通过轴向传感器检测到偏移量，反馈给控制系统，调节输入电流的大小，使得两侧磁密相等，定子受到轴向方向上大小相等的力，保持在轴向中心位置处，不发生偏移。这样通过控制外绕组的电流大小和方向来实现转子的在轴向上的稳定悬浮。

在壳体上沿圆周方向设有若干轴向位移传感器，在电机定子上安装有径向位移传感器和转速传感器，保证电机定子在轴向和径向上的偏移量的准确检测。在检测控制系统的综合控制下，产生沿定子对称轴方向作用于转子的磁推/拉力和产生绕定子对称轴并与转子表面相切的磁转矩，使得转子旋转，即带动车轮旋转起来。检测控制系统根据转子在某一方向偏离平衡位置的差动信号，适时调节该方向上对称于转子的定子绕组或外绕组的转矩电流指令信号，差动调节提供给定子绕组或是外绕组的驱动电流，使产生的磁悬浮合力将转子稳定悬浮在该方向的平衡状态。

悬浮控制器的作用是将处理后的磁悬浮感应电机转子的位置偏移电压信号经过某种控制策略的运算，并转换成与转子偏移成比例的电流增量信号输出；解耦控制器完成向心推/拉力磁悬浮感应电机转矩与转速之间的矢量解耦运算，并根据传感器检测的转子转动信息进行适时调节运算；2φ/3φ变换电路将经过解耦并调节的转矩电压信号和转速电压信号，变成控制逆变器开关功率晶体管的三相脉冲电压控制信号；整流稳压电路将三相交流源变成直流源；逆变器将整流电路提供的直流电源变换为可变频和变幅的交流电压提供给电机绕组，以产生电磁悬浮力和电磁转矩达到支撑转子并驱动其转动的目的；传感器用来完成对电机转子径向位置和转动参数的检测；信号检测处理电路完成对转子径向位移变化的信号检测，调制与解调，以及滤波和放大等作用。

磁悬浮感应电机工作时，对某一方向的控制系统同时输入相等的转矩电流和转速指令信号，经过解耦控制器矢量解耦后，由2φ/3φ变换成三相电流控制信号，控制逆变器使整流稳压器输出的直流电变换成交流电，向该方向上的定子绕组或是外绕组通过驱动电流，产生绕该方向的电磁转矩和转动速度，以驱动转子转动，同时定子绕组或外绕组将产生一对大小相等方向相反的偏置磁拉力作用于转子，使转子在无扰动的作用相爱悬浮与该方向的平衡位置。当电机转子在该方向受到扰动作用时，该方向的传感器检测到转子的径向位移变化信号，各自将检测的信号经由信号检测处理电路进行调制、放大、解调、滤波等信号处理后以电压信号输出，两路电压信号进行比较形成转子在该方向的差动位移信号，经悬浮控制器运算并转换成差动电流输出，作为转矩电流指令的增量调节信号，分别叠加在定子绕组转矩的转矩电流指令信号上，差动控制两逆变器对各自定子绕组的供电电流，使转子距离定子进的一侧电流减小，距离远的一侧电流增大，通过改变两绕组的产生磁拉力的相对大小来平衡干扰作用，时转子重新回到平衡状态，从而达到转子的稳定悬浮和旋转。

附图说明

图1 本发明驱动系统的结构示意图；

图2 本发明驱动系统的剖视结构图；

图3 为本发明中检测控制系统的原理图；

图中：1壳体、2端盖、3电机定子、4电机转子、5辅助轴承、6磁钢、7外绕组、8电机轴、9轴向位移传感器、10径向位移传感器和转速传感器、11圆螺母。

具体实施方式

如图，磁悬浮感应电机电动车驱动系统，电机套在车轮上，电机包括壳体1、端盖2、电机转子4、电机定子3、磁钢6、外绕组7、电机轴8、辅助轴承5、检测控制系统。

端盖是设于壳体外侧，起到密封固定，有左侧端盖和右侧端盖。电机定子是凸极结构，其沿径向圆周方向等间距分布定子凸极，在轴向上端面上也分布有定子凸极，在定子凸极上装有三相绕组，三相绕组经调压电路供电，以一定时序通入电流，可驱动转子转动和保持定子的稳定悬浮。

在壳体左、右两侧端面均安装辅助轴承5，辅助轴承套在支撑轴上，与端盖连接，起到固定支撑轴，使得转子带动壳体只旋转而不发生径向的运动，在机械传动过程中，起到固定和减少载荷摩擦系数的部件。电机定子、辅助轴承、端盖均穿过电机轴，电机定子左、右两侧用螺母与电机轴固定，电机轴的两端部用圆螺母11固定。

电机轴穿过电机定子的中心，两者相互固定连接，电机转子置于电机定子外圈，两者同心并保持有间隙，且电机转子与壳体内侧紧配连接。

壳体内设置检测控制系统，该系统包括悬浮控制器、解耦控制器、2φ/3φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、轴向位移传感器9、径向位移传感器和转速传感器10、信号处理电路，以控制电机转子径向和轴向的移动以及悬浮和转动状态。

电机转子采用笼型转子，包括转子铁芯，转子铁芯由硅钢片叠成，在转子铁芯叠片内圆周冲有嵌放转子绕组的槽，槽内嵌有绝缘导线组成的三相对称绕组。电机转子左、右两侧端面对称固定左、右磁钢6，壳体内侧的左、右两端对称安装左、右外绕组7，壳体内侧左、右两端还分别设有轴向位移传感器9，轴向位移传感器分别沿圆周方向置于左、右外绕组的内侧。

电机定子左、右两端面分别沿圆周方向安装有径向位移传感器和转速传感器10，电机定子是凸极结构，其沿圆周方向等间距分布定子凸极，在定子两侧端面上也分别呈沿圆周分布定子凸极，即是径向圆周方向分布定子凸极。

在定子凸极上装有三相绕组，三相绕组经调压电路供电，以一定时序通入电流，电机定子和电机转子之间产生一定的径向悬浮力和沿圆周方向的电磁转矩，使得电机转子沿圆周方向旋转，电机定子悬浮在中心位置；同时左、右外绕组通电，作用在对应的磁钢上，产生轴向的悬浮力，使得电机转子在轴向也固定在中心位置，即使得电机转子在径向和轴向都位于中心位置，同时转子旋转，带动车轮转动。

定子对称三相转矩绕组通入三相对称电流，产生旋转磁场，电机导体切割定子磁场产生感应电动势，并产生感应电流，载有感应电流的转子导体在定子磁场中受到电磁力并形成电磁转矩，从而驱使转子顺着定子磁场方向旋转起来。同时磁悬浮电机悬浮力是在转矩绕组和悬浮绕组共同作用下产生的。为了保证无轴承电机的基本运行，采用双绕组结构，定子转矩绕组通以电流后，在电机内形成转矩磁链，同时定子中悬浮绕组通以电流后，在电机内形成悬浮力磁链。当只有一个方向上的悬浮力绕组通以正向电流时，在电机内形成悬浮力磁链。转矩磁场和悬浮力磁场共同作用的结果使得一侧气隙处的转矩磁链和悬浮力磁链方向相同，总磁密增加，吸力增加，在而在反方向的气隙处，磁链方向相反，总磁密减少，吸力减小。这样，不平衡的气隙磁通密度导致定子受到该方向上的磁悬浮力。

当驱动系统开始工作时，当位移传感器探测到位移信号，两侧位移不等，通过改变输入电流使一侧转子产生的磁拉力减小，另一侧转子产生的磁拉力增加，在磁拉力的合力作用下，使定子恢复到原来的平衡位置以实现磁悬浮。定子在径向上的悬浮是靠电机作用提供的悬浮力。同时转子在轴向上也是采用无接触结构，即通过转子外侧面的磁钢，在外绕组通电作用下产生磁拉力。这样工作时，通过轴向位移传感器的检测信号反馈，转子偏离平衡位置，可以通过控制外绕组的电流大小和方向来调节转子的轴向位置，实现轴向上的无接触悬浮。检测控制系统包括径向位移传感器和轴向位移传感器，转速传感器，控制器和信号处理电路，用于控制定转子组件始终悬浮在中心位置。在检测控制系统控制下，产生支承车身的径向磁悬浮力和驱动车轮旋转的电磁转矩。

通过上述技术方案，本发明的磁悬浮电机支承驱动系统利用磁悬浮及电机技术将车身悬浮，在检测控制系统控制下，使车轮无摩擦、无磨损地支承车身，并驱动车轮轮毂旋转带动车轮沿地面滚动行驶。本发明的磁悬浮轮毂电机支承驱动系统通过磁悬浮技术实现了车轮轮毂与车架之间无摩擦、无磨损支承，并通过电磁转矩直接驱动车轮轮毂旋转，缩短了传动链，提高了驱动效率，显著地降低了能耗，改善了电动汽车的动力性能。

Claims (4)

1.一种磁悬浮感应电机电动车驱动系统，包括壳体(1)、电机轴(8)以及置于壳体内的电机转子(4)和电机定子(3)，其特征是，所述电机轴穿过电机定子的中心，两者相互固定连接，所述电机转子置于电机定子外圈，两者同心并保持有间隙，且电机转子与壳体内侧紧配连接；

所述壳体内设有检测控制系统，该检测控制系统包括悬浮控制器、解耦控制器、2φ/3φ变换电路、整流稳压电路、逆变器、轴向位移传感器、径向位移传感器和转速传感器、信号处理电路，以控制电机转子径向和轴向的移动以及悬浮和转动状态；

所述电机转子左、右两侧端面对称固定有左、右磁钢(6)，所述壳体内侧的左、右两端对称安装有左、右外绕组(7)，壳体内侧左、右两端还分别设有轴向位移传感器(9)，轴向位移传感器分别沿圆周方向置于左、右外绕组的内侧，所述电机定子左、右两端面分别沿圆周方向安装有径向位移传感器和转速传感器(10)；

所述电机定子是凸极结构，其沿圆周方向等间距分布定子凸极，在定子两侧端面上也分别呈沿圆周分布定子凸极，即是径向圆周方向分布定子凸极；所述电机转子采用笼型转子，包括转子铁芯，转子铁芯由硅钢片叠成，在转子铁芯叠片内圆周冲有嵌放转子绕组的槽，槽内嵌有绝缘导线组成的三相对称绕组；

在定子凸极上装有三相绕组，三相绕组经调压电路供电，以一定时序通入电流，电机定子和电机转子之间产生一定的径向悬浮力和沿圆周方向的电磁转矩，使得电机转子沿圆周方向旋转，电机定子悬浮在中心位置；同时左、右外绕组通电，作用在对应的磁钢上，产生轴向的悬浮力，使得电机转子在轴向也固定在中心位置，即使得电机转子在径向和轴向都位于中心位置，同时转子旋转，带动车轮转动；

当检测到定子在径向上产生偏移时，从径向位移传感器得到检测信号，发送给检测控制系统，检测控制系统会相应的改变绕组电流，使得两套绕组电流一个变大一个变小，从而使得两侧的磁通密度不等，磁拉力变大或变小，电机定子受力回到平衡位置；检测控制系统根据转子在某一方向的偏离平衡位置的差动信号，适时调节该方向上定子绕组或外绕组的转矩电流指令信号，差动调节提供给定子绕组的驱动电流，使产生的磁悬浮合力将转子稳定悬浮在该方向的平衡状态；

为了使电机转子在轴向方向上稳定悬浮，在轴向上的悬浮力是通过转子轴向两侧的磁钢和外绕组作用产生轴向上的悬浮力；外绕组产生电磁悬浮力，当两侧磁密度不等时，吸力不等，转子在轴向上会往磁密大的一侧偏移，通过轴向传感器检测到偏移量，反馈给控制系统，调节输入电流的大小，使得两侧磁密相等，定子受到轴向方向上大小相等的力，保持在轴向中心位置处，不发生偏移；这样通过控制外绕组的电流大小和方向来实现转子的在轴向上的稳定悬浮。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮感应电机电动车驱动系统，其特征是，所述壳体左、右两侧端面均安装有端盖(2)和辅助轴承(5)，并用螺母固定，辅助轴承套在电机轴上，与端盖连接，起到固定电机轴作用，电机定子、辅助轴承、端盖均穿过电机轴。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮感应电机电动车驱动系统，其特征是，所述电机定子左、右两侧用螺母与电机轴固定。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮感应电机电动车驱动系统，其特征是，所述电机轴的两端部用圆螺母(11)固定。