CN105774525A - 多级定转子组合式电动轮总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级定转子组合式电动轮总成，包括轮毂、多级定转子电机、制动器、以及用于将所述多级定转子电机的动力传递至轮毂的减速器；所述多级定转子电机包括至少两个具有独立定子和转子的子电机，其中至少一个子电机的定子内设有用于支承转子并将转子动力输出的减速轴承；各所述子电机的输出端传动连接并输出动力，该电动轮总成内的各级子电机均可具有独立的减速比，通过匹配输出，能实现在大的转速、转矩范围内，电机均具有较高的工作效率,该电动轮总成结构紧凑、可实现较高的功率密度，适合用于电动车辆的驱动轮。

Description

多级定转子组合式电动轮总成

技术领域

本发明涉及电动轮领域，具体是一种多级定转子组合式电动轮总成。

背景技术

电动轮(亦称轮毂电机或轮边驱动)是电动车电驱动较为理想的结构，具有广阔的发展前景和用途。众所周知，要提高车辆的行驶平顺性和稳定性，需要降低电动轮的质量，同时有需要较大的驱动功率，势必要提高电动轮的功率密度。采用高速电机是提高电动轮功率密度的有效途径之一，因为提高转速可增加单位时间内旋转式电机定转子电磁作用程长。而车轮最高转速大约在1000(转/分)左右，若采用高速电机就又需要增加减速装置。因此，一方面采用高转速小扭矩，保证所需功率，实现小尺寸、轻量化；另一方面，为适应电机输出所需的低转速大扭矩，采用结构紧凑、高效的减速传动，两者有机结合并集成于电动轮中。由于电机电磁材料性能和机械材料力学性能的不同，电机需要增加扭矩所花费的材料重量和尺寸远高于需要减速增扭的机械传动部分，即力量产生成本远高于传力成本，因此两者有机结合并集成于电机，可大大提高电动轮的功率密度。

另外，由于采用永磁电机的转子磁极对数、定子线圈匝数等结构参数是固定的，往往其最高工作效率和最大转矩的转速区间是不同的、并被限制在一定的转速范围。而电动轮所用的电机，需要转速和转矩在很大范围内变化，单电机电动轮很难充分满足电动轮驱动在宽扭矩、宽转速范围内均保持较高的效率的要求。正因为如此，有人提出采用电动轮中采用变速器的解决方案。然而在电动轮那样的狭小空间中，要布置和控制变速器，结构将非常复杂，且势必增加重量和成本，降低其功率密度。若采用多列薄盘式永磁电机的组合，能够很好地解决此问题：每列薄盘式永磁电机的减速器采用行星减速器、布置在定子中央内孔中，且每列薄盘式永磁电机的减速比以及极对数等结构参数不同，因此其最高工作效率和最大转矩的转速区间不同，通过它们的工作组合可实现宽扭矩、宽转速范围仍能保持较高的工作效率。例如：左列电机极对数较多且配一个减速比较大的减速器，将适于低速；中列电机极对数适中且配一个减速适中的减速器，将适于中速；右列电机极对数少且配一个减速较小的减速器，将适于高速。这很像三缸发动机，当需要很大转矩时，不追求效率，三个电机可同时工作；当转矩需求不大时，可根据不同的转速，三个电机的“喷油量”(对应PWM脉宽调制的驱动电压)不同，甚至功效较低的某列电机可不工作，只让功效最高的那列电机工作。这样就能适应电动轮高功率密度、宽扭矩、宽转速范围内而又有较高效率的要求。

还有，由于永磁电动机的转矩即使采用PWM正弦调制方法，仍不可避免转矩波动，势必造成振动噪声。若每列电机采用左右双定子并对应不同的转子磁极位置，周向上相互错开一个电相位，这样双定子施加在同一个转子上的最大和最小转矩相互补偿，就可大大减少作用在转子上总和转矩的波动，提高其运转的平稳性，避免振动噪声。这样的多列多缸电动机的设计，需要多组电机控制器和CPU，虽然适当增加了控制复杂性，但却分散了直流永磁电机控制器的驱动IGBT桥，而有利于其散热。更重要的是：当某组电机及其控制器失效时，另外的电机及其控制器还能正常工作，具有冗余设计效果，大大提高电动轮驱动的安全性和可靠性。

再有，每列薄盘式永磁电机的行星减速器要布置在定子中央内孔中，由于空间的限制，减速比不能设计太大，可在三列薄盘式永磁电机和轮辋之间再增加一级行星齿轮减速器，且前两列薄盘式永磁电机的行星减速器直接采用减速轴承，第三列薄盘式永磁电机不用减速器，直接与第二级减速器的输入端相连。并且第三列薄盘式永磁电机转子外面再连接一个圆盘，作为钳式制动器的制动盘。这样不需要将制动盘设置在第二级减速器输出端的传动轴或直接设置于轮毂上，由于第二级减速器前设置自动器的好处还在于可以将制动钳做得更小，产生的制动力矩经过第二级减速器放大后输出到车轮上，可以产生与一般设置在第二级减速器输出端的、较大的制动器同样的制动力，从而更有利于减小电动轮的质量。在第三列薄盘式永磁电机和轮辋之间采用行星齿轮减速器的好处还在于：行星齿轮减速器的传动比是固定的，因此第三列薄盘式永磁电机中布置的转子位置传感器检测到的转子转速与车轮转速的比例是固定的，因此通过简单换算就可得到准确的车轮转速，又可省去车轮转速传感器。

由此可见，需要一种高功率密度、宽转速/扭矩范围、高可靠、结构紧凑，同时又具有较高的制动性能的多级定转子组合式电动轮总成。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种多级定转子组合式电动轮总成，该电动轮总成具有高功率密度、宽转速/扭矩范围、高可靠、结构紧凑，同时又具有较高的制动性能。

本发明的多级定转子组合式电动轮总成，包括轮毂、多级定转子电机、制动器、以及用于将所述多级定转子电机的动力传递至轮毂的减速器，所述多级定转子电机包括至少两个具有独立定子和转子的子电机，其中至少一个子电机的定子内设有用于支承转子并将转子动力输出的减速轴承；各所述子电机的输出端传动连接并将动力输出至所述减速器输入端；

进一步，所述减速轴承为减速轴承，所述减速轴承包括与子电机转子传动连接的内圈、固定于定子的外圈和滚动体；所述内圈、外圈和滚动体共同形成行星牵引传动轮系并分别对应作为行星牵引传动轮系的太阳轮、外圈和行星轮；所述滚动体通过摩擦传动的方式与内圈和外圈配合；

进一步，所述制动器的制动力作用于所述减速器输入端之前的传动路径上；

进一步，所述制动器包括制动钳以及可拆卸或一体式设置于所述多级定转子电机的转子上的制动盘；

进一步，所述减速轴承的滚动体沿轴向设有至少两列；相邻两列所述滚动体之间设有用于连接滚动体轮轴的中间行星架；

进一步，所述减速轴承还包括由滚动体轮轴驱动的输出行星架；所述输出行星架与所述内圈转动配合；

进一步，所述外圈沿周向设有减荷槽且该减荷槽分布于相邻两列滚动体之间；

进一步，每列所述滚动体沿内圈周向均匀分布有多个且相邻两列滚动体沿周向均匀交错设置；

进一步，各所述子电机的转子轴向两侧分别设有一个定子，所述定子包括定子铁芯以及沿定子铁芯周向分布的多个凸极；所述转子包括转子支撑和磁瓦，所述转子支撑至少包括外套于所述定子的筒状翼缘，所述磁瓦固定于筒状翼缘内圆并与所述凸极配合；

进一步，所述子电机为三个，并分别为电机极对数依次减少的左列电机、中列电机和右列电机，所述左列电机和中列电机中均具有减速轴承且左列电机内的减速轴承的传动比大于中列电机内减速轴承的传动比。

本发明的有益效果是：本发明的多级定转子组合式电动轮总成，其轮毂电机具有两级或两级以上的定子和转子，每级定子和转子均能输出动力并可具有独立的减速比输出，每列子电机中的减速轴承的减速比以及极对数等结构参数不同，因此每个子电机的最高工作效率和最大转矩的转速区间不同，通过它们的工作组合可实现宽扭矩、宽转速范围仍能保持较高的工作效率，例如：左列电机极对数较多且配一个减速比较大的减速器，将适于低速；中列电机极对数适中且配一个减速适中的减速器，将适于中速；右列电机极对数少且配一个减速比较小的减速器，将适于高速，这类似三缸发动机，当需要很大转矩时，不追求效率，三个电动机可同时工作；当转矩需求不大时，可根据不同的转速，三个电机的“喷油量”(对应PWM脉宽调制的驱动电压)不同，甚至功效较低的某列电机可不工作，只让功效最高的那列电机工作，这样就能适应类似汽车电动轮那样的电机的高功率密度、宽扭矩、宽转速范围内而又有较高效率的要求这样的“多列多缸”电动机的设计，需要多组电机控制器和CPU，虽然适当增加了控制复杂性，但却分散了直流永磁电机控制器的驱动IGBT桥，而有利于其散热，更重要的是：当某组电机及其控制器失效时，另外的电机及其控制器还能正常工作，具有冗余设计效果，大大提高电动轮驱动的安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的减速轴承的剖视图；

图3为本发明的减速轴承的结构示意图；

图4为本发明的减速轴承的爆炸图；

图5为本发明的滚动体的装配示意图；

图6为本发明的中间行星架的结构示意图；

图7为本发明的子电机的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，如图所示，本实施例的多级定转子组合式电动轮总成，包括轮毂11、多级定转子电机、制动器、以及用于将所述多级定转子电机的动力传递至轮毂11的减速器10；所述多级定转子电机包括至少两个具有独立定子3和转子7的子电机，其中至少一个子电机的定子3内设有用于支承转子7并将转子7动力输出的减速轴承5；各所述子电机的输出端传动连接并输出动力，每级子电机均能输出动力并可具有独立的减速比输出，通过设定各级子电机中减速轴承5的传动比，能实现各级子电机在较大的转速、转矩范围内均具有较高的工作效率，各级子电机的输出端转速相同，各输出端相互传动连接后输出动力，从而产生较大的扭矩，该电机用于驱动车辆行驶时，可通过控制各级子电机相互配合以满足车辆的动力需求，例如：左列电机6极对数较多且配一个减速比较大的减速轴承5，将适于低速；中列电机8极对数适中且配一个减速适中的减速轴承5，将适于中速；右列电机9极对数少且配一个减速较小的减速轴承5，将适于高速。这很像三缸发动机，当需要很大转矩时，不追求效率，三个电机可同时工作；当转矩需求不大时，可根据不同的转速，三个电机的“喷油量”(对应PWM脉宽调制的驱动电压)不同，甚至功效较低的某列电机可不工作，只让功效最高的那列电机工作。这样就能适应电动轮高功率密度、宽扭矩、宽转速范围内而又有较高效率的要求。

本实施例中，所述减速轴承为减速轴承5，所述减速轴承5包括与子电机转子传动连接的内圈13、固定于定子3的外圈18和滚动体15；所述内圈13、外圈18和滚动体15共同形成行星牵引传动轮系并分别对应作为行星牵引传动轮系的太阳轮、外圈和行星轮；所述滚动体15通过摩擦传动的方式与内圈13和外圈18配合，滚动体15与滚动体轮轴16之间可设置滑动轴承或者滚子实现转动配合；本实施例的内圈13不限于传统的空心筒状结构，内圈13也可采用实心轴结构，当内圈13为筒状的轴套结构时，轴套内可设置花键或采用过盈配合等方式与输入轴传动配合，当内圈13为实心轴结构时，可将此实心轴作为输入轴使用，采用这种结构的内圈13有利于简化本减速轴承的结构，本实施例的滚动体15、外圈18与内圈13之间均通过摩擦牵引传动，相比采用齿轮传动方式的行星减速器10或减速轴承5而言，滚动体15与外圆以及内圈13之间采用摩擦牵引的方式传动具有结构简单，运转平稳、过载可打滑的优点，减速轴承5还包括固定于外圈18的左端盖14和右端盖19，左端盖14和右端盖19分别与内圈13和输出行星架20可转动配合，本实施例中，可转动配合的位置可设置滑动轴承或者在两可转动配合件上开设滚道并安装滚珠，以减小相对转动的摩擦损耗。

本实施例中，所述制动器的制动力作用于所述减速器10输入端之前的传动路径上，由于该路径中的传动部件转速相对较高，与现有技术中将制动器设置在减速器10输出端或轮毂11上的方式相比，在该路径中施加相同的制动力能够产生更好的制动效果，因此，本电动轮的制动系统可采用尺寸较小的制动钳即可达到所需的制动力要求，同时可减小制动执行机构中的齿轮尺寸，提高电动轮的结构紧凑性。

本实施例中，所述制动器包括制动钳1以及可拆卸或一体式设置于所述多级定转子电机的转子7上的制动盘12，将制动盘12设置与电机转子7上，使电机转子7同时作为制动盘12使用，从而能够减少电动轮的零部件数量，同时省去现有电动轮中需要布置制动盘12的空间，最终达到减小电动轮的体积和自重的效果，本实施例中，可将制动盘12一体式设置于右列电机的转子7上，由于右列电机的转子7转速即为轮毂电机的输出转速，因此，制动盘的转速也与轮毂电机的转速相等，便于对制动钳1对制动盘12的作用力进行设定。

本实施例中，所述减速轴承5的滚动体15沿轴向设有至少两列；相邻两列所述滚动体15之间设有用于连接滚动体轮轴的中间行星架16，中间行星架16上沿周向分布有用于与滚动体轮轴配合的固定孔23，该固定孔可设置于凸台22内，以增加滚动体轮轴的配合长度，减速轴承5支承于所述转子7的转轴与定子3之间，减速轴承5的输入端与转子7传动配合，各级子电机的减速轴承5的输出端可均传动配合配合于一公共的输出轴上实现动力输出，减速轴承5同时作为每个子电机的减速器以及定子3和转子7之间的轴承使用，大大简化了本组合电机的结构，有利于缩小其轴向尺寸，另一方面，由于减速轴承5中相邻两列的滚动体轮轴相互独立并沿固定于中间行星架16上，这种结构形式有效缩短了单根滚动体轮轴的长度，因此其结构刚度较强，同时，中间行星架16可采用刚度较大的结构形式，其可近似视为刚体，确保各滚动体轮轴与中间行星架16连接的轴段与内圈13轴线平行，因此，每列滚动体轮轴受力后产生的偏移量不会累计到下一列的滚动体轮轴上，最终避免滚动体轮轴因偏移量过大产生干涉或卡死。

本实施例中，所述减速轴承5还包括由滚动体轮轴驱动的输出行星架20；所述输出行星架20与所述内圈13转动配合，该可转动配合位置可设置滑动轴承或者滚子实现，本减速轴承5的内圈13在装配后可由输出行星架20顶紧并进行轴向限位，而由于减速轴承5在运转时，其内圈13的转速将高于输出行星架20的转速，因此，内圈13端面与输出行星架20之间可设置滑动轴承实现可转动配合，或者在内圈13与输出行星架20端面上设置滚道并安装滚珠实现转动配合，本实施例中，最左侧一列滚动体轮轴均连接于一保持行星架24，该保持行星架24能够进一步避免滚动体轮轴发生扭转。

本实施例中，所述外圈18沿周向设有减荷槽17且该减荷槽17分布于相邻两列滚动体15之间，外圈18通过减荷槽17分隔为多个能够独立变形的外圈18节段，每个外圈18节段与单独一列滚动体15配合传动，当滚动体15的直径存在误差时，外圈18能够协调变形并与各列滚动体15紧密配合。

本实施例中，每列所述滚动体15沿内圈13周向均匀分布有多个且相邻两列滚动体15沿周向均匀交错设置，本实施例中，每列滚动体15为6个，相邻两列滚动体15沿周向偏转30°，这种布置方式能够提高滚动体15沿内圈13周向的密度，使外圈18的受力与变形更均匀，传动更平稳。

本实施例中，所各所述子电机的转子7轴向两侧分别设有一个定子3，所述定子3包括定子3铁芯以及沿定子3铁芯周向分布的多个凸极4；所述转子7包括转子支撑和磁瓦2，所述转子支撑至少包括外套于所述定子3的筒状翼缘，所述磁瓦2固定于筒状翼缘内圆并与所述凸极4配合，转子支撑为T型截面圆盘体，并包括用于包容转子7的筒形翼缘以及一体成型于翼缘内的腹板，所述磁瓦2设有两列固定于翼缘内壁并分列于腹板两侧，位于所述转子7轴向两侧的定子3之间的凸极4沿周向交错设置，从而可以实现两个独立的电气驱动的定子3施加在转子7上的电磁力矩波动相互补偿，减少作用在转子7上的总和扭矩波动，由于现有的永磁电动机的转矩即使采用PWM正弦调制方法，仍不可避免转矩波动，势必造成振动噪声，若每列电机采用左右双定子3并对应不同的转子77磁极位置，周向上相互错开一个电相位，这样双定子3施加在同一个转子7上的最大和最小转矩相互补偿，就可大大减少作用在转子7上总和转矩的波动，提高其运转的平稳性，避免振动噪声。

本实施例中，所述子电机为三个，并分别为电机极对数依次减少的左列电机6、中列电机8和右列电机9，所述左列电机6和中列电机8中均具有减速轴承5且左列电机6内的减速轴承5的传动比大于中列电机8内减速轴承5的传动比，左列电机6极对数较多且配一个减速比较大的减速轴承5，将适于低速；中列电机8极对数适中且配一个减速适中的减速轴承5，将适于中速；右列电机9极对数少直接输出至减速器10，将适于高速，这类似三缸发动机，当需要很大转矩时，不追求效率，三个电动机可同时工作；当转矩需求不大时，可根据不同的转速，三个电机的“喷油量”(对应PWM脉宽调制的驱动电压)不同，甚至功效较低的某列电机可不工作，只让功效最高的那列电机工作。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：包括轮毂、多级定转子电机、制动器、以及用于将所述多级定转子电机的动力传递至轮毂的减速器；

所述多级定转子电机包括至少两个具有独立定子和转子的子电机，其中至少一个子电机的定子内设有用于支承转子并将转子动力输出的减速轴承；各所述子电机的输出端传动连接并将动力输出至所述减速器输入端。

2.根据权利要求1所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述减速轴承包括与子电机的转子传动连接的内圈、固定于定子的外圈和滚动体；所述内圈、外圈和滚动体共同形成行星牵引传动轮系并分别对应作为行星牵引传动轮系的太阳轮、外圈和行星轮；所述滚动体通过摩擦传动的方式与内圈和外圈配合。

3.根据权利要求1所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述制动器的制动力作用于所述减速器输入端之前的传动路径上。

4.根据权利要求1所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述制动器包括制动钳以及可拆卸或一体式设置于所述多级定转子电机的转子上的制动盘。

5.根据权利要求2所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述减速轴承的滚动体沿轴向设有至少两列；相邻两列所述滚动体之间设有用于连接滚动体轮轴的中间行星架。

6.根据权利要求2所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述减速轴承还包括由滚动体轮轴驱动的输出行星架；所述输出行星架与所述内圈可转动配合。

7.根据权利要求5所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述外圈沿周向设有减荷槽且该减荷槽分布于相邻两列滚动体之间。

8.根据权利要求5所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：每列所述滚动体沿内圈周向均匀分布有多个且相邻两列滚动体沿周向均匀交错设置。

9.根据权利要求1所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：各所述子电机的转子轴向两侧分别设有一个定子，所述定子包括定子铁芯以及沿定子铁芯周向分布的多个凸极；所述转子包括转子支撑和磁瓦，所述转子支撑至少包括外套于所述定子的筒状翼缘，所述磁瓦固定于筒状翼缘内圆并与所述凸极配合。

10.根据权利要求1所述的多级定转子组合式电动轮总成，其特征在于：所述子电机为三个，并分别为电机极对数依次减少的左列电机、中列电机和右列电机，所述左列电机和中列电机中均设有减速轴承且左列电机内的减速轴承的传动比大于中列电机内减速轴承的传动比。