CN106533097B - 强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机 - Google Patents

强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于电动车电机技术领域，具体涉及一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，包括定子、右转子、左转子、轴、挡板、密封套筒、定位套筒、冷却机构，定子通过键安装在轴肩，左转子和右转子通过轴承支撑在轴两端，挡板通过螺栓压紧镶嵌在定子凸极U型槽中的永磁体和缠绕在定子凸极上的电枢绕组，定位套筒空套在挡板和支撑转子轴承之间的轴上，限定定子和转子之间的轴向距离，左、右转子与密封套筒通过螺栓密封连接，轮毂电机和轮辋通过螺栓固定连接，冷却机构安装在轴一端，冷却机构中冷却泵与左侧转子通过螺栓密封连接，本发明解决了轮毂电机制造成本高、控制难、散热差、轻量化程度低、输出转矩不足，启动转矩波动大、维修困难等问题。

Description

强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机
技术领域
本发明属于电动车电机技术领域，具体涉及一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，用于多轮驱动的纯电动汽车。
背景技术
近年来，随着石油资源的紧缺以及环境污染问题日益突出，普通燃油汽车的使用成本高，同时对环境污染严重，特别是空气污染，雾霾的产生与燃油汽车的排放密切相关，而雾霾天气严重影响人们的身心健康和生活质量，所以世界各大企业和科技公司都在积极研制、开发节能环保的新能源汽车，尤其是电动汽车。我国对电动汽车的研究比较晚，对电动汽车的电动轮的研究就更少了，我国对电动轮的研究主要在电动自行车上。但是近几年随着国家“863”计划电动汽车课题研究的深入，各高校和研究所对轮毂电机的研究有所加强。
电动汽车轮毂电机是一种将电动机、传动系统和制动系统融合在一起的轮毂装置。但受车轮内部空间和结构尺寸的限制，使驱动电机、制动系统、减速机构、控制系统的合理布置增加了难度。同时，轮毂电机的使用增加了汽车非簧载质量，这对车辆的操纵稳定性、平顺性和舒适性产生不利的影响，而且车辆在大负荷低速爬长坡工况下，容易出现冷却不足导致轮毂电机过热烧毁的问题。
因此，发明一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，采用液体冷却、结构简单、轻量化程度高的三相交流轮毂电机，可以快速将轮毂电机产生的热量扩散到空气中，克服轮毂电机因功率加大、扭矩增加等超负荷工作导致其温度过高无法正常运行的缺点，确保电动汽车在行驶过程中安全性。同时，尽可能的减轻轮毂电机的重量，来改善车辆的操纵稳定性、平顺性和舒适性。
发明内容
本发明涉及一种结构简单、操作容易、散热好、输出转矩大、功率密度强、调速范围宽以及轻量化程度高的强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，解决了轮毂电机制造成本高、控制难、散热差、轻量化程度低、输出转矩不足，启动转矩波动大、维修困难等问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，包括定子12、右转子10、左转子11、轴2、挡板9、密封套筒7、定位套筒13、冷却机构；定子12通过键14固定连接在轴2，右转子10和左转子11通过轴承8支撑在轴2，左转子11通过螺栓密封连接在密封套筒7左侧，右转子10通过螺栓密封连接在密封套筒7右侧，挡板9通过螺栓压紧镶嵌在定子凸极12-1的永磁体和缠绕在定子凸极12-1上的电枢绕组16，定位套筒13空套在轴2上挡板9和轴承8之间，定位套筒13一端与挡板9一侧接触，另一端与轴承8内圈一侧接触，用于定位定子12和左、右转子之间的轴向间距，冷却机构安装在轴2的一端；
定子12包括定子凸极12-1、环形凸台12-2、流通孔12-3、冷却腔15，定子12为圆盘状结构，通过键14固定连接在轴肩2-1，U型槽结构的定子凸极12-1沿定子12外圆端面圆周方向等角度分布，永磁体镶嵌在定子凸极12-1的U型槽中，相邻定子凸极12-1之间的扇形槽布置电枢绕组16，电枢绕组16缠绕在定子凸极12-1突出定子幅板的部分；定子12中定子幅板轴向宽度小于定子凸极12-1，在定子幅板左、右两侧有对称的环形凸台12-2，环形凸台12-2有凸台螺纹孔9-1，定子幅板上环形凸台12-2内径与轴孔外径之间有流通孔12-3，环形凸台12-2结构尺寸不会影响电枢绕组16和永磁体17的安装；
转子包括右转子10、左转子11、右转子凸极10-1、螺纹孔10-2、左转子凸极11-1、隔磁孔11-2、轴承座孔11-3，右转子10和左转子11都为圆盘状结构，右转子凸极10-1成矩形结构沿圆周方向等角度分布在右转子10外径边缘一侧，隔磁孔11-2沿径向对称分布在右转子凸极10-1两侧，防止电枢绕组16和永磁体17产生的磁通沿右转子10径向泄露；左转子凸极11-1成矩形结构沿圆周方向等角度分布在左转子11外径边缘一侧，隔磁孔11-2沿径向对称分布在左转子凸极11-1两侧，防止电枢绕组16和永磁体17产生的磁通沿左转子11径向泄露，左转子11上沿圆周方向等角度分布密封螺孔3-1，冷却泵3与左转子11通过穿过左转子11上密封螺孔3-1和冷却泵3外壳上密封螺孔3-1的螺栓密封连接；左转子11通过穿过螺纹孔10-2的螺栓密封连接在密封套筒7左侧，右转子10通过穿过螺纹孔10-2的螺栓密封连接在密封套筒7右侧。
挡板9包括凸台螺纹孔9-1、凸齿9-2，挡板9为非导磁性材料制造，分别对称安装在定子12幅板左、右两侧，凸齿9-2通过穿过凸台螺纹孔9-1的螺栓压紧镶嵌在定子凸极12-1中U型槽的永磁体17和缠绕在定子凸极12-1上的电枢绕组16，挡板9和定子12幅板左、右两侧的环形凸台12-2通过穿过凸台螺纹孔9-1的螺栓密封连接形成冷却腔15。
轴2包括轴肩2-1、通孔2-2、流入通道2-3、流出通道2-4，电机定子12通过键14固定连接在轴肩2-1，通孔2-2沿对角线中心对称分布在轴肩2-1两侧，左侧通孔2-2轴线与流入通道2-3轴线相互垂直，右侧通孔2-2轴线与流出通道2-4轴线相互垂直。
密封套筒7包括安装孔7-1、螺纹孔10-2，螺纹孔10-2沿圆周方向等角度对称布置在密封套筒7左、右两侧，左转子11通过穿过左侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接，右转子10通过穿过右侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接；安装孔7-1轴向距离小于螺纹孔10-2，安装孔7-1沿圆周方向等角度对称布置在密封套筒7左、右两侧，安装孔7-1个数少于螺纹孔10-2，轮辋与轮毂电机通过穿过安装孔7-1的螺栓固定连接。
冷却机构包括流进管5、流出管6、冷却泵3、冷却箱4，冷却箱4上端通过流进管5与冷却泵3密封连接，冷却箱4下端与流出通道2-4密封连接，流出管6一端与冷却泵3密封连接，另一端与流入通道2-3密封连接，冷却泵3为齿轮式冷却泵，冷却泵3外壳有密封螺孔3-1，冷却泵3将冷却液经流出通道2-4泵到冷却箱4冷却，经冷却的冷却液通过流进管5进入冷却泵3，最终冷却液经冷却泵3和流入通道2-3进入定子12中的冷却腔15。
本发明的有益效果在于：首先轮毂电机定子、转子均采用双凸极结构，永磁体和电枢绕组均布置在定子，永磁体和电枢绕组产生的磁通轴向导通且并行分布互不干扰，电机容错性好、控制简易、鲁棒性好、制造工艺简单、输出转矩大；其次永磁体数量大量缩减使轮毂电机质量降低、结构紧凑、成本低廉，车辆平顺性、稳定性、舒适性明显提高；最后轮毂电机增加散热机构使得电机热量及时传播到空气中，使得轮毂电机冷却效果好，工作寿命长、稳定性强。
附图说明
图1是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的外观图；
图2是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的轴剖图；
图3是型强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机轴的结构图；
图4是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的定子结构图；
图5是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的密封套筒结构图；
图6是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的左转子结构图；
图7是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的右转子结构图；
图8是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的挡板结构图；
图9是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机的冷却机构结构图；
图10是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机工作位置1；
图11是强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机工作位置2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
如图1至图2，一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，包括轮胎1、轴2、轴肩2-1、通孔2-2、流入通道2-3、流出通道2-4、冷却泵3、密封螺孔3-1、冷却箱4、流进管5、流出管6、密封套筒7、安装孔7-1、轴承8、挡板9、凸台螺纹孔9-1、凸齿9-2、右转子10、右转子凸极10-1、螺纹孔10-2、左转子11、左转子凸极11-1、隔磁孔11-2、轴承座孔11-3、定子12、定子凸极12-1、环形凸台12-2、流通孔12-3、定位套筒13、键14、冷却腔15、电枢绕组16、永磁体17；定子12为圆盘状结构，通过键14固定连接在轴肩2-1，U型槽结构的定子凸极12-1沿定子12外圆端面圆周方向等角度分布，永磁体17镶嵌在定子凸极12-1的U型槽中，相邻定子凸极12-1之间扇形槽区布置电枢绕组16，电枢绕组16缠绕在定子凸极12-1突出定子幅板的部分；定子12中定子幅板轴向长度小于定子凸极12-1，在定子幅板左、右两侧有对称的环形凸台12-2，环形凸台12-2上有密封螺纹孔3-1，定子幅板上环形凸台12-2内径与轴径之间有流通孔12-3，环形凸台12-2结构尺寸不影响电枢绕组16和永磁体17的安装；挡板9中凸齿9-2通过穿过凸台螺纹孔9-1的螺栓压紧镶嵌在定子凸极12-1的永磁体17和缠绕在定子凸极12-1上的电枢绕组16，挡板9和定子12两侧的环形凸台12-2通过螺栓密封连接形成冷却腔15；左转子11通过轴承8支撑在轴2左端，右转子10通过轴承8支撑在轴2右端，左转子凸极11-1与定子凸极12-1轴向之间保持0.5-1mm间隙，右转子凸极10-1与定子凸极12-1轴向之间保持0.5-1mm间隙；左转子11通过穿过左侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接，右转子10通过穿过右侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接，通过穿过安装孔7-1的螺栓将轮毂电机与轮辋连接；冷却机构安装在轴2的一端，冷却箱4上端通过流进管5与冷却泵3密封连接，冷却箱4下端与流出通道2-4密封连接，流出管6一端与冷却泵3密封连接，另一端与流入通道2-3密封连接，冷却泵3为齿轮式冷却泵，冷却泵3将冷却液经流出通道2-4泵到冷却箱4冷却，经过冷却的冷却液通过流进管5进入冷却泵3，最终冷却液经冷却泵3和流入通道2-3进入定子12中的冷却腔15。冷却液在泵3作用下，在定子12中冷却腔15、轴2及冷却箱4之间循环流动，将电机工作过程中产生的热量传播到空气中。
如图3，轴2包括轴肩2-1、通孔2-2、流入通道2-3、流出通道2-4，电机定子12通过键14固定连接在轴肩2-1，通孔2-2沿对角线中心对称分布在轴肩2-1两侧，左侧通孔2-2轴线与流入通道2-3轴线垂直，右侧通孔2-2轴线与流出通道2-4垂直，左侧通孔2-2与流入通道2-3贯穿连接，右侧通孔2-2与流出通道2-4贯穿连接。
如图4，定子12包括定子凸极12-1、环形凸台12-2、流通孔12-3、冷却腔15，定子12为圆盘状结构，通过键14固定连接在轴肩2-1，U型槽结构的定子凸极12-1沿定子12外圆端面圆周方向等角度分布，相邻定子凸极12-1之间的扇形槽布置电枢绕组16，电枢绕组16缠绕在定子凸极12-1突出定子幅板的部分，永磁体17镶嵌在定子凸极12-1的U型槽中；定子12中定子幅板轴向宽度小于定子凸极12-1，在定子幅板左、右两侧有对称的环形凸台12-2，环形凸台12-2上有凸台螺纹孔9-1，定子幅板环形凸台12-2内径与轴径孔外径之间有流通孔12-3，环形凸台12-2结构尺寸不会影响电枢绕组16和永磁体17的安装。
如图5，密封套筒7包括安装孔7-1、螺纹孔10-2，螺纹孔10-2沿圆周方向等角度对称布置在密封套筒7两侧，左转子11通过穿过左侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接，右转子10通过穿过右侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接，安装孔7-1轴向距离小于螺纹孔10-2，安装孔7-1沿圆周方向等角度对称布置在密封套筒7左、右两侧，安装孔7-1个数少于螺纹孔10-2，轮辋与穿过安装孔7-1的螺栓固定连接。
如图6，左转子11为圆盘状结构，左转子凸极11-1成矩形结构沿圆周方向等角度分布于左转子11外径边缘一侧，隔磁孔11-2沿径向对称分布在左转子凸极11-1两侧，防止电枢绕组16和永磁体17产生的磁通沿左转子11径向泄露，左转子11上有密封螺孔3-1，冷却泵3与左转子11通过穿过左转子11上密封螺孔3-1和冷却泵3外壳上密封螺孔3-1的螺栓密封连接，左转子11与密封套筒7通过穿过密封套筒7上左侧的螺纹孔10-2的螺栓密封连接。
如图7，右转子10为圆盘状结构，右转子凸极10-1成矩形结构沿圆周方向等角度分布于右转子10外径边缘一侧，隔磁孔11-2沿径向对称分布在右转子凸极10-1两侧，防止电枢绕组16和永磁体17产生的磁通沿右转子10径向泄露，右转子10通过穿过螺纹孔10-2的螺栓密封连接在密封套筒7右侧。
如图8，挡板9包括凸台螺纹孔9-1、凸齿9-2，挡板9为非导磁性材料制造，分别安装在定子12左、右两侧，凸齿9-2通过穿过凸台螺纹孔9-1的螺栓压紧镶嵌在定子凸极12-1中U型槽的永磁体17和缠绕在定子凸极12-1上的电枢绕组16，挡板9和定子12幅板左、右两侧的环形凸台12-2密封连接形成冷却腔15。
如图9，冷却机构包括流进管5、流出管6、冷却泵3、冷却箱4，冷却箱4上端通过流进管5密封连接冷却泵3，冷却箱4下端密封连接流出通道2-4，流出管6一端和冷却泵3密封连接，另一端和流入通道2-3密封连接，冷却泵3为齿轮式冷却泵，通过穿过密封螺孔3-1的螺栓将冷却泵3与左转子11密封连接，冷却泵3将冷却液经流出通道2-4泵到冷却箱4冷却，最终经冷却泵3和流入通道2-3进入定子12中的冷却腔15。
本发明的工作原理是：一种车用强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机每相绕组的永磁磁链均为双极性，根据电磁感应原理，当电机转速稳定时电枢绕组16中所匝的永磁磁链按照理想的正弦变化，而电枢绕组16中的反电动势也是理想的正弦波。当电机右转子凸极10-1与两相邻的电机定子凸极12-1其中一齿对齐时，电机定子12中电枢绕组16的匝链磁通方向相反且达到最大。一种车用强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机每相电枢绕组16的磁场和永磁体17的磁场是并联关系，使得每相电枢绕组16的磁通没有穿过永磁体17，对永磁体17工作点的影响较小，不会造成永磁体17的不可逆退磁。因此，一种车用强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机适合做无刷交流电机进行弱磁控制，电机的调速或伺服控制可以通过磁场的定向矢量变换实现。
本发明的工作过程是：一种车用强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机按照磁通轴向切换的原理进行工作，工作过程中利用磁通切换形成旋转力矩，磁通的切换过程通过电机的定子铁芯和转子铁芯的展开模型来表述。电枢绕组16的匝链磁链方向为：当电机转子运动到如图10所示位置I时，从电枢绕组16经过定子凸极12-1到右转子凸极10-1；当电机转子运动到如图11所示的位置II时，从右转子凸极10-1经过定子凸极12-1进入电枢绕组16，左转子11和右转子10磁通切换过程一样。在电机转子从位置I到位置II的运动过程中，电枢绕组16的匝链磁通方向相反、大小相等。
在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种改进和变形，扩展后的轮毂电机也是本发明的保护内容。

Claims (5)

1.一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，包括定子(12)、右转子(10)、左转子(11)、轴(2)、挡板(9)、密封套筒(7)、定位套筒(13)、冷却机构；定子(12)通过键(14)固定连接在轴(2)，右转子(10)和左转子(11)通过轴承(8)支撑在轴(2)，左转子(11)通过螺栓密封连接在密封套筒(7)左侧，右转子(10)通过螺栓密封连接在密封套筒(7)右侧，挡板(9)通过螺栓压紧镶嵌在定子凸极(12-1)的永磁体和缠绕在定子凸极(12-1)上的电枢绕组(16)，定位套筒(13)空套在轴(2)上挡板(9)和轴承(8)之间，定位套筒(13)一端与挡板(9)一侧接触，另一端与轴承(8)内圈一侧接触，用于定位定子(12)和左、右转子之间的轴向间距，冷却机构安装在轴(2)的一端；
定子(12)包括定子凸极(12-1)、环形凸台(12-2)、流通孔(12-3)、冷却腔(15)，定子(12)为圆盘状结构，通过键(14)固定连接在轴肩(2-1)，U型槽结构的定子凸极(12-1)沿定子(12)外圆端面圆周方向等角度分布，永磁体镶嵌在定子凸极(12-1)的U型槽中，相邻定子凸极(12-1)之间的扇形槽布置电枢绕组(16)，电枢绕组(16)缠绕在定子凸极(12-1)突出定子幅板的部分；定子(12)中定子幅板轴向宽度小于定子凸极(12-1)，在定子幅板左、右两侧有对称的环形凸台(12-2)，环形凸台(12-2)有凸台螺纹孔(9-1)，定子幅板上环形凸台(12-2)内径与轴孔外径之间有流通孔(12-3)，环形凸台(12-2)结构尺寸不会影响电枢绕组(16)和永磁体(17)的安装；
转子包括右转子(10)、左转子(11)、右转子凸极(10-1)、螺纹孔(10-2)、左转子凸极(11-1)、隔磁孔(11-2)、轴承座孔(11-3)，右转子(10)和左转子(11)都为圆盘状结构，右转子凸极(10-1)成矩形结构沿圆周方向等角度分布在右转子(10)外径边缘一侧，隔磁孔(11-2)沿径向对称分布在右转子凸极(10-1)两侧，防止电枢绕组(16)和永磁体(17)产生的磁通沿右转子(10)径向泄漏；左转子凸极(11-1)成矩形结构沿圆周方向等角度分布在左转子(11)外径边缘一侧，隔磁孔(11-2)沿径向对称分布在左转子凸极(11-1)两侧，防止电枢绕组(16)和永磁体(17)产生的磁通沿左转子(11)径向泄漏，左转子(11)上沿圆周方向等角度分布密封螺孔(3-1)，冷却泵(3)与左转子(11)通过穿过左转子(11)上密封螺孔(3-1)和冷却泵(3)外壳上密封螺孔(3-1)的螺栓密封连接；左转子(11)通过穿过螺纹孔(10-2)的螺栓密封连接在密封套筒(7)左侧，右转子(10)通过穿过螺纹孔(10-2)的螺栓密封连接在密封套筒(7)右侧。
2.根据权利要求1所述的一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，其特征在于挡板(9)包括凸台螺纹孔(9-1)、凸齿(9-2)，挡板(9)为非导磁性材料制造，分别对称安装在定子(12)幅板左、右两侧，凸齿(9-2)通过穿过凸台螺纹孔(9-1)的螺栓压紧镶嵌在定子凸极(12-1)中U型槽的永磁体(17)和缠绕在定子凸极(12-1)上的电枢绕组(16)，挡板(9)和定子(12)幅板左、右两侧的环形凸台(12-2)通过穿过凸台螺纹孔(9-1)的螺栓密封连接形成冷却腔(15)。
3.根据权利要求1所述的一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，其特征在于轴(2)包括轴肩(2-1)、通孔(2-2)、流入通道(2-3)、流出通道(2-4)，电机定子(12)通过键(14)固定连接在轴肩(2-1)，通孔(2-2)沿对角线中心对称分布在轴肩(2-1)两侧，左侧通孔(2-2)轴线与流入通道(2-3)轴线相互垂直，右侧通孔(2-2)轴线与流出通道(2-4)轴线相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，其特征在于密封套筒(7)包括安装孔(7-1)、螺纹孔(10-2)，螺纹孔(10-2)沿圆周方向等角度对称布置在密封套筒(7)左、右两侧，左转子(11)通过穿过左侧的螺纹孔(10-2)的螺栓密封连接，右转子(10)通过穿过右侧的螺纹孔(10-2)的螺栓密封连接；安装孔(7-1)轴向距离小于螺纹孔(10-2)，安装孔(7-1)沿圆周方向等角度对称布置在密封套筒(7)左、右两侧，安装孔(7-1)个数少于螺纹孔(10-2)，轮辋与轮毂电机通过穿过安装孔(7-1)的螺栓固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种强制冷却式轴向磁场大功率轮毂电机，其特征在于冷却机构包括流进管(5)、流出管(6)、冷却泵(3)、冷却箱(4)，冷却箱(4)上端通过流进管(5)与冷却泵(3)密封连接，冷却箱(4)下端与流出通道(2-4)密封连接，流出管(6)一端与冷却泵(3)密封连接，另一端与流入通道(2-3)密封连接，冷却泵(3)为齿轮式冷却泵，冷却泵(3)外壳有密封螺孔(3-1)，冷却泵(3)将冷却液经流出通道(2-4)泵到冷却箱(4)冷却，经冷却的冷却液通过流进管(5)进入冷却泵(3)，最终冷却液经冷却泵(3)和流入通道(2-3)进入定子(12)中的冷却腔(15)。
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