CN106961194A - 电动车用Halbach双转子自滑行宽调速永磁轮毂电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动车用Halbach双转子自动滑行宽调速范围高效率永磁轮毂电动机，它包括桶形内外转子、内外二层电枢绕组的可转动的定子、特殊结构的二个端盖、充分利用永磁吸引力和超越离合器相配合的自动滑行结构、利用电磁离合器的双加力结构、无线传输位置传感器信号的设计、分段式调速设计、Halbach阵列永磁设置、新颖的散热设计等再融合我的另一专利“自滑行电动机智能巡航和PWM与SVPWM控制转换”就成为一种无与论比的轮毂电动机。

Description

电动车用Halbach双转子自滑行宽调速永磁轮毂电动机

技术领域

本发明属于新能源电动汽车领域，具体的就是涉及一种电动车用Halbach阵列双转子双加力自动滑行宽调速高效永磁轮毂电动机

背景技术

目前人们都认识到发展新能源汽车改善环境污染是大势所趋，势在必行。

但是，现有技术中，电动汽车驱动用的电机存在着诸多问题：1、电机中置存在着整体复杂、笨重、传递耗能大效率难提高；2、虽有不少志士仁人的专利轮毂电机，但综观之，在有效地轮毂空间体积内使电机功率最大、效率最高、节能最优、噪声最低、调速范围最宽等方面还有不少发展提高的空间；3、本人的200820178396.9的无定子自滑行电机专利由于目前无位置传感器技术尚存在着启动困难的问题，使自滑行技术在制造工艺上存在一定的困难；4、电机的调速范围太窄，当然可以采用磁极内置的方式，利用交轴Xq和直轴Xd之差的关系，控制磁阻转矩产生的弱磁效应以提高转速，但双转子难以实现磁极内置，且磁极内置也会使磁极增重，从而增加损耗和带来其他相关的问题；5、轮毂的空间体积有限，要提高电机的功率很困难，其中一个问题就是散热难，特别是双转子电机或双定子电机散热就更难，为此不少电机采用了水冷散热，但这样又增加了水系装置及密封问题，使电机复杂化；6、由于永磁体本身的固有缺陷，高剩磁密度的永磁往往工作温度较低，因此在使用高剩磁密度的磁体以提高输出转矩时受到了限制，因此急需要一种提高气隙磁密的办法，以提高电机的输出转矩；7、要想使电动车的电机边置在轮毂内低速直接驱动，因轮毂的空间有限提高电机的功率成为难题，普通电机的功率与电机的体积成正比，同功率的低速电机所需体积更大，这造成轮毂空间与电机功率设计上的矛盾；8、在运用自滑行技术时，最简单有效的办法是采用越越离合器，但超越离合器其实就是单向轴承，这种轴承不能使电机反转，也就是使用超越离合器不能使电机双向加力、双向转动，这造成了电动车只有进路没有退路；9、目前的电动汽车，电动机与汽车轮轴之间工件装卸繁杂且工件易损坏；10、节能增效是电动机的重中之重，也是今后此行业的发展方向，但是目前电动汽车用电动机尚无有效地节能措施，或对节能重视不够，或虽知之却固执偏见不予采纳。

发明内容

本发明的目的在克服以上各种现有技术的不足，提供一种电动汽车用采用Halbach阵列永磁的双转子无线传输位置信号的能够双向加力的自动滑行、能简单有效解决散热问题的分段式宽调速范围的轮毂电动机。为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种电动汽车用新型的轮毂电动机，它包括Halbach阵列的永磁体组合分别表帖于外转子的内表面和内转子的外表面，Halbach阵列可以是二联90°结构，也可以是三联60°结构，还可以是四联45°结构；定子可以按需要转动，定子上有二层电枢线圈，分别置于铁心的内外槽内，槽内电枢线圈采用分段式连接于机内调速控制器，在定子外侧设有电磁离合器，在内转子内的中空轴上设置有环形电刷接线器，当然环形电刷和接线器也可以设置在电机端盖外的定子露出端的中空轴上，在无定子露出端的端盖外侧设置有轮毂连接板，定子载筒是一个比较特殊的结构，它既是外转子的承载体又是超越离合器的承接体还是电机重量最大部分的电枢绕组及铁心的承载体，更是电枢热量外传递的重要通道，它是由铁和导热金属或石墨贴合而成的，它的筒体部分可以是栅状插入铁心的中心孔内；电枢铁心可以是中间带孔的内外一体的硅钢片叠压而成，也可以是由二部分组成，分别置于定子载筒的内外二侧，电枢铁心的硅钢片的磁性质量是Halbach阵列双转子成败的关键之一；绕组转换调速板可以在定子载筒内也可以在定子载筒外，定子载筒是该调速板的散热器；中空轴的空心孔径与汽车轴相配合，它是电机的中心轴，也是汽车的连接轴，电机在汽车轴上推进或退出即可，方便有效，中空轴内孔的一端设有键槽，方便与汽车轴配合连接，另一端有走线套，方便电机接线的内外连接；所述电机的散热问题，采取了六方面的措施：一是电枢绕组设计，尽量增大导线的截面积，减少端面上的导线的无效长度，达到尽量减少绕组电阻的目的；二是采用高磁感低铁损的硅钢片以及对硅钢片的特殊处理，尽量减少铁心的重量和减少铁心的磁滞损失和涡流损失；三是由于采用了Halbach阵列，减少了永磁轭铁的重量，在外转子外侧和内转子内侧贴合有导热金属或石墨；四是在外转子的机体上电机两端的端盖上打孔铆焊上许多内外导通的导热金属块或石墨，五是在定子载筒上贴合导热金属或石墨在载筒外部采用隆起结构；六是改进轮毂的结构，把原来的平端面轮辐，改为倾斜角度鼓泡式轮辐，利用这种结构自成风扇；所述电机选择了最优化的极槽配合，所述电机的位置传感器的位置信号由无线转换器控制，通过信号输出口输出无线信号，由信号接收器收到后转换成有线信号传输给电子控制器，从而简化了自动滑行的装置，所述电机巧妙地实现了自动滑行，并通过电磁离合器实现了双向加力运转。

本发明的优点在于：

1、充分利用轮毂的内部空间，使电动机的单位体积功率达到最大值。

2、位置传感器的位置信号采用无线传输的方法，解决了电刷和接线器制作难的问题，只需要三条相线一条电源线一条地线和一条控制线即可，简单可靠。

3、Halbach永磁阵列使得：一是增加了气隙磁密和气隙的面积，增大了同体积电机的功率；二是减少了磁轭的厚度和能量的损失；三是改善了气隙磁密的波形，有利于降低电机的噪声和提高电机效率。

4、分段式调速保证了：一是增大了汽车启动、加速、爬坡、越障等情况电机的输出转矩和汽车的机动性，二是增大了电机的调速范围；三是提高了调速时的恒功率能力。

5、所述电机电枢绕组选择了最优化的槽极配合，既减少了能量损失又抑制了电机的噪声。

6、在各个可能的层面上都采取了相应的散热措施，处心积虑简单有效，使电机的效率大有提高。

7、中空轴的设计使电机与汽车的连接、保养、检修都非常方便。

8、巧妙利用超越离合器的自滑行技术大幅的提高了电机的效率。

9、这种电动机用于电动汽车的二轮或四轮驱动可使汽车转弯更灵活，甚至可实现原地转动。

10、电机在自滑行的基础上增加了双加力系统，使电机实现正反转。

附图说明

图1为整体结构示意图

图2为电机轮毂安装端和中空轴键槽示意图

图3为电机轴内端和中空轴走线套示意图

图4为新型轮毂轮辐示意图

图中，(1)中空轴、(2)内转子轴承、(3)内转子、(4)内转子Halbach磁钢、(5)外转子轴承、(6)定子载筒、(7)右端盖、(8)外转子、(9)定子铁心、(10)外转子Halbach磁钢、(11)定子外电枢、(12)左端盖、(13)定子内电枢、(14)定子端盖、(15)电磁离合器、(16)超越离合器、(17)分段式绕组转换板、(18)无线转换器、(19)电刷、(20)接线器、(21)信号输出器、(22)信号接收器、(23)轮毂连接板、(24)定位装置、(25)键槽、(26)连接轮毂螺栓、(27)中空轴内腔、(28)走线套、(29)轮毂、(30)鼓式轮辐

具体实施方式

下面结合所有附图对本发明作进一步说明：本实施例所述电动车用轮毂电动机有以下部分组成：

1、装配中心轴部分，它包括中空轴(1)、键槽(25)、连接轮毂螺栓(26)、走线套(28)、定位装置(24)，中空轴(1)内腔(27)内有键槽(25)和走线套(28)，键槽(25)与汽车轮轴上的键槽紧密配合，也可以采用花键式配合，走线套(28)在中空轴(1)的另一端与键槽(25)等宽，走线套(28)内是各种连接导线，此导线通过卡扣插拔件等与外部连接，这样电机与汽车轮轴之间通过键槽推进拉出即可，简单、方便。

2、双转子结构和Halbach阵列部分它包括内转子(3)、外转子(8)，内转子Halbach磁钢(4)、外转子Halbach磁钢(10)、右端盖(7)、左端盖(12)、内转子轴承(2)、外转子轴承(5a)、(5b)、外转子(8)的内侧表贴Halbach磁钢(10)，内转子(3)的外侧表贴Halbach磁钢(4)，Halbach磁钢采用分块式结构，它可以是二联90°结构，也可以是三联60°结构，还可以是四联45°结构，根据电机的性能指标选择不同的结构

3、可转动的定子及其结构支撑部分，它包括定子铁心(9)、定子载筒(6)、)、定子外电枢(11)、定子内电枢(13)、定子端盖(14)、右端盖(7)，定子铁心(9)的轴向中间有孔，定子载筒(6)是栅状的，每个栅条紧配合穿过定子铁心(9)的轴向中心孔，当然定子载筒(6)也可以是整体的，但此时定子铁心(9)分内外二层，在定子载筒(6)的内外分别装配，定子铁心(9)的内外两端设槽，槽内设定子外电枢(11)和定子内电枢(13)，槽口用磁性楔条密封以降低噪声。定子铁心(9)的内外两端的线槽采用同角度等积或不等积设计，定子外电枢(11)和定子内电枢(13)采用切向绕制或径向绕制。

4、自滑行系统包括超越离合器(16a)、(16b)、电刷(19n)、(19w)、接线器(20n)、(20w)、外转子轴承(5a)、(5b)，通过定子载筒(6)和定子端盖(14)与轴承(5a)、(5b)及超越离合器(16a)、(16b)连接，电机内外电路的连接是由中空轴(1)上的环形电刷(19n)、(19w)和定子载筒(6)上的接线器(20n)、(20w)完成的，环形电刷(19)和接收器(20)既可以电机内侧也可以在电机外侧。

5、电机正反转双加力系统，包括超越离合器(16a)、(16b)、电磁离合器(15)和定子端盖(14)；电磁离合器(15)的动静二部分分别安装在定子端盖(14)和中空轴(1)上，在电机需反转时电磁离合器(15)启动，锁住定子，超越离合器(16)失效，在电机正转时超越离合器(16)启动，电磁离合器(15)失效，电磁离合器(15)可以是摩擦式、齿轮式、钎插式或舌簧式等。

6、位置传感器信号的无线传输系统，它包括电刷(19)、接收器(20)、信号输出器(21n)、(21w)、信号接收器(22n)、(22w)、无线转换器(18n)、(18w)；电刷(19)和接收器(20)为无线转换器(18)提供电源，信号输出器(21n)、(21w)固定在定子载筒(6)的内侧或外侧，位置信号接收器(22n)、(22w)固定在中空轴(1)上，可在电机内也 可以在电机外，位置信号无线转换器(18n)、(18w)安装在定子载筒(6)的内侧或外侧，无线信号可以是电磁波、红外波或者超声波。这种无线传输传感器位置信号的方法是基于目前无位置传感器技术尚不完善的情况下的无奈之举，当电机启动运转后，可转换成无位置传感器模式。若无位置传感器技术一旦成熟，此无线传输的方法即可停用，而且对其他性能无影响。

7、电机的散热系统包括外转子(8)、内转子(3)、右端盖(7)、左端盖(12)、定子载筒(6)、定子端盖(14)和轮毂的鼓式殻肋(30)；具体实施方法为右端盖(7)、左端盖(12)、外转子(8)、内转子(3)、定子端盖(14)均为双层结构，内层为保证机械性能的铁质金属，外层为热导性金属或石墨，而且在内层铁质金属上开设许多通透的孔洞，在这些孔洞中铆焊上热导金属或石墨，使外层热导性金属或石墨直接接触电机内部空间。定子载筒(6)设计为栅状，栅条为工字形，在工字的两侧敷设热导金属或石墨，并通过热导涂料与定子端盖(14)上的热导金属或石墨连接；改变轮毂的结构，把原来平端面的轮辐改为倾斜角度的鼓式轮辐(30)，使轮毂起到风扇降温的作用。另外，电枢绕组尽量增大槽满率以增大导线的截面积，尽量减少定子铁心(9)上线槽端面上导线的无效长度，采用高磁感低铁损的高质量硅钢片，并对硅钢片进行二次处理等，以最大限度地降低定子铁心的磁滞损耗和涡流损耗。

8、分段式绕组结构扩大调速范围，包括定子外电枢(11)、定子内电枢(13)、分段式绕组转换板(17)，定子外电枢(11)和定子内电枢(13)中的电枢线圈采用分段式绕制，转换控制信号通过转换板(17)控制定子外电枢(11)和定子内电枢(13)的分段绕组实现绕组的串联或并联，也控制绕组实现星形接法和角形接法的转换，通过改变绕组的结构实现不同段的转速，分段式绕组转换板(17)在定子载筒(6)上的定子端盖(14)的内侧。

9、降噪系统包括定子铁心(9)和内外转子Halbach磁钢(4)(10)，定子铁心(9)内外两端的槽与内外转子Halbach磁钢(4)(10)的极数采用30/34配合，其LCM值为510，绕组系数为0.936，三相四相带，也可以选择开关33/38，配合，其LCM值为1254，绕组系数为0.928，三相五相带，定子铁心(9)上的线槽采用斜槽并且槽口用磁性楔条密封，以上选择，电动机不仅能降低噪声而且还能减少热量的产生。

Claims (10)

1.一种电动汽车用轮毂电动机，其特征在于：所述电动机包括Halbach阵列永磁双转子结构、巧用超越离合器的自滑行装置、利用电磁离合器的双加力结构、位置传感器位置信号的无线传输方式、扩大电机调速范围的分段式调速方法，物尽其用的多层面散热方法、简单实用的装配中心轴、可以转动的定子及其支撑结构和极槽的优化配合等。所述Halbach阵列永磁双转子包括内转子(3)、外转子(8)、内转子Halbach磁钢(4)、外转子Halbach磁钢(10)、右端盖(7)和左端盖(12)、内转子轴承(2)、外转子轴承(5a、5b)，所述可转动的定子及其支撑包括定子铁心(9)、定子外电枢(11)、定子内电枢(13)、定子载筒(6)、定子端盖(14)、右端盖(7)；所述自动滑行装置包括超越离合器(16a)、(16b)、电刷(19)、接线器(20)、外转子轴承(5a)、(5b)；所述位置传感器位置信号无线传输包括信号输出器(21)、信号接收器(22)、无线转换器(18)；所述装配中心轴包括中空轴(1)、键槽(25)、连接轮毂螺栓(26)、走线套(28)、定位装置(24)；所述绕组分段式扩大调速范围的装置包括定子外电枢(11)、定子内电枢(13)、分段式绕组转换极(17)；所述散热设计包括外转子(8)、内转子(3)、定子端盖(14)、右端盖(7)、左端盖(12)、定子载筒(6)、轮毂鼓式毂助(30)；所述双加力结构包括超越离合器(16a)、(16b)、电磁离合器(15)和定子端盖(14)；所述自滑行装置包括外转子轴承(5a)、(5b)、定子载筒(6)、定子端盖(14)、超越离合器(16a)、(16b)、电刷(19n)、(19w)、接线器(20n)、(20w)。

2.根据权利要求1年述的轮毂电机，其特征在于：装配中心轴的中空轴(1)的内腔(27)、键槽(25)与汽车轮轴上的键槽紧密配合，也可以采用花键式配合，而中空轴(1)的另一端的走线套(28)与键槽(25)等宽，装配时走线套(28)从汽车轴上的键槽中通过，走线套(28)中的连接内外电路的各种导线通过卡扣与外界连接。

3.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：Halbach阵列双转子结构，双转子中的外转子(8)的内侧表贴有Halbach磁钢(10)，内转子(3)的外侧表贴有Halbach磁钢(4)，Halbach磁钢是分块式结构，可以是二联90°结构，也可以是三联60°结构，还可以是四联45°结构。内外转子由右端盖(7)、左端盖(12)、内转子轴承(2a)、(2b)、外转子轴承(5a、5b)支撑连接，而轮毂连接板(23)就装配在右端盖(7)上，与汽车轮毂连接。

4.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：可转动的定子及其支撑结构中，定子铁心(9)的轴向中间有孔，定子载筒(6)是栅状的，每个栅条都紧配合穿过定子铁心(9)的轴向中心孔，当然定子载筒(6)也可以是整体的，但此时定子铁心(9)分内外二层，在定子载筒(6)的内外分别装配。定子铁心(9)的内外两端设槽，槽内设定子外电枢(11)和定子内电枢(13)，槽口用磁性楔条密封。

5.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：电机自滑行装置通过定子载筒(6)和定子端盖(14)与轴承(5a)、(5b)及超越离合器(16a)、(16b)连接，电机内外电路的连接是由中空轴(1)上的电刷(19n)、(19w)和定子载筒(6)上的接线器(20n)、(20w)完成的，电刷(19)和接线器(20)既可以在电机内侧也可以在电机外侧。

6.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：电机的双加力结构是在中空轴(1)和定子端盖(14)上分别安装了电磁离合器(15)的动、静二部分，电磁离合器可以是摩擦式、齿轮式、钎插式或舌簧式等，电磁离合器(15)实现了反向加力，超越离合器(16a)(16b)实现正向加力。

7.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：无线传输位置传感器的位置信号输出器(21n)、(21w)固定在定子载筒(6)的内侧或外侧，信号接收器(22n)、(22w)固定在中空轴(1)上，既可以在电机内也可以在电机外，位置信号无线转换器(18n)、(18w)安装在定子载筒(6)的内侧或外侧，无线信号可以是电磁波、红外波或者超声波。这种位置传感器信号无线传输的方法是在目前无位置传感器技术尚不够完善的情况下使用的，主要是目前无位置传感器在电机启动和低速时不能识别或不能正确识别所处的位置而造成不能启动或误启动，当电机启动运转后，电机可以自动转换至无位置传感器状态。等将来该技术成熟后，无线传输的方法可自行停止使用，而且对其他性能无影响。

8.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：电机采用多层面散热方法，右端盖(7)、左端盖(12)、外转子(8)、内转子(3)、定子端盖(14)的内外均为双层结构，内层为保证机械性能的铁质金属，外层为热导性金属，如铝、铜、石墨等，而且，在内层铁质金属上设有许多通透的孔洞，这些孔洞再铆焊上热导性金属或石墨，内外相通。定子载筒(6)的中间是铁，其内外是热导性金属或石墨贴合而成，内转子(3)在轭铁的内侧贴合热导性金属或石墨，而且装配时，使其热导性金属或石墨与端盖上的热导性金属相连接，轮毂(29)上的轮辐作成鼓式轮辐(30)。

9.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：分段式调速中定子外电枢(11)和定子内电枢(13)中的电枢线啳采用分段式绕组绕制，在分段式绕组转换板(17)的控制下，实现绕组的串并联和星形连接角形连接的转换，分段式绕组转换板(17)在定子载筒(6)上的定子端盖(14)的内侧。

10.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：定子铁心(9)内外两端的槽与内外转子Halbach磁钢(4)、(10)的极采用30/34配合或33/38配合。