CN106972732B - 一种磁齿轮复合轮毂电机和包含其的汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁齿轮复合轮毂电机和包含其的汽车，属于汽车传动技术领域。其中，该复合轮毂电机包括：轮毂；轮毂内部设置有轮毂支撑轴、磁齿轮减速传动装置和行星齿轮减速装置；磁齿轮减速传动装置，套设于轮毂支撑轴上，用于在通电时产生一旋转力，围绕轮毂支撑轴旋转；行星齿轮减速装置，行星齿轮减速装置，设置于磁齿轮减速传动装置和轮毂之间，且套设于磁齿轮减速传动装置上，与轮毂啮合连接，在旋转力的带动下围绕轮毂支撑轴旋转。本发明能避免汽车制动过程中产生的高温对磁齿轮永磁体性能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及汽车传动技术领域，特别涉及一种磁齿轮复合轮毂电机和包含其的汽车。
背景技术
在各种形式驱动的电动汽车中，轮毂电机将是电动汽车的最终驱动形式。轮毂电机的快速响应特性可提高电动汽车的动态控制能力，使汽车在驱动、制动、转向等多种工况下均具有较好的表现。轮毂电机不但可以进行防抱死控制、牵引力控制、转矩矢量控制，还可以进行主动平顺性控制，因此轮毂电机可以替代传统汽车底盘中绝大部分执行机构。目前，对轮毂电机来说，最重要的技术是将电动机、传动系统、制动系统和悬架系统共同嵌入到车轮中，而体积过大时轮毂电机电动汽车普及的一个障碍。近年来，国内外电机专家学者相继提出了多种不同结构的磁性齿轮传动装置，取得了一定的研究成果。
现有复合轮毂电机技术方案主要包括以下三种：第一种方案如图1(a)所示，X1-1为电机定子，电机外转子与轮毂相结合形成结构X1-2，永磁体X1-3嵌入轮毂内侧圆环中。第二种方案如图1(b)所示，在第一种方案的基础上增加了磁性齿轮减速装置，存在三层气隙，由两圈永磁体X2-1、调磁极块X2-2，磁齿轮内转子X2-3，电机外转子X2-4，磁齿轮外转子和轮毂相结合形成的结构X2-5组成。第三种方案如图1(c)所示，这种方案相对于第二种方案，将磁齿轮的内转子和电机外转子结合形成X3-1，使方案二中的三层气隙减少为两层。
上述现有复合轮毂电机技术均存在有不同程度的缺陷：
方案一无任何减速装置，车轮转速与电机相同，无法提供大的转矩；
方案二中增加了磁齿轮减速装置，但是这种方案具有三层气隙，电机结构及制造工艺复杂；而且大部分磁力线可以穿过这三层气隙，直接在永磁体的边缘或者转子轭部闭合，这些是电机的漏磁部分，对转矩的传输没有意义并产生功率损耗。
方案三将磁齿轮内转子与电机的转子永磁体相结合，磁齿轮的外转子与汽车轮毂相结合，轮胎直接置于磁齿轮外转子上变为两层气隙，该方案虽然较方案一和方案二进行了改进，但仍存在一定的缺陷，即：该方案采用磁齿轮外转子与轮毂相结合的结构，永磁体嵌入轮毂内侧圆环中，这种结构看似简化了系统结构，实则存在很大的性能隐患，特别是在制动时的产生的高温会对永磁体的性能产生严重的影响，从而影响轮毂电机的整体性能。
目前，磁性齿轮传动装置根据电机的转子型式主要分成两种：外转子型和内转子型。外转子结构为直接驱动轮毂结构，即转子直接带动轮毂旋转，因而转速较低，体积比较大；内转子结构型式则为间接驱动电机，转速高且通过行星齿轮机构实现减速，带动轮毂旋转，电机尺寸和重量较小，但机械齿轮箱的磨损和振动噪声使系统的效率有所降低。上述传统轮毂电机应用于电动汽车，具有各自的弊端，因此，开发新型的具有高效率、高功率、低速大转矩的电动车用轮毂电机成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种包括磁齿轮减速装置和行星齿轮减速装置两部分减速装置的复合轮毂电机，不仅能够简化制造工艺，减少永磁体用量，避免由磁齿轮内转子带来的震动和噪声，还能避免汽车制动过程中产生的高温对磁齿轮永磁体性能的影响。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种磁齿轮复合轮毂电机，包括：轮毂；轮毂内部设置有轮毂支撑轴、磁齿轮减速传动装置和行星齿轮减速装置，磁齿轮减速传动装置，套设于轮毂支撑轴上，用于在通电时产生一旋转力，围绕轮毂支撑轴旋转；行星齿轮减速装置，行星齿轮减速装置，设置于磁齿轮减速传动装置和轮毂之间，且套设于磁齿轮减速传动装置上，与轮毂啮合连接，在旋转力的带动下围绕轮毂支撑轴旋转。
根据本发明实施例的另一个方面，提供一种汽车，利用复合轮毂电机进行调速以驱动车轮。
本发明实施例提供的复合轮毂电机，通过将磁齿轮内转子与电机外转子组合共用，使传统的三层气隙结构变为两层气隙结构，依靠调磁环对磁场的调制作用传递转矩，简化了制造工艺；铁芯采用嵌入电机外转子和磁齿轮外转子的结构，减少了永磁体的用量，使得在转矩传递过程中所有的永磁体都能够参与转矩传递，有效地提高了永磁体的利用率。同时使用行星齿轮减速装置将磁齿轮外转子与轮毂隔离开，避免了由磁齿轮内转子带来的震动和噪声，同时也避免了汽车制动过程中产生高温对磁齿轮永磁体性能的影响。
附图说明
图1(a)是现有技术中第一种实施方式的复合轮毂电机的原理示意图；
图1(b)是现有技术中第二种实施方式的复合轮毂电机的原理示意图；
图1(c)是现有技术中第三种实施方式的复合轮毂电机的原理示意图；
图2是是本发明实施例提供的一种磁齿轮复合轮毂电机的剖面图；
图3是本发明实施例中行星齿轮减速装置的剖面图；
图4是本发明实施例提供的一种转矩传递方法的流程示意图。
附图标记：
X1-1、定子，X1-2、电机外转子与轮毂结合的结构，X1-3、永磁体，X2-1、环状永磁体，X2-2、调磁极块，X2-3、磁齿轮内转子，X2-4、电机外转子，X2-5、磁齿轮外转子与轮毂结合的结构，X3-1、电机外转子与磁齿轮内转子结合的结构，1-轮毂，2-轮毂支撑轴，21-第一中心轴段，211-第一台阶段，212-第二台阶段，213-第三台阶段，22-第二中心轴段，23-第三中心轴段，24-第四中心轴段，25-第五中心轴段，251-第四台阶段，252-第五台阶段，3-磁齿轮减速传动装置，31-定子，32-电枢绕组，33-电机外转子，34-磁齿轮外转子，341-太阳轮支撑轴，35-第一永磁体，36-调磁环，361-调磁极块，362-永磁体条，37-第二永磁体，38-第三永磁体，4-行星齿轮减速装置，41-太阳轮，42-行星齿轮，5-弹性组件，6-轮胎，7-容纳腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图2，本发明实施例的一种磁齿轮复合轮毂电机，包括轮毂1和设置在轮毂1内部的轮毂支撑轴2、磁齿轮减速传动装置3和行星齿轮减速装置4。
其中，磁齿轮减速传动装置3套设于轮毂支撑轴2上。磁齿轮减速传动装置3在通电时产生一旋转力，该旋转力使得磁齿轮减速传动装置3围绕轮毂支撑轴2进行旋转。
行星齿轮减速装置4套设于磁齿轮减速传动装置3上，且与轮毂1啮合连接。行星齿轮减速装置4在磁齿轮减速传动装置3的带动下围绕轮毂支撑轴旋转。本发明实施例通过两部分的减速装置(行星齿轮减速装置4和磁齿轮减速传动装置3)来增大转矩，并且行星齿轮减速装置4设置于磁齿轮减速传动装置和汽车的轮毂之间，还能够将磁齿轮减速传动装置中的磁齿轮外转子与汽车的轮毂1有效地隔离开，从而避免了汽车制动过程中轮毂升温对磁齿轮减速传动装置中永磁体性能的影响。
其中，磁齿轮减速传动装置包括：
定子31、电枢绕组32、电机外转子33、磁齿轮外转子34、第一永磁体35、调磁环36和第二永磁体37。
定子31、电机外转子33和磁齿轮外转子34，依序套设于轮毂支撑轴2上。
电枢绕组32，绕设于定子31上，用于在不同的电压下，产生相应的气隙磁场。
第一永磁体35、调磁环36、第二永磁体37，设置于电机外转子33和磁齿轮外转子34之间，以对气隙磁场进行调节，电机外转子33在气隙磁场与电机外转子33的外壁上嵌设的永磁体的相互作用下旋转，进而带动磁齿轮外转子34旋转。
具体地，电枢绕组32是围绕定子31的内壁和外壁缠绕，直至将整个定子31完全缠绕，从而保证与定子31接触的电机外转子33上嵌设的永磁体都能够参与转矩传递。定子31与现有技术中的结构相同，在此不再赘述。优选地，电枢绕组32由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，电枢线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在定子上设置的电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都需绝缘，并用槽楔压紧。采用电枢绕组32代替现有技术中的磁齿轮内转子，不但能够省去传统的磁性齿轮传动装置中的磁齿轮内转子，简化结构，还能够将传统的三层气隙磁场变为两层气隙磁场，另外，还能够实现通过改变通以电枢绕组32的交流电的电压大小和频率，从而得到不同的磁齿轮外转子34的旋转速度，进而实现车辆驱动车轮的调速。
可选地，为了保证转矩更好地传递，将定子31与轮毂支撑轴2无缝隙接触连接，二者之间紧密套接。
可选地，定子31与电机外转子32的侧壁之间还设置有一容纳腔7，该容纳腔7用于为绕设于定子31上的电枢绕组32提供容置空间。容纳腔7沿轮毂支撑轴2的中心轴方向的长度可设置为大致等于电枢绕组32的高度，以确保电枢绕组32能够有足够的空间，同时保证电枢绕组32产生的气隙磁场能够很好地传递至电机外转子33上的永磁体。
其中，第一永磁体35包括多个永磁体块，嵌设于电机外转子33的外壁。优选地，第一永磁体35是分布于电机外转子33的外壁上一周。
其中，第二永磁体37包括多个永磁体块，嵌设于磁齿轮外转子34的内壁。优选地，第二永磁体37是分布于磁齿轮外转子34的外壁上一周。
优选地，所有永磁体块的充磁方向一致。
其中，磁齿轮减速传动装置还包括：第三永磁体38，包括多个永磁体块，嵌设于电机外转子33的内壁。
其中，调磁环36包括：环状的调磁极块361，调磁极块的中心设置一永磁体条362。
本发明实施例的磁性复合轮毂电机还包括：弹性组件5，设置于磁齿轮外转子34上，用于连接磁齿轮外转子34上分别靠近轮毂支撑轴2的端和轮胎6的端。其中，弹性组件5两端通过螺纹连接在磁齿轮外转子34上设置轮胎6的一端和其靠近轮毂支撑轴2的一端，从而实现车辆减震。可选地，弹性组件5可以是弹簧，但本发明不以此为限。
其中，电机外转子33和磁齿轮外转子34都是通过轴承与轮毂支撑轴2固定连接。轮毂支撑轴2是整个磁齿轮减速传动装置的中心轴，具有第一中心轴段21、第二中心轴段22、第三中心轴段23和第四中心轴段24，具体地，第一、第二、第三和第四中心轴段的直径依次减小，定子31套设于第一中心轴段21上，电机外转子33套设于第二中心轴段22上，磁齿轮外转子34套设于第三中心轴段上，轮毂1套设于第四中心轴段24上，但本发明不以此为限。其中，轮毂1、电机外转子33和磁齿轮外转子34均是通过轴承与轮毂支撑轴2固定连接。
第一、第二、第三、第四中心轴段沿轮毂1轴向方向，由外至内的方向依次设置。
其中，第一中心轴段21的横截面形状为台阶状，其包括第一台阶段211、第二台阶段212和第三台阶段213，直径依次减小，第三台阶段213的长度与定子31的长度相等，能够正好将定子31限位在第二台阶段212突出于第三台阶段213的端面上，第一台阶段211的直径约等于磁齿轮外转子34的横截面高度，第一台阶段211主要对调磁环36起支撑作用。优选地，调磁极块与第一台阶段211的端面之间还设置有挡圈，用于对调磁极块起到定位作用，永磁体条穿过调磁极块和挡圈与第一台阶段211的端面接触。
轮毂支撑轴2还具有第五中心轴段25，第五中心轴段25上套设有磁齿轮外转子34，磁齿轮外转子34通过轴承固定连接在第五中心轴段25上。
其中，第五中心轴段25的横截面形状为台阶状，其包括第四台阶段251和第五台阶段252，第四台阶段251与第一中心轴段21的第一台阶段211一体连接。
磁齿轮外转子34具有一对突出于磁齿轮外转子34内表面的突出端，该两个突出端通过轴承固定连接在第五中心轴段25的第五台阶段252上。
本发明实施例的磁齿轮减速传动装置通过将永磁体内嵌于电机外转子上，从而省去了磁齿轮内转子结构，使用电机外转子代替磁齿轮内转子，不但能够使得改进后的电机外转子同时起到传统的电机外转子和磁齿轮内转子的作用，还能够达到简化复合轮毂电机结构的效果，从而简化复合轮毂电机的制造工艺。另外，将磁齿轮内转子用电机外转子代替，当电机外转子转动时，就可以依靠电机外转子内嵌的永磁体、磁齿轮外转子内嵌的永磁体和调磁环的调制作用带动磁齿轮外转子旋转，磁齿轮外转子进而带动与之相连接的太阳轮，太阳轮再带动行星轮，行星轮带动轮毂车轮旋转。
请参阅图2和图3，本发明实施例的行星齿轮减速装置包括太阳轮41和行星齿轮42。
在介绍行星齿轮减速装置之前，首先介绍一下磁齿轮外转子34的结构，磁齿轮外转子34上设置有一突出磁齿轮外转子34外表面的太阳轮支撑轴341，行星齿轮减速装置套设于太阳轮支撑轴上，行星齿轮减速装置在磁齿轮外转子34的带动下进行旋转。
具体地，太阳轮41，套设于太阳轮支撑轴341上，在磁齿轮外转子34的转动下做自转运动。太阳轮支撑轴341设置于磁齿轮外转子上且突出于磁齿轮外转子外表面。
行星齿轮42，设置于太阳轮41外周，与太阳轮41啮合，围绕太阳轮41做公转和自转运动。
其中，行星齿轮42与轮毂1的内表面啮合连接，该行星齿轮的中心轴插入轮毂1。
本发明实施例还提供一种汽车，该汽车是利用磁齿轮复合轮毂电机进行调速以驱动车轮。
本发明提出的一种磁齿轮复合轮毂电机包括了磁齿轮减速装置和行星齿轮减速装置两部分的减速装置。其中：磁齿轮减速传动装置部分采用了磁齿轮内转子和电机外转子组合共用的同心式结构(即将永磁体内嵌于电机外转子从而使得内嵌永磁体的电机外转子同时起到电机外转子和磁齿轮内转子的作用)，因此在转矩传递过程中所有的永磁体都能参与转矩传递，电机外转子和磁齿轮外转子中间装有调磁环，且电机外转子和磁齿轮外转子上采用嵌入永磁体的方式，以此实现对磁场进行调制的作用，有效地提高了永磁体的利用率和可靠性。行星齿轮减速装置部分采用了二级减速，太阳轮置于磁齿轮外转子的回转中心处，汽车轮毂的内表面为齿轮结构形式，与行星齿轮啮合。当磁齿轮外转子旋转时，带动太阳轮旋转，太阳轮进而带动行星轮旋转，从而带动汽车轮毂运动，并实现减速功能。
本发明通过将磁齿轮的一个内转子与电机的外转子组合共用，使得电机由传统的三层气隙结构变为两层气隙结构，另外，通过设置两部分的减速装置即磁齿轮减速和行星齿轮减速，增大了输出扭矩，有效地将磁齿轮外转子与轮毂隔离开，避免了制动过程中轮毂升温对磁齿轮永磁体性能的影响。
本发明实施例与传统的轮毂电机相比，具有有以下优点：
1.在结构上，通过将磁齿轮的一个内转子与电机的外转子组合共用，省去了磁齿轮内转子的结构，使得电机由传统的三层气隙结构变为两层气隙结构，简化了复合轮毂电机的结构和制造工艺，使磁齿轮复合轮毂电机易于制造，并提高电机的运行可靠性，减小了电机的体积。
2.在控制上，通以调磁环的磁场调制作用，改变通过绕组的电压大小以及频率从而实现不同的角速度ω1，进而得到不同的外转子旋转速度-ω2，以实现调速驱动车轮，并保持电机的恒压输出，改善电能质量。
3.通过改变铁芯嵌入结构，即使得电机外转子和磁齿轮外转子上的永磁体采用内嵌的结构，且使得所有永磁体的充磁方向一致。这种永磁体嵌入的结构减少了永磁体的用量，铁损以及涡流损耗。
4.由于电机外转子上分布了一圈的永磁体，所以能够实现提高转矩密度的技术效果。
5.通过对复合轮毂电机的改变，降低了永磁体磁力消耗，节省了电力消耗增加了车辆的续航能力。
6.采用磁齿轮减速装置和行星齿轮减速装置两部分的减速装置，增大了输出扭矩，有效地将磁齿轮外转子与轮毂隔离开，避免了制动过程中轮毂升温对磁齿轮永磁体性能的影响。
通过以上5点改进，实现了对传统磁性齿轮传动装置在结构和转矩密度、传动效率以及可靠性方面的优化，提高了磁性齿轮传动装置的输出特性和动态性能，将其应用于复合轮毂电机，实现车速驱动。
请参照图4，本发明实施例的转矩传递方法，包括：
S1，电枢绕组在靠近定子内壁的气隙中产生一磁场。
S2，磁场经调磁环、第二永磁体和第三永磁体进行磁场调制，在电机外转子的气隙中产生一谐波磁场。
S3，电机外转子在谐波磁场与电机外转子外壁上嵌设的永磁体的相互作用下旋转。
本发明实施例的磁齿轮减速传动装置将磁齿轮的一个内转子与电机的外转子组合共用，使得电机变为两层气隙结构，用电枢绕组产生的气隙磁场代替以往结构磁齿轮内转子产生的气隙磁场。当该电机运行在电动状态时，电枢绕组以产生需要极对数的连接方式连接，且通以一定频率的交流电，在靠近内定子一侧的气隙中产生一个以角速度ω1旋转的磁场，经过调磁环的磁场调制作用，在靠近外转子一侧的气隙中产生一个谐波磁场，其旋转角速度为-ω2(负号表示两种磁场旋转方向相反)，该磁场与外转子处的永磁体相互作用，带动外转子旋转，通过改变通过绕组的电压大小以及频率从而实现不同的角速度ω1，进而得到不同的外转子旋转速度-ω2，以实现调速驱动车轮。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种磁齿轮复合轮毂电机，其特征在于，包括：
轮毂(1)；
所述轮毂(1)内部设置有轮毂支撑轴(2)、磁齿轮减速传动装置(3)和行星齿轮减速装置(4)；
磁齿轮减速传动装置(3)，套设于所述轮毂支撑轴(2)上，用于在通电时产生一旋转力，围绕所述轮毂支撑轴(2)旋转；
行星齿轮减速装置(4)，设置于所述磁齿轮减速传动装置(3)和轮毂(1)之间，且套设于所述磁齿轮减速传动装置(3)上，与所述轮毂(1)啮合连接，在所述旋转力的带动下围绕所述轮毂支撑轴(2)旋转；
定子(31)，套设于所述轮毂支撑轴(2)上；
电枢绕组(32)，绕设于所述定子(31)上，用于在不同的电压下，产生相应的气隙磁场；
电机外转子(33)、磁齿轮外转子(34)，沿其径向由内至外依次套设于所述定子(31)上；
第一永磁体(35)、调磁环(36)、第二永磁体(37)，设置于所述电机外转子和所述磁齿轮外转子之间，以对所述气隙磁场进行调节，所述电机外转子在所述气隙磁场与所述电机外转子外壁上嵌设的永磁体的相互作用下旋转，进而带动所述磁齿轮外转子(34)旋转；
所述第一永磁体(35)包括多个永磁体块，嵌设于所述电机外转子(33)的外壁；
所述磁齿轮外转子(34)上设置有一突出所述磁齿轮外转子(34)外表面的太阳轮支撑轴(341)，所述行星齿轮减速装置套设于所述太阳轮支撑轴上，所述行星齿轮减速装置在所述磁齿轮外转子(34)的带动下进行旋转；
所述行星齿轮减速装置(4)包括：
太阳轮(41)，套设于所述太阳轮支撑轴(341)上，在所述磁齿轮外转子(34)的转动下做自转运动；
行星齿轮(42)，设置于所述太阳轮(41)外周，与所述太阳轮(41)啮合，围绕所述太阳轮(41)做公转和自转运动；
其中，所述行星齿轮(42)与所述轮毂(1)的内表面啮合连接，该行星齿轮(42)的轴连接至轮毂(1)。
2.如权利要求1所述的一种磁齿轮复合轮毂电机，其特征在于，所述第二永磁体(37)包括多个永磁体块，嵌设于所述磁齿轮外转子(34)的内壁。
3.如权利要求1所述的一种磁齿轮复合轮毂电机，其特征在于，所述磁齿轮减速传动装置(3)还包括：
第三永磁体(38)，包括多个永磁体块，嵌设于所述电机外转子的内壁上。
4.如权利要求1所述的一种磁齿轮复合轮毂电机，其特征在于，所述调磁环(36)包括：
环状的调磁极块(361)，
所述调磁极块的中心设置一贯穿调磁极块的永磁体条(362)。
5.如权利要求1所述的一种磁齿轮复合轮毂电机，其特征在于，所述磁齿轮复合轮毂电机还包括：
弹性组件(5)，设置于磁齿轮外转子(34)上，用于连接磁齿轮外转子(34)上分别靠近轮毂支撑轴(2)的端和轮胎(6)的端。
6.一种汽车，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述的复合轮毂电机进行调速以驱动车轮。
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