CN107317452A

CN107317452A - 一体化永磁无刷直流轮毂电机

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Publication number: CN107317452A
Application number: CN201710715950.6A
Authority: CN
Inventors: 彭希南; 彭程
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: CN107317452B

Abstract

一种单边出轴的一体化永磁无刷直流轮毂电机，由轮毂电机本体和电子控制器两部分组成，轮毂电机本体部分包括：轮毂、转子轮端盖、转子轮、永磁体、中心轴、定子线圈体、定子外壳、中框、散热框架，电子控制器部分全部集成在PCB电路板上，其要点在于：转子轮内嵌入永磁体，然后与转子轮端盖相连，转子轮端盖再与轮毂相接，所述的定子线圈体安装在中框中，PCB电路板嵌入安装在散热框架中，散热框架再与相连，形成一体后再装入定子外壳中，本发明实现了电动机本体和控制器的一体化结构，取代了繁多的外部控制线束，增强了其可靠性，并且支持GPS定位防盗、无线遥控泊车和电子驻车功能，可广泛应用于电动汽车的驱动。

Description

一体化永磁无刷直流轮毂电机

技术领域

本发明涉及一体化永磁无刷直流轮毂电机，即一种单边出轴的一体化永磁无刷直流轮毂电机，主要应用于电动大巴、无人驾驶电动汽车以及行走机器人的驱动。

背景技术

轮毂电机是一种将车轮和电磁驱动装置直接合并为一体的电机，轮毂电机又称车轮内装电机，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机的主要优点是：轮毂电机使得整车总布置可以采用扁平化的底盘结构型式，完全省略传动的传动装置，整体动力利用效率大大提高，车内空间和布置自由度得到极大的改善；采用轮毂电机后，电动车的车身上几乎没有大功率的运动部件，整车的空间、振动和噪声舒适性得到极大改善；轮毂电机可以直接控制各个车轮的转速，便于实现全四轮驱动驱动型式，极大地改善整车的动力性能，通过电子差速器，可以控制前后、左右车轮的不同转速，实现车辆的差动转向或原地转向。

发明内容

技术问题

虽然轮毂电机具有结构简单、运行可靠、效率高、无励磁损耗、调速性能好和启动转矩较大的优点，但美中不足的是，现有的轮毂电机不能单独使用，必须外接电子控制器配合才能使用，由于传统的轮毂电机与电子控制器之间连接的线束众多，包括电源线、三相相线和各种控制线，使用辨识非常麻烦，在使用上十分不方便。

另一方面，由于轮毂电机将电机本体和车轮集成在一起，导致非簧载质量较大，轮毂电机及其电路将承受很大的路面冲击载荷，抗振要求苛刻，对轮毂电机结构设计提出了较高要求。

此外，如何让轮毂电机能像交流异步电动机一样可以直接加电即可驱动，如何实现轮毂电机与电子控制器的机电一体化，如何实现轮毂电机的无线遥控、电子驻车和GPS定位防盗，诸如此类的问题，已经成为当前研究轮毂电机的热点技术。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一体化永磁无刷直流轮毂电机设计方案，其技术方案具体如下：

一体化永磁无刷直流轮毂电机，由轮毂1、转子轮端盖2、转子轮3、永磁体33、中心轴4、电缆控制线41、定子线圈体5、定子外壳6、中框7、PCB电路板8、散热框架9组成，其要点在于：

所述的一体化永磁无刷直流轮毂电机由轮毂电机本体和电子控制器两部分组成，轮毂电机本体部分是：

所述的转子轮3是一个外侧开有散热肋条的圆形壳体，中央位置开有一个转子轮中心孔31，内部的边沿排列有弧形凸块35，相邻的两个弧形凸块35之间有一个永磁体嵌槽32，所述的永磁体33嵌入永磁体嵌槽32中；

所述的转子轮端盖2的中央位置有一个下轴承台阶21，中心轴4穿过转子轮中心孔31后，其中心轴4上的下轴承44嵌入安装在转子轮端盖2的下轴承台阶21中，转子轮端盖2的边沿部分有九个转子轮端盖装配孔23，转子轮3的边沿部分也有九个转子轮装配孔34，螺丝穿过转子轮端盖装配孔23与转子轮装配孔34相连，转子轮端盖2与转子轮3合为一体；

所述的转子轮端盖2的中心部分有一个下轴承台阶21，沿着下轴承台阶21的周边有六个固定螺栓22，将轮毂1上的安装孔A 11穿过六个固定螺栓22后，再由螺母将其与转子轮端盖2拧为一体；

所述的定子线圈体5由非晶合金铁芯体与线包组成，非晶合金铁芯体中心形状为一个圆环，圆环外侧伸出长臂，线包绕在非晶合金铁芯体伸出的长臂上；

所述的中框7为圆盘结构，一面有支柱73，中框7的内部分布有线圈卡座74，相邻的线圈卡座74由弹性连接器72连接，安装时，定子线圈体5上的相邻线包正好嵌入到线圈卡座74中；

所述的散热框架9为铝型材质，外形呈圆形，内侧壁为六边形的框架，每一边侧壁上均开有五个连接孔，六边形框架的边角处均有一个弧形支撑台阶96，弧形支撑台阶96上开有装配孔D 95，六边形的PCB电路板8安装在散热框架9的六边形框中的一端，并被弧形支撑台阶96所支撑，合拢时，所述的六边形的盖板91覆盖在弧形支撑台阶96的另一端，螺丝穿过盖板固定孔C 93和装配孔D 95，将盖板91与弧形支撑台阶96拧在一起；

所述的散热框架9上的圆弧处开有散热框架安装孔94，装配时，螺丝穿过散热框架9上的散热框架安装孔94与中框7上的支柱73相连，然后将带PCB电路板8、盖板91的散热框架9与中框7、定子线圈体5一道紧配合嵌进定子外壳6中；

所述的定子外壳6上有带孔的定子固定耳61，所述的中框7上有带孔的中框固定耳71，螺丝穿过定子固定耳61与中框固定耳71上的孔后，将两者连接为一体；

电子控制器部分集成在PCB电路板8上，表贴焊接有ARM芯片80、信号调理芯片81、比较器82、前置驱动芯片83、PWM控制器84、功率驱动器85、三端稳压器86、GPS模块87、无线接收模块88、VMOS管89、相电流检测康铜丝801、总电流检测康铜丝802、高频变压器803，所述的VMOS管89五个为一组，分别通过螺丝固定在散热框架9每一边侧壁上的五个连接孔处。

所述PCB电路板8上的中央位置处有一圈电缆线焊接孔804，所述的电缆控制线41一端穿过中心轴4上的两个过线孔42后，再焊接到PCB电路板8上的电缆线焊接孔804处，另一端外接电源线、调速器、刹车开关和转向开关。

所述的器件之间存在如下的连接关系：比较器82的输出端与ARM芯片80的I/O引脚相连，比较器82的输入端与外部刹车、转向信号相连，信号调理芯片81的输入端与与外部调速转把、相电流检测康铜丝801、总电流检测康铜丝802相连，ARM芯片80的A/D引脚分别与信号调理芯片81输出端相连，所述的前置驱动芯片83输入端受ARM芯片80控制，前置驱动芯片83的输出端驱动VMOS管89；

所述的PWM控制器84与前置驱动芯片83、高频变压器803，功率驱动器85组成开关电源电路，所述的三端稳压器86组成二次稳压电路。

所述的GPS模块87与ARM芯片80的I/O引脚相连。

所述的无线接收模块88采用433MHz的无线公共频道，它的输出引脚与ARM芯片80的I/O引脚相连。

所述的盖板91为六边形，中央位置有中心护套92，盖板91的边沿开有盖板固定孔93，盖板91安装在散热框架9的六边形框架内，螺丝穿过盖板固定孔93与弧形支撑台阶96上的散热框架安装孔94相连。

所述的定子外壳6中央位置有上轴承台阶62，所述的上轴承43安装在上轴承台阶62中，中心轴4穿过上轴承43后单边伸出。

所述的中心轴4上有一个中心轴圆盘45，中心轴圆盘45上开有圆盘固定孔A 46，所述的中框7上开有圆盘固定孔B 76，通过螺丝将两者固定在一起。

所述的转子轮端盖2上开有一圈防水槽24，防水槽24中嵌入密封橡胶圈25。

技术效果

本发明提出的一体化永磁无刷直流轮毂电机有如下有益效果：

1．与电动汽车集中动力驱动相比，一体化永磁无刷直流轮毂电机具备很大的优势，它布局更为灵活，可降低车辆的重心，不需要复杂的机械传动系统，并且具备单个车轮独立驱动的特性，全轮四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易；同时，轮毂电机可以通过前后、左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值。

2.本发明所述的一体化永磁无刷直流轮毂电机，由于集驱动、制动和承载功能于一体，改变了永磁无刷直流轮毂电机与控制器分开安装，再连接使用的传统安装模式，而是将电动机本体和控制器、执行机构采取一体化结构，取代了繁多的外部控制线束，增强了其可靠性，实现了系统最省，整体最优。

3.本发明所述的一体化永磁无刷直流轮毂电机，选用非晶合金取代硅钢片，能够在大大提高电动机的效率和功率密度,降低定子铁心铁损。

4.本发明设计了一种采用耐高温工程塑料材质组成的弹性连接器和线圈卡座，用来支撑安装定子线圈体，以消除震动和机械应力造成的影响。

4、在散热拓扑结构上，通过采用了铝合金散热框架很好地解决了功率VMOS管的散热问题。

5.在电路方面，本发明支持GPS定位防盗、无线遥控泊车、电子差速和电子驻车功能。

显然，本发明所述的一体化永磁无刷直流轮毂电，展示了一种综合的拓扑结构和全新的控制技术集合。

附图说明

图1一体化永磁无刷直流轮毂电机正面外形图；

图2一体化永磁无刷直流轮毂电机背面外形图；

图3一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图一；

图4一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图二；

图5一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图三；

图6一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图四；

图7一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图五；

图8一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图六；

图9一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图七；

图10去掉轮毂后的一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图一；

图11去掉轮毂后的一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图二；

图12去掉轮毂后的一体化永磁无刷直流轮毂电机爆炸图三；

图13 PCB电路板与散热框架外形图一；

图14 PCB电路板与散热框架外形图二；

图15 PCB电路板与散热框架正视图。

标号说明：

1 轮毂

11 轮毂安装孔A

2 转子轮端盖

21 下轴承台阶 22 固定螺栓

23 转子轮端盖装配孔 24 防水槽

25 密封橡胶圈

3 转子轮

31 转子轮中心孔 32 永磁体嵌槽

33 永磁体 34 转子轮装配孔

35 弧形凸块

4 中心轴

41 电缆控制线 42 过线孔

43 上轴承 44 下轴承

45 中心轴圆盘 46 圆盘固定孔A

5 定子线圈体

6 定子外壳

61 定子固定耳 62 上轴承台阶

7 中框

71 中框固定耳 72 弹性连接器

73 支柱 74 线圈卡座

75 定子中框中心穿轴孔 76 圆盘固定孔B

8 PCB电路板

80 ARM芯片 81 信号调理芯片

82 比较器 83 前置驱动芯片

84 PWM控制器 85 功率驱动器

86 三端稳压器 87 GPS模块

88 无线接收模块 89 VMOS管

801 相电流检测康铜丝 802 总电流检测康铜丝

803 高频变压器 804 电缆线焊接孔

9 散热框架

91 盖板 92 中心护套

93 盖板固定孔C 94 散热框架安装孔

95 装配孔D 96 弧形支撑台阶

具体实施方式

本发明如图1至图15所示。下面结合附图说明本发明的具体实施方案：

一体化永磁无刷直流轮毂电机，由轮毂（1）、转子轮端盖（2）、转子轮（3）、永磁体（33）、中心轴（4）、电缆控制线（41）、定子线圈体（5）、定子外壳（6）、中框（7）、PCB电路板（8）、散热框架（9）组成，其要点在于，所述的一体化永磁无刷直流轮毂电机由轮毂电机本体和电子控制器两部分组成，轮毂电机本体部分是：

所述的转子轮（3）是一个外侧开有散热肋条的圆形壳体，中央位置开有一个转子轮中心孔（31），内部的边沿排列有弧形凸块（35），相邻的两个弧形凸块（35）之间有一个永磁体嵌槽（32），所述的钕铁硼材料的永磁体（33）嵌入永磁体嵌槽（32）中；

所述的转子轮端盖（2）的中央位置有一个下轴承台阶（21），中心轴（4）穿过转子轮中心孔（31）后，其中心轴（4）上的下轴承（44）嵌入安装在转子轮端盖（2）的下轴承台阶（21）中，转子轮端盖（2）的边沿部分有九个转子轮端盖装配孔（23），转子轮（3）的边沿部分也有九个转子轮装配孔（34），螺丝穿过转子轮端盖装配孔（23）与转子轮装配孔（34）相连，转子轮端盖（2）与转子轮（3）合为一体；

所述的转子轮端盖（2）的中心部分有一个下轴承台阶（21），沿着下轴承台阶（21）的周边有六个固定螺栓（22），将轮毂（1）上的安装孔A（11）穿过六个固定螺栓（22）后，再由螺母将其与转子轮端盖（2）拧为一体；

所述的定子线圈体（5）由非晶合金铁芯体与线包组成，非晶合金铁芯体中心形状为一个圆环，圆环外侧伸出长臂，线包绕在非晶合金铁芯体伸出的长臂上；所述采用的非晶合金材料，具有优良的高磁通密度、低磁致伸缩系数和高有效磁导率性能，是一种有别于硅钢片的电机功能材料；

所述的中框（7）为圆盘结构，一面有支柱（73），中框（7）的内部分布有线圈卡座（74），相邻的线圈卡座（74）由弹性连接器（72）连接，安装时，定子线圈体（5）上的相邻线包正好嵌入到线圈卡座（74）中；

所述的散热框架（9）为铝型材质，外形呈圆形，内侧壁为六边形的框架，每一边侧壁上均开有五个连接孔，六边形框架的边角处均有一个弧形支撑台阶（96），弧形支撑台阶（96）上开有装配孔D（95），六边形的PCB电路板（8）安装在散热框架（9）的六边形框中的一端，并被弧形支撑台阶（96）所支撑，合拢时，所述的六边形的盖板（91）覆盖在弧形支撑台阶（96）的另一端，螺丝穿过盖板固定孔C（93）和装配孔D（95），将盖板（91）与弧形支撑台阶（96）拧在一起；

所述的散热框架（9）上的圆弧处开有散热框架安装孔（94），装配时，螺丝穿过散热框架（9）上的散热框架安装孔（94）与中框（7）上的支柱（73）相连，然后将带PCB电路板（8）、盖板（91）的散热框架（9）与中框（7）、定子线圈体（5）一道紧配合嵌进定子外壳（6）中；

所述的定子外壳（6）上有带孔的定子固定耳（61），所述的中框（7）上有带孔的中框固定耳（71），螺丝穿过定子固定耳（61）与中框固定耳（71）上的孔后，将两者连接为一体；

电子控制器部分集成在PCB电路板（8）上，表贴焊接有ARM芯片（80）、信号调理芯片（81）、比较器（82）、前置驱动芯片（83）、PWM控制器（84）、功率驱动器（85）、三端稳压器（86）、GPS模块（87）、无线接收模块（88）、VMOS管（89）、相电流检测康铜丝（801）、总电流检测康铜丝（802）、高频变压器（803），所述的VMOS管（89）五个为一组，分别通过螺丝固定在散热框架（9）每一边侧壁上的五个连接孔处。

PCB电路板（8）上的中央位置处有一圈电缆线焊接孔（804），所述的电缆控制线（41）一端穿过中心轴（4）上的两个过线孔（42）后，再焊接到PCB电路板（8）上的电缆线焊接孔（804）处，另一端外接电源线、调速器、刹车开关和转向开关。

所述的电缆控制线（41）为十芯电缆线，分别代表电源正极（VCC）、地线（GND）、电子差速器信号、电机启动/停止、电机正反转、制动信号、调速，VD(+5V)、公共端（COM），其中，电机启动/停止线外接电机启动/停止开关，电机正反转线外接电机正反转开关，制动信号线外接制动信号开关踏板，所述的调速、VD(+5V)与公共端（COM）外接调速转把。

所述的器件之间存在如下的连接关系：比较器（82）的输出端与ARM芯片（80）的I/O引脚相连，比较器（82）的输入端与外部刹车、转向信号相连，信号调理芯片（81）的输入端与与外部调速转把、相电流检测康铜丝（801）、总电流检测康铜丝（802）相连，ARM芯片（80）的A/D引脚分别与信号调理芯片（81）输出端相连，所述的前置驱动芯片（83）输入端受ARM芯片（80）控制，前置驱动芯片（83）的输出端驱动VMOS管（89）；

所述的PWM控制器（84）与前置驱动芯片（83）、高频变压器（803），功率驱动器（85）组成开关电源电路，所述的三端稳压器（86）组成二次稳压电路。

所述的GPS模块（87）与ARM芯片（80）的I/O引脚相连。

所述的无线接收模块（88）采用433MHz的无线公共频道，它的输出引脚与ARM芯片（80）的I/O引脚相连。

所述的盖板（91）为六边形，中央位置有中心护套（92），盖板（91）的边沿开有盖板固定孔（93），盖板（91）安装在散热框架（9）的六边形框架内，螺丝穿过盖板固定孔（93）与弧形支撑台阶（96）上的散热框架安装孔（94）相连。

所述的定子外壳（6）中央位置有上轴承台阶（62），所述的上轴承（43）安装在上轴承台阶（62）中，中心轴（4）穿过上轴承（43）后单边伸出。

所述的中心轴（4）上有一个中心轴圆盘（45），中心轴圆盘（45）上开有圆盘固定孔A（46），所述的中框（7）上开有圆盘固定孔B（76），通过螺丝将两者固定在一起。

由于轮毂电机工作的环境恶劣，面临水、灰尘等多方面影响，在密封方面也有较高要求，所以在转子轮端盖（2）上开有一圈防水槽（24），防水槽（24）中嵌入密封橡胶圈（25）。

为了抵抗震动的影响，所有的电子元件焊接后，再用3M强力液态焊接胶水点焊粘接，以防脱焊或松动，该胶水的粘接强度是普通502胶水的80倍以上，耐冲击，不发白。

本发明的新颖巧妙之处在于：

与电动机集中动力驱动相比，一体化永磁无刷直流轮毂电机具备很大的优势，它布局更为灵活，一是可降低车辆的重心；二是不需要复杂的机械传动系统；三是具备单个车轮独立驱动的特性，全轮四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易，轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值。

本发明所述的一体化永磁无刷直流轮毂电机，集驱动、制动和承载功能于一体，彻底改变了永磁无刷直流轮毂电机与控制器分开安装，再连接使用的传统安装模式，而是将电动机本体和控制器、执行机构采取一体化结构，取代了繁多的外部控制线束，增强了其可靠性，实现了系统最省，整体最优。

本发明所述的一体化永磁无刷直流轮毂电机，选用非晶合金取代硅钢片，大大提高了电动机的效率和功率密度,降低定子铁心铁损。

本发明设计了一种采用耐高温工程塑料材质组成的弹性连接器与线圈卡座，用来支撑安装定子线圈体，以消除震动和机械应力所造成的影响。

在散热拓扑结构上，通过采用了铝合金散热框架很好地解决了功率VMOS管的散热问题。

在电路方面，本发明支持GPS定位防盗、无线遥控泊车、电子差速和电子驻车功能。

特别有意义的是，本发明所提出的单边出轴的一体化永磁无刷直流轮毂电机方案，不但是一种高功率密度和高效率的永磁无刷直流电动机，而且提供了一种低成本的实现永磁无刷直流电动机本体与控制器一体化的解决方案，主要应用于电动大巴、无人驾驶电动汽车以及行走机器人的驱动。无疑，这种新型的机电控制于一体化的永磁无刷直流轮毂电机，代表了永磁无刷直流轮毂电机的发展方向，其应用前景相当广阔。

Claims

1.一体化永磁无刷直流轮毂电机，由轮毂（1）、转子轮端盖（2）、转子轮（3）、永磁体（33）、中心轴（4）、电缆控制线（41）、定子线圈体（5）、定子外壳（6）、中框（7）、PCB电路板（8）、散热框架（9）组成，其特征在于：

所述的转子轮（3）是一个外侧开有散热肋条的圆形壳体，中央位置开有一个转子轮中心孔（31），内部的边沿排列有弧形凸块（35），相邻的两个弧形凸块（35）之间有一个永磁体嵌槽（32），所述的永磁体（33）嵌入永磁体嵌槽（32）中；

所述的定子线圈体（5）由非晶合金铁芯体与线包组成，非晶合金铁芯体中心形状为一个圆环，圆环外侧伸出长臂，线包绕在非晶合金铁芯体伸出的长臂上；

2.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：PCB电路板（8）上的中央位置处有一圈电缆线焊接孔（804），所述的电缆控制线（41）一端穿过中心轴（4）上的两个过线孔（42）后，再焊接到PCB电路板（8）上的电缆线焊接孔（804）处，另一端外接电源线、调速器、刹车开关和转向开关。

3.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的器件之间存在如下的连接关系：比较器（82）的输出端与ARM芯片（80）的I/O引脚相连，比较器（82）的输入端与外部刹车、转向信号相连，信号调理芯片（81）的输入端与外部调速转把、相电流检测康铜丝（801）、总电流检测康铜丝（802）相连，ARM芯片（80）的A/D引脚分别与信号调理芯片（81）输出端相连，所述的前置驱动芯片（83）输入端受ARM芯片（80）控制，前置驱动芯片（83）的输出端驱动VMOS管（89）；

4.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：GPS模块（87）与ARM芯片（80）的I/O引脚相连。

5.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的无线接收模块（88）采用433MHz的无线公共频道，它的输出引脚与ARM芯片（80）的I/O引脚相连。

6.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的盖板（91）为六边形，中央位置有中心护套（92），盖板（91）的边沿开有盖板固定孔（93），盖板（91）安装在散热框架（9）的六边形框架内，螺丝穿过盖板固定孔（93）与弧形支撑台阶（96）上的散热框架安装孔（94）相连。

7.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的定子外壳（6）中央位置有上轴承台阶（62），所述的上轴承（43）安装在上轴承台阶（62）中，中心轴（4）穿过上轴承（43）后单边伸出。

8.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的中心轴（4）上有一个中心轴圆盘（45），中心轴圆盘（45）上开有圆盘固定孔A（46），所述的中框（7）上开有圆盘固定孔B（76），通过螺丝将两者固定在一起。

9.根据权利要求1所述的一体化永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的转子轮端盖（2）上开有一圈防水槽（24），防水槽（24）中嵌入密封橡胶圈（25）。