CN107769461A - 拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，包括一电机外壳、一内壳体、一密封水冷套、一永磁无刷电机组件、一差动减速器组件、传动支撑组件和一驻车制动组件；所述电机外壳和内壳体起到支撑作用，用以所有部件均以电机外壳和内壳固定装配；所述密封水冷套设置于内壳体外，用于电机的降温；所述永磁无刷电机组件包括电机绕组、磁铁、铁芯和转子杯，提供行走的动力；所述差动减速器组件包括一级行星减速器、输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴；且所述输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴与一级行星减速器协同作用；所述传动组件包括轮辋接盘、输出主轴，承担动力传动作用；所述驻车制动组件包括制动蹄和制动轮，用以驻车制动作用。

Description

拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机

技术领域

本发明属于轮毂电机领域，尤其是一种应用于汽车、拖拉机、矿山机械、工程机械、农业机械和机械工业的大功率高转矩轮毂电机。

背景技术

现代电子技术，可以对电机进行精确的控制。例如数控机床，加工精度完全取决于电机运动控制。用电机驱动汽车，控制效果可以做到和数控机床相媲美。采用单电机、带有差速器的驱动系统，与传统的驱动性质没有区别，不能实现精确的智能控制。如果采用4个独立控制的轮毂电机，实现2轮驱动或4轮驱动，并且对每个电机都进行动态监控、调整，就可以实现经济性、安全性、通过能力、牵引力同时兼顾，各项指标都可优于机械全时4驱，届时高性能、亲民价格的4驱车将会得到普及。

遗憾的是，大功率轮毂电机发展水平，远落后于电机控制技术。目前市场上还没有高功率(10Kw至300Kw)、低价格、高质量的商品轮毂电机可供大型车辆选择。以下是轮毂电机的现状。

2Kw以下小功率轮毂直驱电机，品种繁多，技术成熟可靠，价格低廉，已广泛应用在电动摩托、电动自行车和电动三轮车领域。尤其是减速轮毂电机，更是具有功率密度大、重量轻、价格低的优势，占有了绝大多数轮毂电机市场，需求旺盛。

反观需要大功率的电动汽车领域，轮毂电机应用却寥寥无几，在其他领域，例如：矿山机械、工程机械、农林机械(单机扭矩超过2000Nm-20000Nm)范围内，则几乎是空白。究其原因如下：

1外转子直驱轮毂电机

磁能利用系数低，体积和重量庞大，成本高，簧下质量太大影响减震。最主要是功率密度低，在有限轮毂直径的情况下，功率和扭矩都被限制在小马力的范畴，很难突破500Nm，即使勉强做到，也是代价高昂，没有使用价值。

2减速轮毂电机

减速轮毂电机可以提高功率密度，降低成本，是当前轮毂电机的主流。为了提高功率密度，电机的频率和转速愈来愈高，体积重量也越来越小。

现有的减速轮毂电机结构，多采用：电机→行星减速器→轮辋的轴向串联传动模式，电机和减速器相互需要占有一段轴向尺寸。在大功率(>10Kw～300Kw)、高转矩(>1000Nm)的领域，高速电机若继续采用行星减速器，则需要加至三级或以上。减速器的体积和重量，特别是损耗发热，将抵消高速电机的所有优势，甚至不能使用。电动轮边减速器与多级行星原理雷同，不做赘述。

功率和速更比大时，使用多级齿轮减速器，即：中心电机→中心齿轮→径向齿轮组→轮辋，多级齿轮减速电机的结构十分复杂，需要专门研发生产大直径超薄、超窄轴承和密封元件，除非涉及国计民生，非一般场合可用。

谐波减速器和摆线减速器都存在制造困难，尤其是摆线减速器，制造成本高，使用寿命短，机械传动比的调节范围狭窄，实际应用的商品几乎没有。

因此，依照现有的、流行的结构原理，很难做出大功率、高转矩和可持续满负荷工作的、廉价的轮毂电机。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其通过将3K行星差动减速机构，与外转子永磁电机同轴并联排列，减速器位于电动机定子内孔中，利用电动机内闲置的空间安置减速器，组合成减速轮毂电机，具有体积小、功率大、速比范围大等优点。

通过采用上述技术方案，本发明取得以下有益效果：

该轮毂电机包括一电机外壳、一内壳体、一密封水冷套、一永磁无刷电机组件、一差动减速器组件、传动支撑组件和一驻车制动组件；

所述电机外壳和内壳体起到支撑作用，用以所有部件均以电机外壳和内壳固定装配；

所述密封水冷套设置于内壳体外，用于电机的降温；

所述永磁无刷电机组件设置于电机外壳和内壳体之间，包括电机绕组、磁铁、铁芯和转子杯，提供行走的动力；

所述差动减速器组件设置于内壳体内，包括一级行星减速器、输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴；且所述输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴与一级行星减速器协同作用；

所述传动组件包括轮辋接盘、输出主轴，承担动力传动作用；

所述驻车制动组件包括制动蹄和制动轮，用以驻车制动作用。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：所述一级行星减速器包括太阳轮、输入星轮、固定齿圈；所述输入星轮分别与太阳轮和固定齿圈啮合，所述固定齿圈固定到内壳体的内壁上。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：所述输入星轮和输出星轮为在一个圆柱体上的两个连体齿轮。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：若干所述输出星轮与所述输出齿圈啮合，所述输出齿圈套接在所述输出主轴上。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：若干所述星轮轴和所述输出主轴能够转动的套设在所述星轮支架。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：所述输出主轴的两端分别连接所述制动轮和所述轮辋接盘。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：所述电机绕组固定的套设在所述密封水冷套的外侧。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：所述磁铁由钐钴磁铁或钕铁硼磁铁制成。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：所述铁芯为高频硅钢制成。

本发明解决其技术问题进一步的技术方案是：该轮毂电机采用10～14对磁极，且工作频率为400Hz～1400Hz。

通过采用上述技术方案，本发明取得了以下有益效果：

1、体积小、功率大，功率可至200Kw以上，扭矩20000Nm以上；

2、单极速比范围大，传动比可由3～∞之间调整；

3、两元件重叠布置，轴向距离相当于一个元件的尺寸；

4、功率密度高，降低了簧下质量，有利于减震和节能；

5、内外套双向循环水冷，可以连续满负荷作业，特别适合拖拉机等大负荷机械；

6、小体积可以满足各种应用条件，并且便于安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明轮毂电机的一种结构原理图；

图中具体标记如下：

1、水冷套；2、电机外壳；3、输出齿圈；4、轮辋接盘；5、输出星轮；6、星轮支架；7、电机定子；8、电机绕组；9、磁铁；10、固定齿圈；11、定子铁芯；12、输入星轮；13、内壳体；14、转子杯；15、制动蹄；16、太阳轮；17、制动轮；18、输出主轴；19、星轮轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，参考附图1所示，该轮毂电机包括一电机外壳、一内壳体、一密封水冷套、一永磁无刷电机组件、一差动减速器组件、传动支撑组件和一驻车制动组件；

所述电机外壳和内壳体起到支撑作用，用以所有部件均以电机外壳和内壳固定装配；

所述密封水冷套设置于内壳体外，用于电机的降温；

所述永磁无刷电机组件设置于电机外壳和内壳体之间，包括电机绕组、磁铁、铁芯和转子杯，提供行走的动力；

所述差动减速器组件设置于内壳体内，包括一级行星减速器、输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴；且所述输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴与一级行星减速器协同作用；

所述传动组件包括轮辋接盘、输出主轴，承担动力传动作用；

所述驻车制动组件包括制动蹄和制动轮，用以驻车制动作用。

所述一级行星减速器包括太阳轮、输入星轮、固定齿圈；所述输入星轮分别与太阳轮和固定齿圈啮合，所述固定齿圈固定到内壳体的内壁上。所述输入星轮和输出星轮为在一个圆柱体上的两个连体齿轮。若干所述输出星轮与所述输出齿圈啮合，所述输出齿圈套接在所述输出主轴上。若干所述星轮轴和所述输出主轴能够转动的套设在所述星轮支架。所述输出主轴的两端分别连接所述制动轮和所述轮辋接盘。所述电机绕组固定的套设在所述密封水冷套的外侧。

轮毂电机动力传动路线如下：

电机绕组-励磁→定子铁芯-磁场→磁铁-动力→转子杯→太阳轮→输入星轮→固定齿圈和星轮轴→输出星轮→输出齿圈和输出主轴→轮辋接盘→行走轮。

工作原理说明：

本发明采用了永磁无刷电机，外转子结构。永磁无刷电机具有效率高、体积小的特点。外转子永磁无刷电机内部有较大的无用空间，利用该闲置的空间，可以将3K减速器安置其中，有效的缩短了整机轴向长度。

本发明的电动机，采用特种高频硅钢片和钐钴磁铁或钕铁硼磁铁，提高了功率、效率和可靠性，降低了损耗。提高电机的供电频率，电磁利用系数提高，电机功率密度加大。

电机功率:

式中P＝电机功率(Kw)，p＝极对数，f＝频率(Hz)，T＝扭矩(N/m)

以一个10Kw/50Hz的同步电机为例，说明极对数与转速、扭矩的关系，见表1

电机功率KW	频率	极对数	转速/分	扭矩N/m
					10	50	2	1500	63.7
10	50	3	1000	95.5
					10	50	4	750	127.3
10	50	6	500	191.0

表1

极对数增加，电机扭矩增加，转速下降。

电机同上，频率变化，转速和功率变化见表2

输入频率HZ	极对数	扭矩N/m	功率Kw	转速/分
					600	4	127	119.7	9000
400	4	127	79.8	6000
					600	3	95	119.4	12000
400	3	95	53.3	8000
					400	2	63.6666	80.0	12000
300	2	63.6666	60.0	9000
					200	2	63.6666	40.0	6000
100	2	63.6666	20.0	3000
					50	2	63.6666	10.0	1500
25	2	63.6666	5.0	750

表2

在硅钢片允许的条件下，增加频率，电动机功率将按比例加大。

本发明利用该原理，电机采用10～14对磁极，工作提高频率至400Hz～1400Hz，电机的重量缩小到同类电机的1/2-1/4，价格也大幅下降。

本发明使用的减速器，采用3K行星结构。该减速器经过了应力、载荷仿真等多重优化设计，结构、受力合理。

3K行星减速器，具有传动比范围大、效率高、体积小、重量轻、成本低的优点。传动比关系i如下：

公式说明:

Z1为输入固定齿圈，Z2为输出齿圈，Z3为输入星轮，Z4为输出星轮，Z5为太阳轮。如果i为正值，输出与输入同向旋转。i为负值，输出与输入反向旋转。3K行星减速器结构效率高。传动效率η为：

公式说明:

式中ψ为减速器齿轮Z1-Z3啮合、Z2-Z4啮合的损失系数之和。

由于单级可以获得大传动比，使得该减速器总效率优于其他类型的同速比减速器。

3K行星减速器体积小。动力齿轮内接，等同外接齿约3倍能力。在相同功率和传动比条件下，3K行星减速器传动能力大，体积和重量最小。

本减速器结构简单，消耗材料少，材料和加工精度要求不高，与其他同能力的减速器相比，价格低廉。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，包括一电机外壳、一内壳体、一密封水冷套、一永磁无刷电机组件、一差动减速器组件、传动支撑组件和一驻车制动组件；

所述电机外壳和内壳体起到支撑作用，用以所有部件均以电机外壳和内壳固定装配；

所述密封水冷套设置于内壳体外，用于电机的降温；

所述永磁无刷电机组件设置于电机外壳和内壳体之间，包括电机绕组、磁铁、铁芯和转子杯，提供行走的动力；

所述差动减速器组件设置于内壳体内，包括一级行星减速器、输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴；且所述输出星轮、星轮支架、输出齿圈和星轮轴与一级行星减速器协同作用；

所述传动组件包括轮辋接盘、输出主轴，承担动力传动作用；

所述驻车制动组件包括制动蹄和制动轮，用以驻车制动作用。

2.根据权利要求1所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，所述一级行星减速器包括太阳轮、输入星轮、固定齿圈；所述输入星轮分别与太阳轮和固定齿圈啮合，所述固定齿圈固定到内壳体的内壁上。

3.根据权利要求2所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，所述输入星轮和输出星轮为在一个圆柱体上的两个连体齿轮。

4.根据权利要求3所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，若干所述输出星轮与所述输出齿圈啮合，所述输出齿圈套接在所述输出主轴上。

5.根据权利要求4所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，若干所述星轮轴和所述输出主轴能够转动的套设在所述星轮支架。

6.根据权利要求5所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，所述输出主轴的两端分别连接所述制动轮和所述轮辋接盘。

7.根据权利要求6所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，所述电机绕组固定的套设在所述密封水冷套的外侧。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，所述磁铁由钐钴磁铁或钕铁硼磁铁制成。

9.根据权利要求8所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，所述铁芯为高频硅钢制成。

10.根据权利要求9所述的拖拉机、汽车大功率高转矩轮毂电机，其特征在于，该轮毂电机采用10～14对磁极，且工作频率为400Hz～1400Hz。