CN108110983A - 一种开关磁阻轮毂电机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻轮毂电机，包括：轮毂，其外缘部套设有纯电动汽车的轮胎；内定子，采用相同的两段铁芯同轴连接组成，设置于轮毂的中间位置，中央部位与汽车的悬架连接；外转子，其外缘部通过螺栓与轮毂的内缘部固定连接，使得轮毂与外转子同轴旋转，外转子的内缘部通过轴承与内定子的铁芯固定连接；两段铁芯的中央部位之间通过销固定，两个铁芯的外缘分别设置有多个沿径向向外延伸的凸极，两个铁芯之间的凸极相差1/2内定子的极角，两个铁芯上的凸极上绕有多组线圈绕组，且径向相对的凸极上的线圈绕组串联或并联成一相，共有n相，外转子的内缘设置有沿径向向内延伸的凸极，该凸极在轴向上的延伸长度与内定子的两个凸极相对应。

Description

一种开关磁阻轮毂电机及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种电机，具体涉及一种开关磁阻轮毂电机及其运行方法。

背景技术

新能源车现在已经成为汽车行业颇具前瞻性的领域，而新能源车型的驱动技术和传统内燃机汽车有着不小的区别，其中有一类驱动技术有着很大的发展前景，这就是轮毂电机技术。轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，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。

开关磁阻电动机运行遵循磁阻最小原理，即磁力线总要沿着磁阻最小的路径闭合。根据这一原理，给定子的某一相施加励磁电流后，离该相最近的一对转子齿将企图与该定子通电相磁极的轴线对齐，使得磁通路径上具有最小的磁阻。按一定次序轮流给定子各相施加励磁时，转子的这一转动趋势就会持续下去，从而获得连续转矩。开关磁阻电动机启动电流小，转矩大；可控参数多，调速性能好；具有较强的再生制动能力；定子和转子的材料均采用硅钢片，易于获取和回收利用；冷却性能极好。

现有的转子与轮毂同轴转动的SRD(开关磁阻电动机)轮毂内电机，仅适用混合动力车型作低速时动力的补充和高速情况下动力的输出。其内转子与外圈轮毂连接，而外定子与汽车悬挂连接，结构复杂。开关磁阻电机外面的固定的电机壳和转动的轮毂需要留有一定距离。受径向空间尺寸限制，难以布置功率较大的电机。并且按照传统开关磁阻电机结构，其凸极数量较少，相数较少。纯电动汽车采用此电机驱动行驶时，由于该电机相数较少，加上采用的是转子与轮毂同轴旋转的结构，电机转速即为车轮转速，所以低速行驶下转矩波动较大，汽车行驶顿挫感明显。功率小加上此电机结构无法通过降低转速来增大扭矩，甚至难以保证车辆顺利平稳起步。且该电机每两相之间存在一个平衡位置，低速转动时，外转子可能在此位置发生震荡摆动，也会影响驾乘体验。

申请号为201610189400.0的关于现有的SRD轮毂内电机驱动技术可以在不改变现有机车轮毂的基础上，通过轮毂内设置开关磁阻电机SRD驱动的方式对机车进行驱动和主动刹车，并可以回收刹车的能量。相对于目前主流的新能源车在汽车发动机端并联或者串联电动机的做法，无需对汽车本身进行大的改动，可以适用于绝大部分机车。开发改造成本低，结构简单，由于主动控制保证了机车的发动机大部分时候都在较佳的工况下工作，从而提高了机车的燃油经济性。

上述技术仅适用混合动力车型作低速时动力的补充和高速情况下动力的输出。电机转子旋转一圈，车轮也旋转一周。转子旋转一周的过程中，各项绕组依次通电，受开关磁阻电机相数所限，纯电动汽车使用此电机驱动起步或低速行驶时，顿挫感强烈。同时，在两相绕组中间存在一个平衡位置，转子在平衡位置可能还会出现震荡的情况，影响驾乘体验。

另外，申请号为200910117477.7的双定转子倍极开关磁阻电动机的定子极数为转子极数的2倍,且定转子的极数为偶数组合，即4/2、8/4、12/6、16/8等的组合。其开关磁阻电动机定子极数为转子极数的2倍，此发明并未充分利用定子极数，本发明定子与转子凸极数比等于2n/(2n+2)。用此电机做转子与车轮同轴旋转的轮毂电机的车辆起步时，顿挫感明显，如果能充分利用其定子极数，则会有较好效果。并且，其发明的电机极数不少但相数少，仅适用于中高速旋转，或需要搭配减速器使用。同时，单靠一相绕组通电吸引转子，稳定性不好，容易在平衡位置附近振荡。而且，其运行方式下步距较大，不适合做转子与轮毂同轴旋转的开关磁阻轮毂电机，所以需要设计一种合适的轮毂电机。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种开关磁阻轮毂电机及其运行方法。

本发明提供了一种开关磁阻轮毂电机，安装于纯电动汽车上，具有这样的特征，包括：轮毂，其外缘部套设有纯电动汽车的轮胎；内定子，采用相同的两段铁芯同轴连接组成，设置于轮毂的中间位置，中央部位与汽车的悬架连接；以及外转子，其外缘部通过螺栓与轮毂的内缘部固定连接，使得轮毂与外转子同轴旋转，外转子的内缘部还通过轴承与内定子的铁芯固定连接；其中，两段铁芯的中央部位之间通过销固定，两个铁芯的外缘分别设置有多个沿径向向外延伸的凸极，两个铁芯之间的凸极相差1/2内定子的极角，两个铁芯上的凸极上绕有多组线圈绕组，且径向相对的凸极上的线圈绕组串联或并联成一相，共有n相，n为大于2的整数，外转子的内缘设置有沿径向向内延伸的凸极，该凸极在轴向上的延伸长度与内定子的两个凸极相对应。

在本发明提供的开关磁阻轮毂电机中，还可以具有这样的特征：其中，外转子与内定子采用的材料为具有励磁功能的硅钢片。

在本发明提供的开关磁阻轮毂电机中，还可以具有这样的特征：其中，内定子的凸极数N_s与外转子的凸极数N_r之比为2n/(2n+2)。

本发明还提供了一种开关磁阻轮毂电机的运行控制方法，采用n相单、双2n拍的运行方法对轮毂的通电进行控制，具有这样的特征，包括如下步骤：

步骤1，设定i＝1；

步骤2，单独给第i相通电；

步骤3，给第i相和第i+1相同时通电；

步骤4，设定i＝i+1；

步骤5，判断i是否等于n，当判断为小于n时回到步骤2，当判断为等于n时则给第n相和第1相通电，然后回到步骤1。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的开关磁阻轮毂电机，因为具有同轴转动的轮毂和外转子，省去了传统内转子轮毂电机的减速机构降低了簧下质量，有助于提高汽车加速性、操纵性、稳定性，结构简单，所以开发制造成本低。因为具有的内定子结构是由两段相同的设有凸极的铁芯同轴连接而成，所以可以在保障每相不受影响的情况下增加内定子和外转子的凸极数，从而降低转矩波动。因为内定子的两段铁芯是交错连接，所以是不对称的，从而减少磁场的相互干扰。因为具有的外转子上没有线圈绕组受空间影响小，所以增加外转子的凸极数量不会对各相转矩产生影响，且增加相数是降低转矩波动的最直接方法。

本发明的开关磁阻轮毂电机因为具有的内定子和外转子的材料均采用硅钢片，所以易于获取和回收利用。

本发明的开关磁阻轮毂电机因为采用的同轴连接的两段错开不对称的铁芯与两相同时通电的特殊运行方式使外转子的凸极上产生一个力矩，所以避免了电机在两相之间的平衡位置产生震荡。因为采用的内定子在两相同时通电时，由于相邻两相内定子凸极是错开的，对对应外转子凸极会产生一个顺时针或逆时针方向力矩，该相径向相对的另一侧内定子凸极对外转子凸极产生的力矩方向相反，大小相等，所以不会对电机的运行产生影响，且两相同时通电的方式增加了起步的转矩。

因此，本发明的开关磁阻电机启动电流小，启动转矩大；可控参数大，调速性能好；具有较强的再生制动能力；冷却性能极好；效率高，损耗小；转矩波动较小；增加内定子凸极数量的同时保证凸极有足够的机械强度；当某一侧轮毂电机部分相发生故障时不影响整个电机系统运行，不会在高速行驶下出现失控现象，保证驾乘人员及车辆的安全。

附图说明

图1是本发明的实施例中的电机结构示意图一；

图2是本发明的实施例中的电机结构示意图二；

图3(a)是本发明的实施例中的内定子的结构示意图一；

图3(b)是本发明的实施例中的内定子的结构示意图二；

图4是本发明的实施例中的外转子的结构示意图；

图5(a)是本发明的实施例中的第一相通电示意图；

图5(b)是本发明的实施例中的第一相和第二相通电示意图；

图5(c)是本发明的实施例中的第二相通电示意图；

图5(d)是本发明的实施例中的第二相和第三相通电示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的电机结构示意图一，图2是本发明的实施例中的电机结构示意图二。

如图1和图2所示，本发明的一种开关磁阻轮毂电机100，安装于纯电动汽车上，包括：轮毂1，内定子2和外转子3。

轮毂1，其外缘部套设有纯电动汽车的轮胎4。

图3(a)是本发明的实施例中的内定子的结构示意图一，图3(b)是本发明的实施例中的内定子的结构示意图二。

如图3(a)和图3(b)所示，内定子2，采用相同的两段铁芯同轴连接组成，设置于轮毂1的中间位置，中央部位与汽车的悬架连接。

两段铁芯的中央部位之间通过销固定。

两个铁芯的外缘分别设置有多个沿径向向外延伸的凸极，两个铁芯之间的凸极相差1/2内定子2的极角。

两个铁芯上的凸极上绕有多组线圈绕组，且径向相对的凸极上的线圈绕组串联或并联成一相，共有n相，n为大于2的整数。

图4是本发明的实施例中的外转子的结构示意图。

如图4所示，外转子3，其外缘部通过螺栓与轮毂1的内缘部固定连接，使得轮毂1与外转子3同轴旋转，外转子3的内缘部还通过轴承与内定子2的铁芯固定连接。

外转子3的内缘设置有沿径向向内延伸的凸极，该凸极在轴向上的延伸长度与内定子2的两个凸极相对应。

外转子3与内定子2采用的材料为具有励磁功能的硅钢片。

内定子2的凸极数N_s与外转子3的凸极数N_r之比为2n/(2n+2)。

本发明还公开了一种开关磁阻轮毂电机的运行控制方法，采用n相单、双2n拍的运行方法对轮毂1的通电进行控制，包括如下步骤：

步骤1，设定i＝1；

步骤2，单独给第i相通电；

步骤3，给第i相和第i+1相同时通电；

步骤4，设定i＝i+1；

步骤5，判断i是否等于n，当判断为小于n时回到步骤2，当判断为等于n时则给第n相和第1相通电，然后回到步骤1。

实施例：

当电机相数n为8时，则采用8相单、双16拍的运行方法对轮毂1的通电进行控制，包括如下步骤：

步骤1，设定i＝1；

步骤2，单独给第i相通电；

步骤3，给第i相和第i+1相同时通电；

步骤4，设定i＝i+1；

步骤5，判断i是否等于8，当判断为小于8时回到步骤2，当判断为等于8时则给第8相和第1相通电，然后回到步骤1。

采用该方法时，经过16拍即完成一个循环，磁场在空间旋转了360°，转子仍只转了一个齿距角为20°，但步距角却因拍数增加一倍而减小到齿距角的1/32,即等于1.25°。以16寸车轮为例，电机每一拍运行时车轮旋转1.25°，仅移动0.58cm，完全符合汽车起步倒车平稳性要求。

本实施例采用8相单、双16拍的运行方法运行方式运行，但不仅限于此，车辆起步时结合转矩需求，和结构上相数的多少以及内定子2的凸极和外转子3的凸极的相对位置，可以采用三相甚至更多相绕组同时通电的的运行方式保证起步转矩。转速达到一定值后再转换为单、双拍运行方式。最多可同时通电的相数为m，m为正整数，与电机相数n的关系为其具体取值需要结合车辆起步时转矩需求以及内定子2的凸极和外转子3的凸极的相对位置情况。m取允许范围内较小值时，能量利用率高；m取允许范围内较大值时，车辆起步转矩更大，平顺性更好。使用时需要具有相关技术的人员根据实际情况选取最合适数值。

实施例的作用与效果

本实施例的开关磁阻轮毂电机因为具有同轴转动的轮毂和外转子，省去了传统内转子轮毂电机的减速机构降低了簧下质量，有助于提高汽车加速性、操纵性、稳定性，结构简单，所以开发制造成本低。因为具有的内定子结构是由两段相同的设有凸极的铁芯同轴连接而成，所以可以在保障每相不受影响的情况下增加内定子和外转子的凸极数，从而降低转矩波动。因为内定子的两段铁芯是交错连接，所以是不对称的，从而减少磁场的相互干扰。因为具有的外转子上没有线圈绕组受空间影响小，所以增加外转子的凸极数量不会对各相转矩产生影响，且增加相数是降低转矩波动的最直接方法。

本实施例的开关磁阻轮毂电机因为具有的内定子和外转子的材料均采用硅钢片，所以易于获取和回收利用。

本实施例的开关磁阻轮毂电机因为采用的同轴连接的两段错开不对称的铁芯与两相同时通电的特殊运行方式使外转子的凸极上产生一个力矩，所以避免了电机在两相之间的平衡位置产生震荡。因为采用的内定子在两相同时通电时，由于相邻两相内定子凸极是错开的，对对应外转子凸极会产生一个顺时针或逆时针方向力矩，该相径向相对的另一侧内定子凸极对外转子凸极产生的力矩方向相反，大小相等，所以不会对电机的运行产生影响，且两相同时通电的方式增加了起步的转矩。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种开关磁阻轮毂电机，安装于纯电动汽车上，其特征在于，包括：

轮毂，其外缘部套设有所述纯电动汽车的轮胎；

内定子，采用相同的两段铁芯同轴连接组成，设置于所述轮毂的中间位置，中央部位与汽车的悬架连接；以及

外转子，其外缘部通过螺栓与所述轮毂的内缘部固定连接，使得所述轮毂与所述外转子同轴旋转，所述外转子的内缘部还通过轴承与所述内定子的铁芯固定连接；

其中，所述两段铁芯的中央部位之间通过销固定，

所述两个铁芯的外缘分别设置有多个沿径向向外延伸的凸极，所述两个铁芯之间的凸极相差1/2所述内定子的极角，

所述两个铁芯上的凸极上绕有多组线圈绕组，且径向相对的所述凸极上的所述线圈绕组串联或并联成一相，共有n相，n为大于2的整数，

所述外转子的内缘设置有沿径向向内延伸的凸极，该凸极在轴向上的延伸长度与所述内定子的两个凸极相对应。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻轮毂电机，其特征在于：

其中，所述外转子与所述内定子采用的材料为具有励磁功能的硅钢片。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻轮毂电机，其特征在于：

其中，所述内定子的凸极数N_s与所述外转子的凸极数N_r之比为2n/(2n+2)。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的开关磁阻轮毂电机的运行控制方法，其特征在于，采用n相单、双2n拍的运行方法对所述轮毂的通电进行控制，包括如下步骤：

步骤1，设定i＝1；

步骤2，单独给第i相通电；

步骤3，给所述第i相和第i+1相同时通电；

步骤4，设定i＝i+1；

步骤5，判断i是否等于n，当判断为小于n时回到步骤2，当判断为等于n时则给第n相和第1相通电，然后回到步骤1。