CN108631459B - 一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机 - Google Patents

一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机 Download PDF

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Abstract

一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机，包括：定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器，定子组件中六相绕组采用隔齿嵌放的分数槽、集中单层绕组结构，使相绕组之间形成电气容错结构，同时结合定子齿槽结构尺寸设计，增大电动机相绕组电感，有效地抑制短路电流，提高了轮毂电机的可靠性和容错性能；转子组件采用内置永磁体转子结构，并在转子外侧缠绕碳纤维保护套，提高转子的机械结构强度；定子绕组采用单晶铜导线或银导线，减小轮毂电机的定子损耗；转子组件的永磁体采用偏心设计，且进行周向或轴向分段处理，有效地减小轮毂电机的转子损耗；机壳内置Z型或螺旋形散热水路，提高轮毂电机的散热能力；具有良好的故障隔离、抗短路及弱磁扩速能力，能够满足电动装甲车辆轮毂驱动高可靠、大功率、高转速的性能要求。

Description

一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机
技术领域
本发明属于永磁同步电动机技术领域，具体涉及一种电动装甲车辆用、大功率、高可靠的六相永磁容错轮毂电机。
背景技术
随着多电/全电技术的不断引领和推动，电驱动系统被越来越多的应用于电动装甲车辆传动系统领域，取代传统基于离合器、变速器、减速器、传动轴等的机械传动系统，大大简化了装甲车辆底盘结构的复杂性，提高了车体空间的利用率、系统的能量利用率以及传动效率。因此，电驱动系统成为现代电动装甲车辆传动系统的重要发展方向。
轮毂电机作为装甲车辆电驱动系统的核心关键部件，其性能优劣直接影响整个装甲车辆的综合使用性能。随着高磁能积永磁材料、大功率驱动技术、以及电机控制技术的发展，永磁同步电机具有功率密度高、效率高、振动和噪声小、转矩脉动小、控制简单等优势，被广泛应用于轮毂驱动电机。随着现代装甲车辆电驱动系统向高可靠、轻量化、大功率、小型化等方向发展，传统的永磁同步轮毂电机难以有效满足新一代电驱动系统的性能要求。
为了提高电驱动系统的可靠性，传统的轮毂电机普遍采用多余度电机的结构形式，而余度绕组之间存在严重的电、磁、热耦合问题，导致系统余度之间相互干扰，故障隔离能力差；此外，轮毂电机弱磁扩速后转速高，转子涡流损耗和磁滞损耗显著增加，导致转子温度急剧上升，造成永磁体退磁，严重影响轮毂电机的工作性能。
发明内容
为了克服上述已有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大功率高可靠的六相永磁容错轮毂电机，通过对电动机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁容错轮毂电机，具有良好的故障隔离能力和转子损耗抑制能力，有效地降低电机转子温升，显著地提升电机的可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明提出了一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机,所述轮毂电机包括：定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前端盖、后端盖、O型密封圈、唇型密封圈和位置传感器；其中，所述定子组件包括定子铁心和定子绕组；所述定子铁心采用高磁饱和、低损耗的电工硅钢制成，所述定子绕组为六相绕组，该六相绕组采用隔齿嵌放的分数槽、集中单层绕组结构，并且每相绕组通过单独的H桥驱动方式供电，使相绕组之间形成电气容错结构，同时结合定子齿槽结构尺寸设计，增大电动机相绕组电感，有效地抑制短路电流，显著地提高轮毂电机的可靠性和容错性能，满足电动装甲车辆一次故障绕容错运行的性能要求；所述定子绕组采用单晶铜导线或银导线提高绕组电导率，减小轮毂电机的定子损耗，抑制电机的定子温升；所述转子组件包括不等厚永磁体、转子铁心、转子挡板和碳纤维保护套；所述转子组件采用内置经过偏心设计的不等厚永磁体的转子结构，并在不等厚永磁体外圆缠绕碳纤维保护套，保证轮毂电机高速运行时的转子机械结构强度；所述转子组件中的不等厚永磁体采用圆周方向或轴向分段处理，减小电机的永磁体损耗，抑制电机的转子温升；所述转子铁心采用高磁导率、低损耗的电工硅钢，通过车削加工而成；所述不等厚永磁体采用耐高温、高磁能积的稀土永磁材料，并通过胶粘到所述转子铁心的表面，充磁方向为平行充磁；转子挡板采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，将轴向分段的永磁磁钢通过螺钉固定在所述转子铁心上；碳纤维保护套通过过盈配合固定在不等厚永磁体的外表面；前端盖通过车铣加工轮毂电机水冷散热的进水口和出水口；机壳内置Z型或螺旋形散热水路，提高电机的散热能力；优选的，所述O型密封圈实现轮毂电机机壳与前后端盖之间的密封，所述唇型密封圈实现轮毂电机转子两段轴伸端的密封。
优选的，所述转轴采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成。
优选的，所述前端盖、后端盖和机壳采用钢板，通过车削加工而成，通过在前端盖加工定位孔，可以实现电机与其他机构的机械连接；
优选的，所述位置传感器采用单对极或多对极的旋转变压器，实现轮毂电机转子位置的检测，进一步提高系统的可靠性。
首先，通过上述合理的设计永磁容错轮毂电机的定子磁路结构和绕组结构，实现电动机良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力，提高电机的容错性能和可靠性。永磁容错轮毂电机采用10极12槽的六相永磁容错电机结构形式，相绕组采用隔齿嵌放的六相集中单层绕组，每个定子槽中只有一相绕组，实现相绕组之间的物理隔离。相绕组之间的容错齿一方面为各相绕组提供磁场回路，实现相绕组之间的磁场隔离，另一方面减小相绕组之间的热量传递，实现相绕组之间的热场隔离。此外，永磁容错轮毂电机通过合理的槽型设计，减小槽口宽度和槽宽，增大槽深和槽口高度，增大电机槽漏抗，有效抑制电机的短路电流。
其次，轮毂电机转子组件采用内置永磁体的转子结构，增大电机的直轴电感，提高电机的弱磁扩速能力，同时内置永磁体的转子结构可以提高转子的机械结构强度。轮毂电机转子的外侧缠绕碳纤维的保护套，保证轮毂电机最高转速(6000rpm)运行时的转子机械结构强度，且碳纤维保护套涡流损耗低。
再次，轮毂电机的永磁体采用偏心设计，形成不等厚永磁体，减小气隙磁场的谐波分量，并对转子永磁体进行圆周方向或轴向分段处理，有效地减小电机负载时的转子损耗和温升。此外，轮毂电机通过增大气隙长度和永磁体厚度，以提高电机负载时的抗去磁能力。
最后，轮毂电机的定子绕组采用单晶铜导线或银导线提高绕组电导率，有效地减小轮毂电机非故障和故障运行时的定子绕组损耗，抑制电机的定子温升。
本发明的创新之处在于：
(1)本发明一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机采用10极12槽的六相永磁容错电机结构形式，定子绕组采用隔齿嵌放、集中单层绕组结构，通过定子槽型设计增大电机自感，显著地提升了电机的容错性能和可靠性。
(2)永磁容错轮毂电机的转子采用内置式永磁体结构形式，并在转子外侧缠绕碳纤维护套，保证轮毂电机高速运行时的转子机械结构强度。
(3)内置式转子永磁体采用不等厚设计，减小气隙磁场的谐波分量，并对转子永磁体进行圆周方向或轴向分段处理，有效地抑制转子损耗，降低永磁容错轮毂电机高速运行时的转子温升。
(4)永磁容错轮毂电机的定子绕组采用单晶铜导线或银导线提高绕组电导率，减小轮毂电机的定子损耗，有效地抑制电机的定子温升。
本发明一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机，其优点及功效在于：通过对电动机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁容错轮毂电机，具有良好的故障隔离能力、抗短路能力、弱磁扩速能力，以满足电动装甲车辆轮毂驱动高可靠、大功率、高转速的性能要求。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的定、转子结构示意图；
图3为本发明分段式永磁体结构示意图；
图4为本发明的H桥供电结构示意图。
其中，1、定子组件 2、转子组件 3、轴承 4、转轴 5、后端盖 6、机壳 7、转子挡板8、前端盖 9、位置传感器 10、减速器腔 11、O型密封圈 12、永磁体 13、转子铁心 14、碳纤维保护套 15、定子铁心 16、绕组 17、容错齿 18、进水口和出水口 19、散热水路 20、唇型密封圈；
图2中，A、B、C、D、E、F表示六相永磁容错轮毂电机的六相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组、D相绕组、E相绕组和F相绕组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。
图1为本发明一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机，由定子组件1(定子铁心15和定子绕组16)、转子组件2(不等厚永磁体12、转子铁心13、转子挡板7和碳纤维保护套14)、轴承3、转轴4、前端盖8、后端盖5、机壳6、O型密封圈11、唇型密封圈20以及位置传感器9构成。
其中，定子组件由定子铁心15和定子绕组16构成。定子铁心15采用高磁饱和、低损耗的电工硅钢制成；定子绕组16采用耐高温的单晶铜导线或银导线提高绕组电导率，减小轮毂电机的定子损耗，有效地抑制电机的定子温升；六相绕组采用隔齿嵌放、集中式单层绕组方式绕制，并且每相绕组通过单独的H桥驱动方式供电，如图4所示，有效地实现相绕组之间物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离，如图2所示。
其中，转子组件由不等厚永磁体12、转子铁心13、转子挡板7和碳纤维保护套14构成。转子铁心13采用高磁导率、低损耗的电工硅钢，通过车削加工而成；不等厚永磁磁钢12采用耐高温、高磁能积的稀土永磁材料，并通过胶粘到转子铁心4的表面，充磁方向为平行充磁；此外，永磁磁钢轴向分段，减小转子损耗，如图3所示；转子挡板7采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，将轴向分段的永磁磁钢通过螺钉固定在转子铁心上；碳纤维保护套14通过过盈配合固定在转子的外表面，如图2所示。
其中，转轴4采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，如图3所示。
其中，前端盖8、后端盖5和机壳6采用钢板，通过车削加工而成，通过在前端盖加工定位孔，可以实现电动机与其他机构的机械连接。此外，前端盖8通过车铣加工轮毂电机水冷散热的进水口和出水口18，机壳6内置Z型或螺旋形散热水路，以提高轮毂电机的散热能力，如图1所示。
其中，位置传感器9采用单对极或多对极的旋转变压器，实现轮毂电机转子位置的检测，进一步提高系统的可靠性。
其中，O型密封圈11实现轮毂电机机壳与前后端盖之间的密封，唇型密封圈20实现轮毂电机转子两段轴伸端的密封。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。

Claims (3)

1.一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机，其特征在于：所述轮毂电机包括：定子组件(1)、转子组件(2)、转轴(4)、轴承(3)、机壳(6)、前端盖(8)、后端盖(5)、O型密封圈(11)、唇型密封圈(20)和位置传感器(9)；
其中，所述定子组件(1)包括定子铁心(15)和定子绕组(16)；所述定子铁心(15)采用高磁饱和、低损耗的电工硅钢制成，所述定子绕组(16)为六相绕组，该六相绕组采用隔齿嵌放的分数槽、集中单层绕组结构，并且每相绕组通过单独的H桥驱动方式供电，使相绕组之间形成电气容错结构，同时结合定子齿槽结构尺寸设计，增大电动机相绕组电感，有效地抑制短路电流，显著地提高轮毂电机的可靠性和容错性能，满足电动装甲车辆一次故障绕容错运行的性能要求；且所述六相绕组(16)采用耐高温的单晶铜导线或银导线提高绕组电导率，减小轮毂电机的定子损耗，有效地抑制电机的定子温升；
所述转子组件(2)包括不等厚永磁体(12)、转子铁心(13)、转子挡板(7)和碳纤维保护套(14)；所述转子组件(2)采用内置经过偏心设计的不等厚永磁体(12)的转子结构，并在不等厚永磁体(12)外侧缠绕碳纤维保护套(14)，保证轮毂电机高速运行时的转子机械结构强度；所述转子组件(2)中的不等厚永磁体(12)采用圆周方向或轴向分段处理，减小电机的永磁体损耗，抑制电机的转子温升；
所述转子铁心(13)采用高磁导率、低损耗的电工硅钢，通过车削加工而成；所述不等厚永磁体(12)采用耐高温、高磁能积的稀土永磁材料，并通过胶粘到所述转子铁心(13)的表面，充磁方向为平行充磁；转子挡板(7)采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，将圆周方向或轴向分段处理的不等厚永磁体(12)通过螺钉固定在所述转子铁心(13)上；碳纤维保护套(14)通过过盈配合固定在不等厚永磁体(12)的外表面；
所述前端盖(8)通过车铣加工轮毂电机水冷散热的进水口和出水口(18)，机壳(6)内置Z形或螺旋形散热水路，进而形成轮毂电机的水冷散热结构；
所述位置传感器(9)采用单对极或多对极的旋转变压器，实现轮毂电机转子位置的检测。
2.根据权利要求1所述的一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机，其特征在于：所述转轴(4)采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成。
3.根据权利要求1或2所述的一种电动装甲车辆用大功率高可靠六相永磁容错轮毂电机，其特征在于：所述前端盖(8)、后端盖(5)和机壳(6)采用钢板，通过车削加工而成，通过在前端盖(8)加工定位孔，实现电机与其他机构的机械连接。
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