CN108667251A - 一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机 - Google Patents

一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机 Download PDF

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陈龙
周卫琪
杨泽斌
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Abstract

本发明公开一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，外转子由沿圆周方向均匀分布的Nr个转子分块组成，Nr个转子分块固定嵌在一个非导磁转子套筒中，非导磁转子套筒外壁紧密贴合轮毂内壁，非导磁转子套筒的内径等于Nr个转子分块的内径；定子由沿圆周方向均匀分布的Ns个Y形定子分块组成，单个Y形定子分块的径向截面呈Y形且由最内段的一个梯形键、中间的一个定子轭和最外段的两个定子极连接组成，每个定子极上都绕有绕组，梯形键固定嵌在非导磁定子套环内部；非导磁定子套环的轴向一端沿圆周方向均匀固定连接Ns/2个单元式功率变换器和两个单元式控制器；各个单元式部分相互独立，互不干扰，容错能力高；磁回路短，功率密度大。

Description

一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机
技术领域
本发明属于电机制造应用技术领域,具体是一种用于驱动电动汽车的开关磁阻轮毂电机。
背景技术
轮毂电机驱动的电动汽车具有的优势是：1、轮毂电机能够省去车辆大量传动部件，取消了离合器、变速器、传动轴、差速器及相互间的机械传动总成，简化了底盘结构，节省了大量空间，使车辆结构更加简单。2、使用轮毂电机直驱可以使得电动汽车驱动形式的选择更加灵活，方便地实现驱动轮数量和驱动形式的转换，轴荷分布更加合理，增加了整车动力系统布置的灵活性。3、由于传动系统的简化，使得用轮毂电机直接驱动的电动汽车能量损失减少，传动效率提高，提升了车辆的燃油经济性。
开关磁阻电机因结构简单、控制方便、容错能力高的特点作为轮毂电机，例如中国专利公开号为CN203896057U、名称为“一种开关磁阻轮毂电机”的文献中公开了多相12/16的开关磁阻电机，由于其相间机械相位角小，使得相间切换平滑过渡，减小了振动和噪音。中国专利公开号为CN206149116U、名称为“电动车、车轮及开关磁阻电机、开关磁阻电机系统”的文献中公开了一种多相轮毂电机，在绕组两端和中部都设置引出端，可以实现输出功率的多档位调节，可靠性强。但是这两项专利文献中公开的开关磁阻轮毂电机的不足之处在于：为了减小轮毂电机的转矩脉动和噪音，都使用了多相结构，使得电机结构复杂，一旦某相发生故障，维修困难，检修成本高。
发明内容
本发明的目的是为了简化现有开关磁阻轮毂电机结构，提出一种电动汽车用的单元式开关磁阻轮毂电机，将定子和转子都设计成单元式分块结构，提高容错能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：外转子同轴套在内定子外部，外转子由沿圆周方向均匀分布的Nr个转子分块组成，Nr个转子分块固定嵌在一个非导磁转子套筒中，非导磁转子套筒外壁紧密贴合轮毂内壁，非导磁转子套筒的内径等于Nr个转子分块的内径；定子由沿圆周方向均匀分布的Ns个Y形定子分块组成，单个Y形定子分块的径向截面呈Y形且由最内段的一个梯形键、中间的一个定子轭和最外段的两个定子极连接组成，每个定子极上都绕有绕组，梯形键固定嵌在非导磁定子套环内部。
Nr个转子分块和Ns个定子分块的数量关系满足LCM(Ns,Nr)＝mNr，LCM为取最小公倍数，电机相数为m。
非导磁定子套环的轴向一端沿圆周方向均匀固定连接Ns/2个单元式功率变换器和两个单元式控制器。
径向相对的Y形定子分块上的绕组分别是线圈A1、A2，线圈B1、B2，线圈C1、C2和线圈D1、D2，对应地分别并联成A相，B相，C相和D相绕组，每个单元式功率变换器与一相绕组连接，一个单元式控制器控制2个单元式功率变换器。
本发明具有的有益之处在于：
1、定子采用单元式的Y形分块结构，与非导磁定子套环梯形键槽连接，可拆卸，方便维修。
2、转子采用单元式的分块结构，嵌入在非导磁转子套筒中，可拆卸，方便维修。
3、本发明电机与普通开关磁阻电机的磁回路相比，Y形定子分块和转子分块构成的磁回路短，功率密度大。
4、本发明采用单元式的功率变换器和单元式控制器，将电机和控制系统一体化，充分利用空间，节省了汽车轮毂内部空间，当控制系统发生故障时，可以直接替换损坏部分，节省成本。
5、由于本发明各部分均采用单元式结构，各个单元式部分相互独立，控制模块独立，互不干扰，当某处发生故障时，可直接替换故障部分，容错能力高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；
图1是本发明未安装单元式功率变换器和单元式控制器的径向结构示意图；
图2是图1中去掉了轮毂且安装有单元式功率变换器和单元式控制器的径向结构示意图；
图3是图1中单个转子分块的结构放大图；
图4是图中单个Y形定子分块的结构放大图；
图5是电机处于最大电感位置时的励磁回路示意图；
图6是电机处于最小电感位置时的励磁回路示意图；
图1中标号及名称为：1、外转子：1-1、矩形键；1-2、导磁部分；2、非导磁转子套筒；3、定子：3-1、定子极；3-2、定子轭；3-3、梯形键；4、非导磁定子套环：4-1、螺纹孔；5、绕组；6、轮毂；7、单元式功率变换器；8、单元式控制器。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明包括外转子1和内定子3，外转子1同轴套在内定子3外部，在外转子1和内定子3之间留有径向气隙。
外转子1由Nr个转子分块组成，Nr个转子分块沿圆周方向均匀分布，Nr个转子分块固定嵌在一个非导磁转子套筒2中，非导磁转子套筒2的内径等于Nr个转子分块的内径。相邻转子分块之间的夹角为360/Nr度，转子分块由硅钢片叠压而成。
参见图3所示的单个转子分块的结构，单个转子分块的径向截面的外段是矩形键1-1、内段是导磁部分1-2，矩形键1-1嵌在非导磁转子套筒2上。导磁部分1-2的径向外端与矩形键1-1相连、径向内端面为圆弧面。非导磁转子套筒2由非导磁材料制成，其上加工了Nr个转子槽孔，转子槽孔的大小与单个转子分块的形状相同，实现对转子分块的定位。矩形键1-1的切向宽度为a，导磁部分1-2的外端切向宽度为b，导磁部分1-2的内端切向宽度为c，要求c＞a＞b。
参见图1和图2，定子3由Ns个定子分块组成，单个定子分块的径向截面呈Y形，Ns个Y形定子分块沿圆周方向均匀分布。Ns个Y形定子分块都固定嵌在非导磁定子套环4上。相邻两个定子分块之间的夹角为360/Ns度，Ns个Y形定子分块都由硅钢片叠压而成。
参见图5所示，单个Y形定子分块由内而外地由梯形键3-3、定子轭3-2和定子极3-1依次连接组成。在径向截面上的最内段是一个梯形键3-3，中间是一个定子轭3-2，最外段是两个定子极3-1，两个定子极3-1之间形成一定的圆弧角度，圆弧夹角范围为30度至45度之间。定子极3-1的外端部加工成圆弧型，弧度与外转子1的内端弧度相同。定子极3-1的外端与转子2的导磁部分1-2之间留有的是径向气隙。每个定子极3-1上都绕有绕组5，定子轭3-2上没有绕组。定子轭3-2的径向厚度等于单个定子极3-1的外端部弧长。
梯形键3-3嵌在非导磁定子套环4内部，非导磁定子套环4的外径与梯形键3-3以及定子轭3-2的内径相等。非导磁定子套环4的加工材料为非导磁材料，其外表面沿圆周方向均匀加工了Ns个梯形槽，与Ns个梯形键3-3相配，二者通过键槽连接，实现对Y形定子分块的定位。
Nr个转子分块和Ns个定子分块的数量关系满足：
LCM(Ns,Nr)＝mNr，
式中，LCM为取最小公倍数，电机相数为m。
非导磁转子套筒2套在轮毂6内，非导磁转子套筒2的外壁紧密贴合轮毂6的内壁，二者固定相接。当电机转动时，转子1带动非导磁转子套筒2转动，进而直接带动轮毂6转动。
在非导磁定子套环5的轴向一端沿圆周方向均匀固定连接Ns/2个单元式功率变换器7。两个单元式控制器8外形都为扇形，安装在相邻的两个功率变换器7之间。在非导磁定子套环5上开有多个轴向上的螺纹孔4-1，每个单元式功率变换器7和每个单元式控制器8都通过两个轴向上的两个螺纹孔4-1固定连接在非导磁定子套环5的端部。单元式功率变换器7的外径要小于定子轭3-2的外径。
以图1中8/6极电机结构为例，径向相对的Y形定子分块上的绕组5分别是线圈A1、A2，线圈B1、B2，线圈C1、C2和线圈D1、D2，对应地分别并联成A相，B相，C相和D相绕组，整个电机绕组极性分布为“NSNSNSNSNSNSNSNS”分布。每个单元式功率变换器7与一相绕组连接，实现对于一相绕组的激励。一个单元式控制器8控制2个单元式功率变换器7，进而控制电流的通断。
电机在一个转子周期内旋转，某一相绕组励磁时在最大电感和最小电感位置时的具体磁回路分别如图5和图6所示。如图5，最大电感位置磁回路为：第一个定子极、径向气隙、转子分块、径向气隙、第二个定子极、定子轭、第一个定子极。如图6，最小电感位置磁回路为：第一个定子极、径向气隙、转子分块、非导磁转子套筒2、转子分块、径向气隙、第二定子极、定子轭、第一个定子极。电机在最大电感和最小电感处磁回路长度大致相同，但在最小电感处时增加了非导磁转子套筒2处的磁路长度，由于非导磁转子套筒2是非导磁材料，于是增加了整个回路磁阻。电机工作时，由单元式控制器8控制单元式功率变换器7的电流开关信号，单元式功率变换器7控制绕组5的电流通断，每相绕组依次通断，可不断实现将电机从最小电感位置旋转至最大电感位置，进而实现电机旋转，通过外转子1带动非导磁转子套筒2转动，直接驱动轮毂6转动。由于在最大电感和最小位置时磁回路的气隙长度相差较大，导致磁回路磁阻相差较大，最大电感和最小电感的比值大，可以产生较大的转矩。

Claims (8)

1.一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，外转子(1)同轴套在内定子(3)外部，其特征是：外转子(1)由沿圆周方向均匀分布的Nr个转子分块组成，Nr个转子分块固定嵌在一个非导磁转子套筒(2)中，非导磁转子套筒(2)外壁紧密贴合轮毂(6)内壁，非导磁转子套筒(2)的内径等于Nr个转子分块的内径；定子(3)由沿圆周方向均匀分布的Ns个Y形定子分块组成，单个Y形定子分块的径向截面呈Y形且由最内段的一个梯形键(3-3)、中间的一个定子轭(3-2)和最外段的两个定子极(3-1)连接组成，每个定子极(3-1)上都绕有绕组(5)，梯形键(3-3)固定嵌在非导磁定子套环(4)内部。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：Nr个转子分块和Ns个定子分块的数量关系满足LCM(Ns,Nr)＝mNr，LCM为取最小公倍数，电机相数为m。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：非导磁定子套环(5)的轴向一端沿圆周方向均匀固定连接Ns/2个单元式功率变换器(7)和两个单元式控制器(8)。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：径向相对的Y形定子分块上的绕组(5)分别是线圈A1、A2，线圈B1、B2，线圈C1、C2和线圈D1、D2，对应地分别并联成A相，B相，C相和D相绕组，每个单元式功率变换器(7)与一相绕组连接，一个单元式控制器(8)控制2个单元式功率变换器(7)。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：两个定子极(3-1)之间的圆弧夹角在30度至45度之间。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：定子轭(3-2)的径向厚度等于单个定子极(3-1)的外端部弧长。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：非导磁定子套环(4)的外径与定子轭(3-2)的内径相等。
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车用单元式开关磁阻轮毂电机，其特征是：矩形键(1-1)的切向宽度为a，导磁部分(1-2)的外端切向宽度为b，导磁部分(1-2)的内端切向宽度为c，c＞a＞b。
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