CN110462997B

CN110462997B - 电动机

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Publication number: CN110462997B
Application number: CN201880022476.1A
Authority: CN
Inventors: A·比克穆罕默托夫
Original assignee: Arrival Ltd
Current assignee: Arrival UK Ltd
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-02-19
Also published as: CN110462997A; US11075566B2; US20200028411A1; EP3583685A1; WO2018150200A1

Abstract

一种电动机，包括：转子，所述转子具有至少一个永磁体和布置在所述转子内表面上的第一齿轮；定子，所述定子包括缠绕在所述转子的一部分上的至少一个电磁线圈；轴，所述轴被布置成可旋转地支撑在所述电动机中，所述轴包括被布置在所述轴的外表面上的第二齿轮；至少一个旋转齿轮构件，所述至少一个旋转齿轮构件被布置在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间的空间中，其中所述至少一个旋转齿轮构件与所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，其中当电流通过所述至少一个电磁线圈时，产生磁场以使所述转子旋转，从而通过所述第一齿轮和所述至少一个旋转齿轮构件之间的啮合，以及所述第二齿轮和所述至少一个旋转齿轮构件之间的啮合，将扭矩传递到所述轴。

Description

电动机

发明领域

本说明书涉及电动机，具体地但非排他地涉及运行时不需要使用转子位置传感器或计算机处理器的电动机。

背景技术

部分由于担心空气污染和石油价格的不稳定性，对电动车辆，特别是采用先进驱动系统的电动车辆和使用感应电动机的车辆动力系统的兴趣增加。这些电动车辆需要尺寸小、重量轻、低成本且高效率的电动机。

已经使用许多不同类型的电动机来提供所述电动车辆的动力需求。在当前已知的电动机配置中，提供至少一个转子和一个定子，其中所述转子相对于所述定子轴向安装在轴上。磁通量在定子和转子之间的气隙中产生磁场，并产生通过转子条(rotor bar)产生电流的电压。转子电路被短路，电流在转子导体中流动。旋转磁通量和电流的作用产生一个力，所述力产生启动电动机的扭矩。

发明内容

第一方面，本说明书描述一种电动机，包括：转子，所述转子具有至少一个永磁体和被布置在所述转子内表面上的第一齿轮；定子，所述定子包括缠绕在所述转子的一部分上的至少一个电磁线圈；轴，所述轴被布置成可旋转地支撑在所述电动机中，所述轴包括被布置在所述轴的外表面上的第二齿轮；至少一个旋转齿轮构件，所述至少一个旋转齿轮构件被布置在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间的空间中，其中所述至少一个旋转齿轮构件与所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，其中当电流通过所述至少一个电磁线圈时，产生磁场以使所述转子旋转，从而通过所述第一齿轮和所述至少一个旋转齿轮构件之间的啮合，以及所述第二齿轮和所述至少一个旋转齿轮构件之间的啮合，将扭矩传递到所述轴。

所述转子的第一齿轮和所述轴的第二齿轮之间的空间可以是圆周空间。

所述第一齿轮可包括在所述转子的内表面上形成的多个齿，每个所述齿径向地朝向所述转子的中心突出，并且所述第二齿轮可包括在所述轴的外表面上形成的多个齿，每个所述齿从所述轴的中心径向延伸。

所述转子可包括多个永磁体，所述多个永磁体以圆周方式均匀间隔开，并且所述定子包括缠绕在所述转子的一部分的多个电磁线圈，所述多个电磁线圈以圆周方式均匀间隔开。

所述转子中的多个永磁体的数量可以与所述多个电磁线圈的数量相同。

电流可以同时通过所述多个电磁线圈。

通过所述多个电磁线圈的电流的方向在每个线圈中可以是相同的。

电流可以顺序地通过多个电磁线圈中的每一个电磁线圈。

所述转子可进一步包括位于所述多个永磁体之间的多个非磁性部分。

所述多个永磁体中的每个永磁体包括相对的磁极，并且在所述多个永磁体中的每个永磁体中的相对的磁极被布置成使得它们沿着所述转子的圆周旋转地对应。

所述转子可进一步包括被布置在所述至少一个永磁体和所述第一齿轮之间的非磁性层。

所述电动机可包括多个旋转齿轮构件，所述多个旋转齿轮构件被布置在所述转子的第一齿轮和所述轴的第二齿轮之间的空间中。

所述多个旋转齿轮构件可以在所述转子的第一齿轮和所述轴的第二齿轮之间的空间中均匀地间隔开。

所述多个旋转齿轮构件中的每个旋转齿轮构件具有其自己的固定旋转轴。

所述轴可包括中空的中心。

附图说明

为了更完整地理解本文描述的方面，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：

图1A是电动机的转子的主视图；

图1B是包括图1A所示转子的电动机的主视图；

图1C是图1B所示电动机的侧剖视图；

图2是图1B所示电动机处于组装状态的透视图；和

图3是其中所述定子被移除的、图1B所示电动机的透视图。

具体实施方式

在已知类型的同步无刷电动机中，转子包括永磁体，其磁极被布置成沿周向间隔开，从而当电流通过定子电磁线圈时，转子从一个磁极到另一个磁极逐渐旋转以驱动中心电动机轴。这些类型的已知电动机需要使用转子位置传感器以便精确地接通和断开定子电磁线圈中的电流以及中央处理单元(CPU)以控制切换。另外，在这些已知类型的电动机中需要为CPU创建特定的软件以便有效地管理所述控制切换。

下面描述的方面在总的电气和机械性能方面提供了改进的电动机。具体地，这些方面提供了一种电动机，其具有提高的功率效率以及改进的动态和牵引性能，同时由于没有任何转子位置传感器(例如霍尔传感器，旋转变压器等)和计算机处理器而具有减小的尺寸。而且，由此，降低了用于根据这些方面制造所述电动机的成本。

图1A、1B和1C分别是电动机的转子的主视图、所述电动机的主视图和所述电动机的侧剖视图。图2是图1B所示电动机的透视图，以及图3是其中定子被移除的、图1B所示电动机的透视图。

如图1A中单独地显示的并且与电动机的其他部件分离的转子110包括第一永磁体112a、第二永磁体112b、第三永磁体112c、多个中间部分114、非磁性层116和第一齿轮118。图3中更清楚地示出了转子110的透视侧视图。

第一、第二和第三永磁体112a，112b，112c各自包括相对的磁极(即磁北极和磁南极)，其中第一、第二和第三永磁体中的每一个永磁体中的相对磁极被布置成使得它们沿转子110的圆周旋转地对应。因此，当转子110旋转时，转子110的所述多个永磁体112a，112b，112c在转子110内都具有相同的磁取向(magnetic orientation)。

转子110的所述多个中间部分114中的每一个部分114包括非磁性材料。这些部分114用作为在转子110中的多个永磁体112a，112b，112c之间的缓冲区，以防止在不同永磁体的磁极处的磁场相互影响。多个部分114分别位于第一永磁体112a和第二永磁体112b之间、第二永磁体112b和第三永磁体112c之间、以及第三永磁体112c和第一永磁体112a之间，如图1A所示。换句话说，第一、第二和第三永磁体112a，112b，112c和多个部分114形成转子110的最外层。

转子110的非磁性层116位于转子的最外层(即所述层包括第一、第二和第三永磁体112a，112b，112c和多个部分114)和第一齿轮118之间。非磁性层116用于防止永磁体中的每个永磁体的磁极处的磁场在转子110内形成环路，否则，这会对电动机100的运行产生不期望的影响。例如，在转子110的内层中形成的磁场环路会潜在地抵消由电动机中的电磁线圈产生的磁场，从而降低电动机的效率。

第一齿轮118包括形成在转子110的内表面上的多个齿，每个所述齿径向地朝向转子的中心凸出。如图1B所示，第一齿轮118与多个旋转齿轮构件130a，130b，130c啮合，以便将扭矩从转子110传递到轴140。这将在下面进一步详细说明。

如图1B、1C和2所示，电动机100(本文称为“所述电动机”)包括图1A的转子110、多个电磁线圈120a，120b，120c、多个旋转齿轮构件130a，130b，130c和轴140。

第一电磁线圈120a、第二电磁线圈120b和第三电磁线圈120c分别缠绕在转子110上，并且在初始状态下，多个电磁线圈120a，120b，120c被定位成使得它们对应于周向地在永磁体112a，112b，112c之间的多个部分114。该初始状态如图1B所示。多个电磁线圈120a，120b，120c中的每一个电磁线圈均包括多个绕组。当电流通过电磁线圈时，产生穿过电磁线圈中心的磁场。位于所产生的磁场近旁的永磁体将在磁场的影响下导致移动。

例如，从图1B所示的初始状态开始，电流可以流过第一电磁线圈120a，以生成第一磁场，该第一磁场使第一永磁体112a朝向并穿过第一电磁线圈120a的中心移动。第一永磁体112a的移动使转子110沿顺时针方向旋转。同时，电流还通过第二和第三电磁线圈120b，120c，以分别生成第二磁场和第三磁场，其中第一、第二和第三磁场的方向全部基本沿着电动机100的圆周对齐。在第二和第三磁场下，第二永磁体112b和第三永磁体112c分别朝向并穿过第二电磁线圈120b和第三电磁线圈120c的中心移动，从而提高转子110的旋转的效率。如上所述，当转子110旋转时，转子110的多个永磁体112a，112b，112c在转子110内都具有相同的磁取向。因此，转子110的旋转方向取决于通过多个电磁线圈120a，120b，120c的电流方向。为了最大效率，通过多个电磁线圈120a，120b，120c的电流方向应该相同(即，顺时针或逆时针方向通过线圈)。

如图1B所示，第一旋转齿轮构件130a、第二旋转齿轮构件130b和第三旋转齿轮构件130c被定位在转子110和轴140之间的圆周空间内。具体地，多个旋转齿轮构件130a，130b，130c被定位在转子110的第一齿轮118和位于轴140上的第二齿轮142之间。多个旋转齿轮构件130a，130b和130c中的每一个旋转齿轮构件包括多个齿，这允许它们与第一齿轮118和第二齿轮142啮合，使得扭矩可以从转子110传递到轴140。此外，多个旋转齿轮构件130a，130b和130c中的每一个旋转齿轮构件都有其固定的旋转轴。

轴140是相对于转子110轴向定位的空心圆柱体，并且可旋转地支撑在电动机100中。如上所述，轴140包括被布置在轴140的外表面上的第二齿轮142。例如，轴140可以由钢或其他合适的磁性材料制成。第二齿轮142包括形成在轴140的外表面上的多个齿，每个齿从轴140的中心径向延伸。如上所述，多个旋转齿轮构件130a，130b，130c可以与第二齿轮142啮合，以便将扭矩从转子110传递到轴140。

第一电磁线圈120a、第二电磁线圈120b、第三电磁线圈120c与第一旋转齿轮构件130a、第二旋转齿轮构件130b和第三旋转齿轮构件130c一起形成电动机100的定子。尽管多个旋转齿轮构件130a，130b和130c形成定子的一部分，但应当指出，多个旋转齿轮构件中的每一个旋转齿轮构件能够在定子内旋转。如上所述，多个旋转齿轮构件中的每一个旋转齿轮构件在定子内具有其自己的固定旋转轴。

下面描述电动机100的运行顺序：

电流同时通过第一、第二和第三电磁线圈，使得在电磁线圈处分别产生第一磁场、第二磁场和第三磁场。所述第一、第二和第三磁场的方向都基本上沿电动机100的圆周对齐。

如图1B所示，从初始位置开始，第一磁场、第二磁场和第三磁场中的每一个磁场使得位于线圈120a-c附近的永磁体112a-c沿着所述磁场中的每个磁场的磁场方向移动。例如，由第一电磁线圈产生的第一磁场使第一永磁体112a朝向并穿过第一电磁线圈120a的中心移动。同时，由第二和第三电磁线圈分别产生的第二和第三磁场分别使第二和第三永磁体112b，112c朝向并穿过第二和第三电磁线圈120b，120c的中心移动。

第一、第二和第三永磁体的移动使转子110旋转，并且在如图1B所示的特定配置中，使转子110以顺时针方向旋转。由第一、第二和第三电磁线圈120a，120b，120c提供的集合磁效应提高了转子110的旋转效率。

由于转子110的第一齿轮118，第一、第二和第三旋转齿轮130a，130b，130c和轴140的第二齿轮142的布置，转子110的旋转导致扭矩从转子110通过第一齿轮118和多个旋转齿轮130a，130b，130c之间的啮合传递到轴140，通过多个旋转齿轮130a，130b，130c和轴140的第二齿轮142之间的啮合。因此，导致轴140旋转。轴140可用于驱动机械连接到轴140的部件，例如汽车轴。

因为电流在电动机100运行的同时流过第一、第二和第三电磁线圈120a，120b，120c，所以电动机100中不需要任何转子位置传感器用于检测转子的位置和控制响应时的电流的切换。此外，由于相同的原因，也不需要处理单元来控制这些电磁线圈中的电流的切换。从电动机中消除这些部件允许更紧凑和更轻量的配置。

尽管上面描述了转子包括第一、第二和第三永磁体，但是在替代实施例中，可以提供不同数量的永磁体。例如，在一些替代实施例中，转子可包括沿转子外层中的圆周布置的相对减小尺寸的六个永磁体。在这些替代实施例中，电动机可包括等效数量的电磁线圈，以实现高效运行。在一些实施例中，电动机可包括至少一个永磁体和至少一个电磁线圈。

尽管上面描述了电流同时通过第一电磁线圈、第二电磁线圈和第三电磁线圈，但是在替代实施例中，电流可能不会同时通过所有电磁线圈。在电动机包括多个电磁线圈的一些替代实施例中，电动机可以被配置成使得电流在任何一个时间仅通过一个或一些电磁线圈。在电动机包括多个电磁线圈的一些替代实施例中，电动机可以被配置成使得电流顺序地通过所述多个电磁线圈中的每一个电磁线圈。

尽管上面描述了电动机包括第一、第二和第三旋转齿轮构件，但是在替代实施例中，可以根据电动机的尺寸、功率要求和成本要求提供不同数量的旋转齿轮构件。

尽管上面描述了在电动机中的多个中间部分包括非磁性材料，但是在替代实施例中，所述多个部分可以包括磁性材料。

尽管上面描述了电动机包括非磁性层，但是在替代实施例中，电动机可以不包括这样的非磁性层。在这些替代实施例中，电动机的第一齿轮可包括非磁性材料，以使得对多个永磁体和多个电磁线圈的不期望的磁效应被最小化。

尽管在独立权利要求中阐述了本公开内容的各个方面，但是本公开内容的其他方面包括来自所描述的实施例和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其他组合，而不仅仅是在权利要求中明确阐述的组合。

本文还指出，虽然以上描述了各种示例，但是这些描述不应被视为具有限制意义。而是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以作出若干变化和修改。

Claims

1.一种电动机(100)，其特征在于，所述电动机包括：

转子(110)，所述转子具有多个永磁体(112a、112b、112c)和被布置在所述转子内表面上的第一齿轮(118)；

定子，所述定子包括缠绕在所述转子的部分上的多个电磁线圈(120a、120b、120c)；

轴(140)，所述轴被布置成可旋转地支撑在所述电动机中，所述轴包括被布置在所述轴的外表面上的第二齿轮(142)；

至少一个旋转齿轮构件(130a、130b、130c)，所述至少一个旋转齿轮构件被布置在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间的空间中，其中所述至少一个旋转齿轮构件与所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，

其中当电流通过所述多个电磁线圈的至少一个电磁线圈时，产生磁场以使所述转子旋转，从而通过所述第一齿轮和所述至少一个旋转齿轮构件之间的啮合，以及所述第二齿轮和所述至少一个旋转齿轮构件之间的啮合，而将扭矩传递到所述轴；

其中所述永磁体以圆周方式均匀间隔开，并且所述转子进一步包括多个非磁性部分(114)和非磁性层(116)，所述多个非磁性部分位于所述多个永磁体之间，所述非磁性层被布置在所述多个永磁体和所述第一齿轮之间，使得所述多个永磁体和所述多个非磁性部分形成所述转子的最外层。

2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，其中所述转子的第一齿轮和所述轴的第二齿轮之间的空间是圆周空间。

3.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，其中所述第一齿轮包括在所述转子的内表面上形成的多个齿，每个所述齿径向地朝向所述转子的中心轴线突出，并且所述第二齿轮包括在所述轴的外表面上形成的多个齿，每个所述齿从所述轴的中心径向延伸。

4.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述多个电磁线圈以圆周方式均匀间隔开。

5.根据权利要求4所述的电动机，其特征在于，其中所述转子中的多个永磁体的数量与所述多个电磁线圈的数量相同。

6.根据权利要求4或5所述的电动机，其特征在于，其中电流同时通过所述多个电磁线圈。

7.根据权利要求6所述的电动机，其特征在于，其中通过所述多个电磁线圈的电流的方向在每个线圈中是相同的。

8.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，其中电流顺序地通过所述多个电磁线圈中的每一个电磁线圈。

9.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，其中所述多个永磁体的每个永磁体包括相对的磁极，并且在所述多个永磁体中的每个永磁体中的相对的磁极被布置成使得它们沿着所述转子的圆周旋转地对应。

10.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述电动机包括多个旋转齿轮构件，所述多个旋转齿轮构件被布置在所述转子的第一齿轮和所述轴的第二齿轮之间的空间中。

11.根据权利要求10所述的电动机，其特征在于，其中所述多个旋转齿轮构件在所述转子的第一齿轮和所述轴的第二齿轮之间的空间中均匀地间隔开。

12.根据权利要求10或11所述的电动机，其特征在于，其中所述多个旋转齿轮构件(130a、130b、130c)中的每个旋转齿轮构件具有其自己的固定旋转轴。

13.根据权利要求1,2,4,5,10和11中任一项所述的电动机，其特征在于，其中所述轴(140)包括中空的中心。