CN111541319A - 一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，包括定子铁心、电枢绕组、励磁绕组、定子支座、永磁体、导磁极、转子支架、转子导磁背轭、环形导磁体、空心半轴套管、外转子机壳、外转子端盖、轴承和旋转变压器。定子盘位于两个转子盘中间，定子铁心两面的槽内嵌绕电枢绕组，安装在定子支座上，定子支座与空心半轴套管连接，空心半轴套管后端安装旋转变压器；转子盘中永磁体和导磁极交替安装在转子支架上，两个转子支架在空心半轴套管上对称安装；定子铁心外圈安装励磁绕组，转子导磁背轭的外圈设置有环形导磁体，与外转子机壳和外转子端盖连接形成外转子结构。本发明提高了轮毂电机的转矩密度和励磁调节能力，且提高了轮毂电机的安全性。

Description

一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机

技术领域

本发明涉及电动汽车驱动电机技术领域，特别是一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机。

背景技术

随着电动汽车驱动系统技术的发展与革新，电动汽车的驱动方法从集中式驱动发展为分布式轮边驱动，再到分布式轮毂驱动，提升了电动汽车底盘驱动系统的技术水平，提高了整车的动力性能。以轮毂电机为基础的分布式驱动技术是对民用新能源汽车、军用电驱动车辆的全局性优化与升级，是目前较为先进的电动车辆驱动技术，已经得到世界各国研究学者和汽车工业界的广泛关注，而轮毂电机是动力、传动和制动三大功能的高度集成，以轮毂电机为代表的分布式驱动系统是电动车辆动力输出较为理想的解决方案，成为电驱动车辆领域最具发展前景的底盘驱动技术。

永磁电机具有高转矩密度、高效率和无刷励磁等优势，从而成为轮毂电机的首选，因此也被称为永磁轮毂电机。永磁轮毂电机分为内转子高速永磁轮毂电机、外转子直驱永磁轮毂电机、轴向磁场永磁轮毂电机三类。采用外转子直驱式的永磁轮毂电机因结构紧凑、轴向尺寸短、对控制系统的响应速度快，从而受到广泛关注，最具有代表性的是英国Protean公司研制的外转子轮毂电机，其生产的Protean Drive TM轮毂电机能够实现81kW的动力和800N·m的扭矩，而质量仅为31kg，可安装在常规直径为18英寸的轮辋中，其转矩密度达到33N·m/kg。内转子永磁轮毂电机驱动系统一般采用高转速低扭矩特性的永磁电机，为了满足车轮实际转速的要求，需要与减速装置配合使用，来达到减速增扭的目的。轴向磁场永磁轮毂电机也称盘式永磁轮毂电机，其定、转子均为圆盘结构，从而产生轴向的气隙磁场，具有轴向长度短、结构紧凑、转动惯量大、散热性好等特点。因其扁平形的结构，轴向磁场永磁电机作为轮毂电机应用具有较大优势。

近年来出现的磁阻类电机，其磁场调制原理有利于实现多极低速大转矩，有学者提出了该类形原理的轮毂直驱电机，例如专利CN 106602822 A公开的一种转子永磁形磁通切换轮毂电机。

永磁电机因其高效率、高转矩/功率密度等优势使得其在轮毂驱动系统中得以快速发展，但由于永磁体恒定励磁特性导致电机磁链调节困难，所带来的高速弱磁运行效率低、不可逆退磁风险高、故障弱磁困难等固有问题一直未得到实质性的解决，而永磁轮毂电机在高速运行下电枢电流弱磁控制失效后的反电势冲击问题和在宽转矩范围下的转矩精度控制问题，使其在实际应用方面也面临着很大挑战。

永磁轮毂电机还难以完全适应于与电动汽车分布式驱动系统对轮毂电机提出的几点苛刻要求：①提高电机的宽转速范围运行能力；②同时具备强过载与宽转速弱磁能力；③在宽的负载转矩变化范围下应能够有效保证转矩精度；④高速运行下电枢电流弱磁控制失效后反电势冲击下保证整车电气系统的安全性。尽管永磁电机具有高效率高功率密度的突出优点，但仍然难以完全兼顾以上四个方面的要求。

混合励磁电机综合永磁电机高效率、高功率密度和电磁式同步电机磁场调节方便的优点，最大限度发挥两者优势。通过励磁电流的调节，弱磁扩速能力大幅提高，低速大转矩和高速弱磁运行的效率显著提升；同时通过励磁电流的调节可以保证低转矩负载下的转矩精度控制，并且进一步提高短时强过载能力，从而可以很好的兼顾轮毂电机以上四个方面的要求。而轴向磁场永磁电机具有转矩密度高，定子结构形式多样，过载能力强，轴向结构紧凑等显著优势，适合在车辆轮毂内集成。专利CN 107276356 A公开的一种轴向磁通无刷混合励磁电机采用了爪极结构实现混合励磁无刷化，机械结构复杂可靠性差，不适应车轮内集成。专利CN 108616203 A公开的错位双定子混合励磁形轴向磁场磁通切换电机，尽管其电机结构强度好，但是其转矩密度与同步电机比有所降低。因此，混合励磁电机与轴向磁场电机拓扑的结合在轮毂电机中应用需要考虑结构集成、转矩密度、无刷励磁等多种约束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转矩密度高、励磁调节能力强、电机在高速运行时安全弱磁能力强的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，能够解决轮毂电机主动控制高速失效时反电势冲击安全性问题。

实现本发明目的技术解决方案为：一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，包括定子盘、转子盘、空心半轴套管、外转子机壳、外转子端盖、轴承和旋转变压器，其中定子盘包括定子铁心、电枢绕组、励磁绕组和定子支座，转子盘包括永磁体、导磁极、转子支架、转子导磁背轭和环形导磁体；

所述定子盘位于两个转子盘中间，定子铁心两面的槽内嵌绕电枢绕组，电枢绕组的跨距根据定子铁心的开槽数匹配得到；嵌绕好电枢绕组的定子铁心安装在定子支座上，定子支座与空心半轴套管连接；

所述定子铁心两侧为转子盘，转子盘转子极数与定子铁心的开槽数匹配；所述永磁体和导磁极交替安装在转子支架上，两个转子支架在空心半轴套管上对称安装，使在轴向方向上永磁体对应永磁体，导磁极对应导磁极；两个转子盘上的转子导磁背轭的外圈设置有环形导磁体，所述转子导磁背轭和环形导磁体连接形成倒U形外结构，其与外转子机壳连接安装并与外转子端盖连接形成一个外转子结构；所述转子倒U形结构内安装有励磁绕组，励磁绕组环绕在定子铁心外圈；

所述转子导磁背轭、永磁体和导磁极采用转子支架支撑，然后通过轴承连接在空心半轴套管上形成外转子旋转部分；所述空心半轴套管后端安装有旋转变压器，用于识别转子位置信息。

作为一种具体示例，所述定子铁心为环形结构，由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制而成；在定子铁心的两个轴向端面开设有多个径向槽，各径向槽结构相同且在圆周上均匀分布，中间保留定子轭用于结构固定和连接；两个轴向端面开设有径向槽嵌绕电枢绕组，用于实现同相位的串联和同相位的并联。

作为一种具体示例，所述转子导磁背轭和环形导磁体连接形成倒U形外结构；所述转子导磁背轭由软磁合金材料压制而成，用于实现径向方向轴向方向和圆周方向的导磁能力；所述环形导磁体由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制。

作为一种具体示例，所述导磁极由硅钢片叠压而成或由软磁合金材料压制；所述两个转子导磁背轭在空心半轴套管上对称安装在定子铁心两侧；所述两个转子导磁背轭的内侧的永磁体和导磁极在轴向方向对称安装，两个永磁体充磁方向相同，永磁体和导磁极的内外圆弧半径与定子铁心内外圆半径相同。

作为一种具体示例，所述转子导磁背轭外径大于所述定子铁心外径。

作为一种具体示例，所述转子支架外圈侧面呈辐条状结构，辐条数与电机的极数相同，用于匹配连接永磁体和导磁极；所述转子支架内侧用于固定支撑转子盘。

作为一种具体示例，所述励磁绕组为环形结构，位于两个转子盘之间，安装在定子铁心外圈。

作为一种具体示例，所述励磁绕组和电枢绕组(3)的引出线通过空心半轴套管(6)的半轴引出。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用轴向磁场电机技术原理，引入混合励磁实现外转子结构设计，提高了电机转矩密度；(2)保证了较大的励磁调节能力，提高了电机在高速运行安全弱磁能力，解决了轮毂电机主动控制高速失效时反电势冲击的安全性问题。

附图说明

图1是本发明一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机的结构爆炸图。

图2是本发明实施例中定子的结构爆炸图。

图3是本发明实施例中定子安装总成的三维结构示意图。

图4是本发明实施例中定子安装总成的二维结构示意视图。

图5是本发明实施例中转子盘的结构爆炸图。

图6是本发明实施例中转子盘的三维结构示意图。

图7是本发明实施例中转子总成的二维结构示意图。

图8是本发明实施例中电机总成的二维结构示意图。

图9是本发明轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机的磁路运行原理图，其中(a)为励磁为负的磁路运行原理图，(b)为励磁为正的磁路运行原理图。

图中：1、定子铁心，2、转子盘，2-1、永磁体，2-2导磁极，2-3、转子支架，2-4、转子导磁背轭，3、电枢绕组，4、励磁绕组，5、定子支座，6、空心半轴套管，7、环形导磁体，8、轴承，9、旋转变压器，10、外转子壳体，11、外转子端盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

结合图1，本发明一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，包括定子盘、转子盘2、空心半轴套管6、外转子机壳10、外转子端盖11、轴承8和旋转变压器9，其中定子盘包括定子铁心1、电枢绕组3、励磁绕组4和定子支座5，转子盘2包括永磁体2-1、导磁极2-2、转子支架2-3、转子导磁背轭2-4和环形导磁体7；

结合图2、图3、图4，所述定子盘位于两个转子盘2中间，定子铁心1两面的槽内嵌绕电枢绕组3，电枢绕组3的跨距根据定子铁心1的开槽数匹配得到；嵌绕好电枢绕组3的定子铁心1安装在定子支座5上，定子支座5与空心半轴套管6连接；

结合图5、图6、图7，所述定子铁心1两侧为转子盘2，转子盘2转子极数与定子铁心1的开槽数匹配；所述永磁体2-1和导磁极2-2交替安装在转子支架2-3上，两个转子支架2-3在空心半轴套管6上对称安装，使在轴向方向上永磁体2-1对应永磁体2-1，导磁极2-2对应导磁极2-2；两个转子盘2上的转子导磁背轭2-4的外圈设置有环形导磁体7，所述转子导磁背轭2-4和环形导磁体7连接形成倒U形外结构，其与外转子机壳10连接安装并与外转子端盖11连接形成一个外转子结构；所述转子倒U形结构内安装有励磁绕组4，励磁绕组4环绕在定子铁心1外圈；

结合图8，所述转子导磁背轭2-4、永磁体2-1和导磁极2-2采用转子支架2-3支撑，然后通过轴承8连接在空心半轴套管6上形成外转子旋转部分；所述空心半轴套管6后端安装有旋转变压器9，用于识别转子位置信息。

进一步地，所述定子铁心1为环形结构，其由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制而成；在定子铁心1的两个轴向端面开设有多个径向槽，各径向槽结构相同且在圆周上均匀分布，中间保留定子轭用于结构固定和连接；两个轴向端面开设有径向槽嵌绕电枢绕组3，用于实现同相位的串联和同相位的并联。

进一步地，所述转子导磁背轭2-4和环形导磁体7连接形成倒U形外结构；所述转子导磁背轭2-4由软磁合金材料压制而成，用于实现径向方向轴向方向和圆周方向的导磁能力；所述环形导磁体7由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制。

进一步地，所述导磁极2-2由硅钢片叠压而成或由软磁合金材料压制；所述两个转子导磁背轭2-4在空心半轴套管6上对称安装在定子铁心1两侧；所述两个转子导磁背轭2-4的内侧的永磁体2-1和导磁极2-2在轴向方向对称安装，两个永磁体2-1充磁方向相同，永磁体2-1和导磁极2-2的内外圆弧半径与定子铁心内外圆半径相同。

进一步地，所述转子导磁背轭2-4外径大于所述定子铁心1外径。

进一步地，所述转子支架2-3外圈侧面呈辐条状结构，其辐条数与电机的极数相同，用于匹配连接永磁体2-1和导磁极2-2；所述转子支架2-3内侧用于固定支撑转子盘2。

进一步地，所述励磁绕组4为环形结构，位于两个转子盘2之间，安装在定子铁心1外圈。

进一步地，所述励磁绕组4和电枢绕组3的引出线通过空心半轴套管6的半轴引出。

实施例1

结合图1，本实施例所示的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机为96槽32极拓扑结构，所述定子铁心1在轴向两个端面开设有96径向槽，各径向槽结构相同且在圆周上均匀分布，并且两个端面的径向槽开设的形状和位置完全一致，两个端面的槽不贯通，保留很小的一部分定子轭用于结构固定和连接，这一部分的定子轭不参与磁场在圆周方向的导磁，只用于结构设计和工艺方面的要求。定子铁心2的磁场方向为轴向方向，即定子铁心2上的磁通轴向穿过一个齿后经过中间很小的轭部后进入另外一边的齿。

本实施例是电枢绕组是三相系统，因此在定子铁心2上嵌绕三相绕组系统，两个轴向端面开设的径向槽内嵌绕各自的三相电枢绕组3，嵌绕后的两个端部的电枢绕组3可以实现同相位的串联也可以实现同相位的并联。定子铁心1绕组绕制完成后安装坐落于定子支座5上，定子支座5安装于空心半轴套管6上。

本实施例定子爆炸图如图2所示，环形励磁绕组4安装嵌套在定子铁心1上。

本实施例的环形励磁绕组4、定子铁心1、电枢绕组3、定子支座5、空心半轴套管6组成的定子总成及其相对位置的三维视图如图3所示，图4给出了本实施例定子安装总成二维视图，所述定子铁心1为环形结构，其由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制而成。

图5给出了本实施例转子盘爆炸图，其为单边的转子盘2，包括永磁体2-1、导磁极2-2、转子支架2-3、转子导磁背轭2-4和环形导磁体7。所述永磁体2-1和导磁极2-2沿着圆周方向交替安装在转子导磁背轭2-4上，如图6所示的转子盘三维视图，其永磁体2-4和导磁极2-2安装在转子导磁背轭转子上，然后通过转子支架2-3固定，转子支架2-3外圈侧面开有槽，用于放置永磁体2-1和导磁极2-2，转子支架2-3外侧保留圆环约束永磁体2-1和导磁环2-2的径向位置，并且永磁体2-1和导磁极2-2的内外圆弧半径与定子铁心1内外圆半径相同。所述导磁极2-2由硅钢片叠压而成或由软磁合金材料压制；所述转子导磁背轭2-4由软磁合金材料压制而成，以实现径向方向轴向方向和圆周方向的导磁能力。

如图6所示，所述转子盘2上转子导磁背轭2-4的外径大于定子铁心1的外径，向外延伸与环形导磁体7形成倒U形结构，中间环形导磁体7由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制，其中硅钢片绕制而成的漏磁抑制更好。倒U形结构的转子铁心的左右两个盘在转轴上对称安装在定子两侧。所述倒U形结构的转子铁心的左右两个盘的内侧安装的永磁体2-1和导磁极2-2在轴向方向上完全对称，一一对应，永磁体2-1和导磁极2-2的内外圆弧半径与定子铁心1内外圆半径相同。

如图7所示，所示倒U形结构的转子铁心与外转子机壳10连接安装并与外转子端盖11连接形成一个外转子结构。转子支架2-3内侧用于固定支撑倒U形结构的转子铁心1的左右两个盘。转子支架2-3通过轴承8与空心半轴套管6连接，两个转子盘2上的永磁体2-1充磁方向相同，均为轴向同一方向。

如图8所示，所述励磁绕组4位于倒U形结构的转子铁心里面，安装在定子铁心1外圈上，励磁绕组4成环形结构，励磁绕组4和电枢绕组3的引出线通过空心套管6的半轴引出，空心半轴套管6后端安装有旋转变压器7，用于识别转子位置信息。

本发明的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机采用轴向磁场电机技术原理引入混合励磁实现外转子结构设计，提高了电机转矩密度，同时提高了励磁调节能力，提高了电机在高速运行的安全弱磁能力，解决了轮毂电机主动控制高速失效时反电势冲击的安全性问题。

如图9所示，为本发明轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机的磁路运行原理图。当励磁为负时候，电励磁磁场经过环形导磁体7、转子导磁背轭2-4和导磁极2-2作用的导气隙侧与永磁体2-1作用的气隙磁场的方向相同，从而减小了一对极下的电枢绕组3的反电势。随着励磁电流发现增大，导磁通对应的气隙磁密和永磁体2-1对应的气隙磁密幅值趋于接近，电枢绕组3的反电势减小；相反，励磁为正时候，电励磁磁场经过环形导磁体7、转子导磁背轭2-4和导磁极2-2作用的导气隙侧与永磁体2-1作用的气隙磁场的方向相反，从而减小了一对极下的电枢绕组3的反电势。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想实施的技术方案以及在本申请公开技术方案基础上所做的任何改动均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，包括定子盘、转子盘(2)、空心半轴套管(6)、外转子机壳(10)、外转子端盖(11)、轴承(8)和旋转变压器(9)，其中定子盘包括定子铁心(1)、电枢绕组(3)、励磁绕组(4)和定子支座(5)，转子盘(2)包括永磁体(2-1)、导磁极(2-2)、转子支架(2-3)、转子导磁背轭(2-4)和环形导磁体(7)；

所述定子盘位于两个转子盘(2)中间，定子铁心(1)两面的槽内嵌绕电枢绕组(3)，电枢绕组(3)的跨距根据定子铁心(1)的开槽数匹配得到；嵌绕好电枢绕组(3)的定子铁心(1)安装在定子支座(5)上，定子支座(5)与空心半轴套管(6)连接；

所述定子铁心(1)两侧为转子盘(2)，转子盘(2)转子极数与定子铁心(1)的开槽数匹配；所述永磁体(2-1)和导磁极(2-2)交替安装在转子支架(2-3)上，两个转子支架(2-3)在空心半轴套管(6)上对称安装，使在轴向方向上永磁体(2-1)对应永磁体(2-1)，导磁极(2-2)对应导磁极(2-2)；两个转子盘(2)上的转子导磁背轭(2-4)的外圈设置有环形导磁体(7)，所述转子导磁背轭(2-4)和环形导磁体(7)连接形成倒U形外结构，其与外转子机壳(10)连接安装并与外转子端盖(11)连接形成一个外转子结构；所述转子倒U形结构内安装有励磁绕组(4)，励磁绕组(4)环绕在定子铁心(1)外圈；

所述转子导磁背轭(2-4)、永磁体(2-1)和导磁极(2-2)采用转子支架(2-3)支撑，然后通过轴承(8)连接在空心半轴套管(6)上形成外转子旋转部分；所述空心半轴套管(6)后端安装有旋转变压器(9)，用于识别转子位置信息。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述定子铁心(1)为环形结构，由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制而成；在定子铁心(1)的两个轴向端面开设有多个径向槽，各径向槽结构相同且在圆周上均匀分布，中间保留定子轭用于结构固定和连接；两个轴向端面开设有径向槽嵌绕电枢绕组(3)，用于实现同相位的串联和同相位的并联。

3.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述转子导磁背轭(2-4)和环形导磁体(7)连接形成倒U形外结构；所述转子导磁背轭(2-4)由软磁合金材料压制而成，用于实现径向方向轴向方向和圆周方向的导磁能力；所述环形导磁体(7)由硅钢片卷绕而成或由软磁合金材料压制。

4.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述导磁极(2-2)由硅钢片叠压而成或由软磁合金材料压制；所述两个转子导磁背轭(2-4)在空心半轴套管(6)上对称安装在定子铁心(1)两侧；所述两个转子导磁背轭(2-4)的内侧的永磁体(2-1)和导磁极(2-2)在轴向方向对称安装，两个永磁体(2-1)充磁方向相同，永磁体(2-1)和导磁极(2-2)的内外圆弧半径与定子铁心内外圆半径相同。

5.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述转子导磁背轭(2-4)外径大于所述定子铁心(1)外径。

6.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述转子支架(2-3)外圈侧面呈辐条状结构，辐条数与电机的极数相同，用于匹配连接永磁体(2-1)和导磁极(2-2)；所述转子支架(2-3)内侧用于固定支撑转子盘(2)。

7.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述励磁绕组(4)为环形结构，位于两个转子盘(2)之间，安装在定子铁心(1)外圈。

8.根据权利要求1所述的轴向磁场混合励磁外转子轮毂直驱电机，其特征在于，所述励磁绕组(4)和电枢绕组(3)的引出线通过空心半轴套管(6)的半轴引出。

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