CN112968558B - 一种磁浮轮毂电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁浮装置领域，公开一种磁浮轮毂电机。磁浮轮毂电机包括电机轴、壳体、第一驱动单元和第二驱动单元。壳体包括与电机轴同轴的圈体。圈体设有第一磁体阵列和第二磁体阵列。电机轴设有第一线圈阵列和第二线圈阵列。第一磁体阵列和第一线圈阵列与第二磁体阵列和第二线圈阵列分别对应形成第一驱动单元和第二驱动单元。第一磁体阵列包括沿轴向交替的磁化方向相反的两种磁体。第二磁体阵列包括沿周向交替的磁化方向相反的两种磁体，第一线圈阵列包括沿周向的多个设有直流线圈的第一线圈组，直流线圈两端分别对应不同极性的磁体。第二线圈阵列包括沿周向的多个第二线圈组，第二线圈组包括沿周向的三相线圈。本发明能够实现车轮无接触的转向。

Description

一种磁浮轮毂电机
技术领域
本发明涉及磁浮装置领域，尤其涉及一种磁浮轮毂电机。
背景技术
轮毂电机是永磁同步电机中的一种，其在电动车等领域有广泛的应用。轮毂电机包括电机轴和壳体，壳体上设置有圈体，圈体能够间隔套设在电机轴外，且电机轴水平设置并与车辆的车架固定连接，圈体与车轮的内圈固定。目前现有技术中的轮毂电机能够实现圈体与电机轴之间的悬浮以及圈体绕电机轴的轴线转动，保证在直行时，车轮与车架不接触，实现减震效果。但如需完成车辆的转向功能，还需要在车轮与车架之间设置连接件沿车轮的径向扭转车轮，降低了减震效果，且不能避免零件磨损。
基于此，亟需一种磁浮轮毂电机用来解决如上提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁浮轮毂电机，实现了车轮无接触的转向，提高了减震效果，且避免了零件磨损，提高了实用性，扩大了磁浮轮毂电机的适用范围。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种磁浮轮毂电机，包括：
电机轴；
壳体，包括圈体，所述圈体与所述电机轴同轴设置，且所述圈体间隔套设在所述电机轴外；
第一驱动单元，包括相对设置的第一磁体阵列和第一线圈阵列，所述第一磁体阵列设置在所述圈体的内壁上，所述第一线圈阵列设置在所述电机轴上；
所述第一磁体阵列包括沿所述圈体的轴向交替排布的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体的磁化方向相反；
所述第一磁体的磁化方向沿所述圈体的径向背离所述第一线圈阵列；
所述第二磁体的磁化方向沿所述圈体的径向指向所述第一线圈阵列；
垂直于所述圈体的轴线的同一平面上的所述第一磁体阵列中的磁体的磁化方向相同；
所述第一线圈阵列包括多个沿所述电机轴周向排列的第一线圈组，至少两个所述第一线圈组沿所述电机轴的径向相对设置，每个所述第一线圈组均包括至少一个直流线圈，且每个所述直流线圈沿所述电机轴轴线方向的两端分别对应所述第一磁体和所述第二磁体；
第二驱动单元，所述第二驱动单元沿所述电机轴的轴向与所述第一驱动单元间隔设置，所述第二驱动单元包括相对设置的第二磁体阵列和第二线圈阵列，所述第二磁体阵列设置在所述圈体的内壁上，所述第二线圈阵列设置在所述电机轴上；
所述第二磁体阵列包括沿所述圈体周向交替排布的多个第三磁体和多个第四磁体，所述第三磁体和所述第四磁体的磁化方向相反；
所述第三磁体的磁化方向沿所述圈体的径向背离所述第二线圈阵列；
所述第四磁体的磁化方向沿所述圈体的径向指向所述第二线圈阵列；
所述第二线圈阵列包括多个沿所述电机轴周向排列的第二线圈组，每个所述第二线圈组包括至少一组沿所述电机轴周向排列的三相线圈。
优选地，所述磁浮轮毂电机还包括检测组件，所述检测组件包括传感器阵列，所述传感器阵列包括多个霍尔传感器，多个所述霍尔传感器固定在所述电机轴上并沿所述电机轴的周向均布。
优选地，所述第一磁体呈环状且与所述圈体同轴，所述第二磁体呈环状且与所述圈体同轴。
优选地，所述第三磁体与所述第四磁体沿所述圈体的周向间隔均布。
优选地，所述第一线圈阵列包括四个沿所述电机轴周向均布的所述第一线圈组。
优选地，所述第二线圈阵列包括四个沿所述电机轴周向均布的所述第二线圈组。
优选地，所述第一磁体阵列还包括第五磁体，所述第五磁体位于所述第二磁体和所述第一磁体之间，并且所述第五磁体的磁化方向由所述第一磁体指向所述第二磁体，使所述第一磁体、所述第二磁体和所述第五磁体形成海尔贝克阵列。
优选地，所述第二磁体阵列还包括第六磁体，所述第六磁体位于所述第四磁体和所述第三磁体之间，并且所述第六磁体的磁化方向由所述第三磁体指向所述第四磁体，使所述第三磁体、所述第四磁体和所述第六磁体形成海尔贝克阵列。
优选地，所述电机轴上还设有多个第一铁芯和多个第二铁芯，所述直流线圈一一对应绕设在所述第一铁芯上，所述三相线圈中的每个线圈一一对应绕设在所述第二铁芯上。
优选地，所述第一驱动单元和/或所述第二驱动单元至少设置有两个，所述第一驱动单元与所述第二驱动单元沿所述电机轴的轴向交替设置。
本发明的有益效果：第一驱动单元中，第一线圈阵列通电后，在第一线圈阵列中两个沿电机轴径向相对设置的第一线圈组产生的磁场的作用下，能够使得第一磁体阵列具有绕圈体的径向旋转的转矩，即圈体能够沿电机轴的径向转动。第二驱动单元中，第二线圈阵列通电后，在第二线圈阵列产生的磁场的作用下，能够使得第二磁体阵列具有绕电机轴的轴向旋转的转矩及沿电机轴的径向的力，即圈体能够绕电机轴的轴向转动，也能够实现磁浮。本发明提供的磁浮轮毂电机实现了圈体与电机轴相对悬浮并转动的同时，又实现了圈体绕电机轴的径向转动。当电机轴水平固定在车架上，圈体固定在车轮的内圈时，本发明提供的磁浮轮毂电机实现了车轮无接触的转向，提高了减震效果，且避免了零件磨损，提高了实用性，扩大了磁浮轮毂电机的适用范围。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的磁浮轮毂电机的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的磁浮轮毂电机的部分结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的磁浮轮毂电机的剖视图；
图4是本发明实施例一提供的磁浮轮毂电机的第一驱动单元的结构示意图图；
图5是本发明实施例一提供的磁浮轮毂电机的第二驱动单元的结构示意图图；
图6是本发明实施例一提供的第一驱动单元的第一种驱动情形的示意图；
图7是本发明实施例一提供的第一驱动单元的第二种驱动情形的示意图；
图8是本发明实施例一提供的第一驱动单元的第三种驱动情形的示意图；
图9是本发明实施例一提供的第二驱动单元的第一种驱动情形的示意图；
图10是本发明实施例一提供的第二驱动单元的第二种驱动情形的示意图；
图11是本发明实施例一提供的第二驱动单元的第三种驱动情形的示意图；
图12是本发明实施例二提供的磁浮轮毂电机的结构示意图。
图中：
10、电机轴；20、壳体；201、圈体；202、封盖；
1、第一磁体阵列；11、第一磁体；12、第二磁体；13、第五磁体；2、第一线圈阵列；21、直流线圈；3、第二磁体阵列；31、第三磁体；32、第四磁体；33、第六磁体；4、第二线圈阵列；41、三相线圈；411、U相线圈；412、V相线圈；413、W相线圈；5、霍尔传感器。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
本实施例提供了一种磁浮轮毂电机。具体地，如图1-图5所示，磁浮轮毂电机包括电机轴10、壳体20、第一驱动单元和第二驱动单元。电机轴10能够与车辆上的车轮轴固定连接。
壳体20包括圈体201，圈体201与电机轴10同轴设置，且圈体201间隔套设在电机轴10外；第一驱动单元包括相对设置的第一磁体阵列1和第一线圈阵列2，第一磁体阵列1设置在圈体201的内壁上，第一线圈阵列2设置在电机轴10上，第一磁体阵列1包括沿圈体201的轴向交替排布的第一磁体11和第二磁体12，第一磁体11和第二磁体12的磁化方向相反。
垂直于圈体201的轴线的同一平面上的第一磁体阵列1中的磁体的磁化方向相同。其中，“垂直于圈体201的轴线的同一平面上的第一磁体阵列1中的磁体”可为第一磁体阵列1中的任何一种磁体，如其可为第一磁体11或第二磁体12。
第一线圈阵列2包括多个沿电机轴10周向排列的第一线圈组，至少两个第一线圈组沿电机轴10的径向相对设置，每个第一线圈组均包括至少一个直流线圈21，且每个直流线圈21沿电机轴10轴线方向的两端分别对应第一磁体11和第二磁体12。
在一些实施例中，第一线圈组沿着电机轴10的周向均匀排列。第一线圈组均匀排列，第一线圈组内的直流线圈21通电后，直流线圈21产生的磁场能够沿电机轴10的周向均布，当圈体201与电机轴10相对运动时，圈体201的运动更加平稳无波动。
本实施例中，第一线圈阵列2包括四个第一线圈组，四个第一线圈组沿电机轴10的周向均匀分布；其中，两个第一线圈组为一对，每一对的两个第一线圈组沿电机轴10的径向相对设置。这里仅为举例，具体实施时，只要保证下面条件即可：第一线圈阵列2中至少有一对第一线圈组沿电机轴10的径向相对设置。
第一驱动单元中，第一线圈阵列2通电后，在第一线圈阵列2中两个沿电机轴10径向相对设置的第一线圈组产生的磁场的作用下，能够使得第一磁体阵列1具有绕圈体201的径向旋转的转矩，即圈体201能够绕电机轴10的径向转动。
本实施例中，第一驱动单元仅包括一个第一磁体阵列1和一个第一线圈阵列2，具体实施时，第一驱动单元可以包括两个及以上的第一磁体阵列1，以及与第一磁体阵列1相同数量的第一线圈阵列2。多个第一磁体阵列1沿着圈体201的轴向排列；多个第一线圈阵列2沿着圈体201的轴向排列；且第一磁体阵列1和第一线圈阵列2的位置一一对应。
第二驱动单元包括相对设置的第二磁体阵列3和第二线圈阵列4，第二磁体阵列3设置在圈体201的内壁上，第二线圈阵列4设置在电机轴10上，第二磁体阵列3包括沿圈体201周向交替排布的第三磁体31和第四磁体32，第三磁体31的磁化方向和第四磁体32的磁化方向相反，第二线圈阵列4包括多个沿电机轴10周向排列的第二线圈组，每个第二线圈组包括至少一组沿电机轴10周向排列的三相线圈41；且第二驱动单元沿电机轴10的轴向与第一驱动单元间隔设置。
在一些实施例中，多个第二线圈组沿电机轴10周向均匀排列。第二线圈组均匀排列，第二线圈组内的三相线圈41通电后，三相线圈41产生的磁场能够沿电机轴10的周向均布，当圈体201与电机轴10相对运动时，进一步保证了圈体201的运动平稳无波动。
本实施例中，第二线圈阵列4包括四个沿电机轴10周向均布的第二线圈组。第二驱动单元中，第二线圈阵列4通电后，在第二线圈阵列4产生的磁场的作用下，能够使得第二磁体阵列3具有绕电机轴10的轴向旋转的转矩及沿电机轴10的径向的力，即圈体201能够绕电机轴10轴向转动，也能够实现磁浮。
本实施例提供的磁浮轮毂电机实现了圈体201与电机轴10相对悬浮并转动的同时，又实现了圈体201绕电机轴10的径向转动。当电机轴10水平固定在车架上，圈体201固定在车轮的内圈时，本实施例提供的磁浮轮毂电机实现了车轮无接触的转向，提高了减震效果，且避免了零件磨损，提高了实用性，扩大了磁浮轮毂电机的适用范围。可以理解的是，第二线圈组中的三相线圈41分别为U相线圈411、V相线圈412和W相线圈413三个交流线圈。
本实施例中，第二驱动单元仅包括一个第二磁体阵列3和一个第二线圈阵列4，具体实施时，第二驱动单元可以包括两个及以上的第二磁体阵列3，以及与第二磁体阵列3相同数量的第二线圈阵列4；多个第二磁体阵列3沿着圈体201的轴向排列；多个第二线圈阵列4沿着电机轴10的轴向排列；且第二磁体阵列3和第二线圈阵列4的位置一一对应。
为了便于理解，在图中设置XYZ坐标系，且Y、Z方向为电机轴10的径向，X方向为电机轴10的轴向，绕X、Y、Z轴旋转的方向分别为Rx、Ry、Rz方向。本实施例提供的轮毂电机实际安装在车辆上时，X轴沿车轮的轴线方向水平设置，Y轴沿车身长度方向设置，Z轴为竖直方向设置。
在本实施例中，每个第一线圈组内设置一个直流线圈21，直流线圈21呈腰型，沿电机轴10的轴向的两端为两条直边，两条直边分别与第一磁体11以及第二磁体12对应；针对图2中的方向，直流线圈21对应X轴正方向的直边对应第二磁体12，对应X轴负方向的直边对应第一磁体11。这里仅为举例，具体实施时，如果第一磁体11和第二磁体12的排列顺序变化，那么直流线圈21对应X轴正方向的直边也可以对应第一磁体11，对应X轴负方向的直边也可以对应第二磁体12。可以理解的是，在图3中，直流线圈21对应X轴负方向的直边位于上方，直流线圈21对应X轴正方向的直边位于下方。第二线圈组中的三相线圈41的U相线圈411、V相线圈412和W相线圈413三个交流线圈均沿Rx方向排列，每个第二线圈组内包括一组三相线圈41。在其他实施例中，每个第一线圈组内包括的直流线圈21的数量可适应性调整，当直流线圈21的数量大于一个时，多个直流线圈21沿电机轴10的周向即Rx方向排列；每个第二线圈组内包括的三相线圈41的数量也可适应性调整，直流线圈21也可为长方形，在此不作限定。
在本实施例中，为了便于磁浮轮毂电机的固定和避免线路缠绕，电机轴10作为定子，电机轴10与车架固接，壳体20的圈体201作为转子圈，圈体201与车轮固定连接，并能够带动车轮绕Rx方向转动。此外，壳体20还包括封盖202，封堵在圈体201的一端。
具体地，第一磁体11呈环状且与圈体201同轴，第一磁体11可为一体式也可为分段式；第二磁体12呈环状且与圈体201同轴，第二磁体12可为一体式也可为分段式。环状磁体能够保证在第一驱动单元的圆周方向上均设有磁场，保证圈体201在周向的任意位置时第一驱动单元均能够使圈体201与电机轴10产生绕径向的力矩，保证了电机的功能性。可以理解的是，每个第一磁体11和每个第二磁体12均分别沿Rx方向首尾相连呈环状。
需要说明的是，本实施例中第一磁体11的磁化方向沿圈体201的径向背离第一线圈阵列2，即沿圈体201的径向向外，第二磁体12的磁化方向沿圈体201的径向指向第一线圈阵列2，即沿圈体201的径向向内。也就是说，对于第一磁体11而言，S极为第一磁体11沿电机轴10的径向朝向电机轴10的一侧，N极为第一磁体11沿电机轴10的径向背离电机轴10的一侧。对于第二磁体12而言，S极为第二磁体12沿电机轴10的径向背离电机轴10的一侧，N极为第二磁体12沿电机轴10的径向朝向电机轴10的一侧。
优选地，如图2-4所示，第一磁体阵列1还包括第五磁体13。第五磁体13位于第二磁体12和第一磁体11之间，本实施例中第五磁体13的磁化方向由第一磁体11指向第二磁体12，使第一磁体11、第二磁体12和第五磁体13形成海尔贝克阵列(Halbach Array)，以增强第一磁体阵列1靠近第一线圈阵列2的一侧的磁场强度。可以理解的是，对于第五磁体13而言，S极为第五磁体13沿电机轴10的轴向朝向第一磁体11的一侧，N极为第五磁体13沿电机轴10的轴向朝向第二磁体12的一侧。如图3内已使用箭头标示出第一磁体11、第二磁体12和第五磁体13的磁化方向。
对于第一磁体阵列1沿圈体201的径向朝向电机轴10的一侧而言，第五磁体13的磁化方向由第一磁体11的S极指向第二磁体12的N极，同理，对于第一磁体阵列1沿圈体201的径向背离电机轴10的一侧而言，第五磁体13的磁化方向由第一磁体11的N极指向第二磁体12的S极。
在本实施例中，将第一磁体阵列1内的磁体设置为海尔贝克阵列，提高了第一磁体阵列1靠近第一线圈阵列2所处的一侧的磁场强度，保证了本磁浮轮毂电机的功能性及电机运动的灵敏度。在垂直于圈体201的轴向的方向上同一平面内的第五磁体13也沿圈体201的周向首尾相连呈环形，第五磁体13可为一体式也可为分段式。如前文所述垂直于圈体201轴线的同一平面内的磁体的磁化方向相同，可为第一磁体阵列1中的任何一种磁体，具体为第一磁体11、第二磁体12与第五磁体13的其中一种。
在本实施例中，第一磁体11、第二磁体12和第五磁体13均设置有一个，第一磁体11、第五磁体13和第二磁体12依次沿圈体201的轴向排列。
在其他实施例中，第一磁体阵列1内的第一磁体11、第二磁体12和第五磁体13的数量还可根据电机的实际尺寸及需求适应性调整，在此不作限定。在本实施例中，第二磁体12在第一磁体11的X轴正方向上，第五磁体13的磁化方向沿X轴正方向。在一些实施例中，若第二磁体12在第一磁体11的X轴负方向上，那么第五磁体13的磁化方向为沿X轴负方向。需要说明的是，当出现多个第五磁体13、第一磁体11和第二磁体12时，它们可以按照第一磁体11-第五磁体13-第二磁体12-第五磁体13-第一磁体11-第五磁体13-第二磁体12,或者,第二磁体12-第五磁体13-第一磁体11-第五磁体13-第二磁体12-第五磁体13-第一磁体11沿着圈体201的轴向周期性排列。
具体地，如图2-图4所示，本实施例的第一驱动单元中，第一线圈阵列2包括四个沿电机轴10周向均布的第一线圈组，由于每个第一线圈组均包括一个直流线圈21，也就是说，第一线圈阵列2内包括四个直流线圈21。可以理解的是，为了实现对每个第一线圈组内通入的电流都能够单独控制，四个第一线圈组可分别与四个不同的驱动器电连接，从而使得第一驱动单元分为四个第一分支驱动单元，四个第一分支驱动单元均能够驱动电机轴10与圈体201产生相对位移，进一步增多了圈体201的自由度，提高了电机的实用性，扩大了适用范围。在其他实施例中，第一线圈阵列2内的第一线圈组的数量可调整，优选为偶数，且多个第一线圈组可根据自由度需求布置，不局限于以X轴为中心的轴对称布置，在此不作限定。在其他实施例中，驱动器与第一线圈组也可不一一对应连接，可根据自由度需求调整，在此不作限定。
如图4、图6至图8所示，在本实施例中，四个第一分支驱动单元分别为第一分支驱动单元A1、第一分支驱动单元A2、第一分支驱动单元A3和第一分支驱动单元A4，在图中分别标注为A1、A2、A3和A4，四个第一分支驱动单元分别与四个第一线圈组一一对应。其中，第一分支驱动单元A1、第一分支驱动单元A2、第一分支驱动单元A3和第一分支驱动单元A4分别处于Z轴正方向、Y轴负方向、Z轴负方向和Y轴正方向。且四个第一分支驱动单元内流经的电流分别由四个驱动器控制，通过改变每个第一线圈组内的直流线圈21的电流大小与方向，每个第一分支驱动单元均能够以X轴方向驱动电机轴10与圈体201产生相对移动，使得第一驱动单元能够使圈体201获得X、Ry和Rz方向的三个自由度的与电机轴10的相对位移。
其中：
如图6所示为第一驱动单元的第一种驱动情形，此时四组第一线圈组内的直流线圈21均通入方向相同且一致的电流，且通入的电流能够使第一分支驱动单元A1、第一分支驱动单元A2、第一分支驱动单元A3和第一分支驱动单元A4同时驱动圈体201相对电机轴10产生沿X轴正方向或负方向的相对位移，即第一分支驱动单元A1、第一分支驱动单元A2、第一分支驱动单元A3和第一分支驱动单元A4驱动圈体201产生的相对位移的方向相同，此时圈体201可相对电机轴10产生沿X方向的相对位移。
如图7所示为第一驱动单元的第二种驱动情形，此时对应第一分支驱动单元A2和第一分支驱动单元A4的两个第一线圈组的直流线圈21内不通入电流；对应第一分支驱动单元A1和第一分支驱动单元A3的两个第一线圈组内的直流线圈21通入方向相反的电流，且通入的电流能够使第一分支驱动单元A1和第一分支驱动单元A3分别驱动圈体201相对电机轴10产生沿X轴正方向或负方向的方向相反的相对位移，即第一分支驱动单元A1和第一分支驱动单元A3驱动圈体201产生的相对位移的方向相反，此时圈体201可相对电机轴10产生Ry方向即绕Y轴的顺时针或逆时针的相对转动。
如图8所示为第一驱动单元的第三种驱动情形，此时对应第一分支驱动单元A1和第一分支驱动单元A3的两个第一线圈组的直流线圈21内不通入电流；对应第一分支驱动单元A2和第一分支驱动单元A4的两个第一线圈组的直流线圈21内通入方向相反的电流，且通入的电流能够使第一分支驱动单元A2和第一分支驱动单元A4分别驱动圈体201相对电机轴10产生沿X轴正方向或负方向的方向相反的相对位移，即第一分支驱动单元A2和第一分支驱动单元A4驱动圈体201产生的相对位移的方向相反，此时圈体201可相对电机轴10产生Rz方向即绕Z轴顺时针或逆时针的相对转动。
可以理解的是，当车轮需要转动使车前进时，圈体201可沿Rx即绕X轴相对电机轴10转动。当车需要转弯时，圈体201可沿Rz即绕Z轴相对电机轴10转动。当车轮受到扰动时，车轮可能沿Ry方向即绕Y轴偏离电机轴10的轴线，那么圈体201具有Ry的自由度可以进一步保证圈体201与电机轴10之间不接触，保证了减震效果并避免了零件磨损。在其他实施例中，第一分支驱动单元的数量可适应性调整，且每个第一分支驱动单元的位置也可根据磁浮轮毂电机的自由度数量的需求作适应性调整，在此不作限定。
在本实施例中，第三磁体31的磁化方向沿圈体201的径向背离第二线圈阵列4，即沿圈体201的径向向外，第四磁体32的磁化方向沿圈体201的径向指向第二线圈阵列4，即沿圈体201的径向向内。可以理解的是，对于第三磁体31而言，S极为第三磁体31沿电机轴10的径向朝向电机轴10的一侧，N极为第三磁体31沿电机轴10的径向背离电机轴10的一侧。对于第四磁体32而言，S极为第四磁体32沿电机轴10的径向背离电机轴10的一侧，N极为第四磁体32沿电机轴10的径向朝向电机轴10的一侧。如图1、图2和图5所示，优选地，第三磁体31与第四磁体32沿圈体201的周向间隔均布，能够使第二线圈阵列4接受到的磁场较为均匀，能够保证在第二驱动单元的圆周方向上均设有磁场，保证圈体201在圆周的任意位置均能够与电机轴10产生相对位移，保证了本电机的功能性。如图2-图5内已使用箭头标示出第三磁体31与第四磁体32的磁化方向。
在本实施例中，第三磁体31与第四磁体32沿着圈体201的周向间隔均布且交替设置，且沿圈体201的周向布置有八个第三磁体31和八个第四磁体32。在其他实施例中，第三磁体31与第四磁体32之间也可相互贴合，第三磁体31与第四磁体32的数量可调整，在此不作限定，但需要说明的是，第三磁体31与第四磁体32的数量需保证相等，且通常根据实际应用需求调整第三磁体31与第四磁体32以及第二线圈组之间的数量关系。
优选地，第二磁体阵列3还包括第六磁体33。第六磁体33位于第四磁体32和第三磁体31之间，本实施例中，第六磁体33的磁化方向由第三磁体31指向第四磁体32，使第三磁体31、第四磁体32和第六磁体33形成海尔贝克阵列，以增强第二磁体阵列3在第二线圈阵列4所处的一侧的磁场强度。对于第六磁体33而言，S极为第六磁体33朝向第三磁体31的一侧，N极为第六磁体33朝向第四磁体32的一侧。如图5内已使用箭头标示出第三磁体31、第四磁体32和第六磁体33的磁化方向。
对于第二磁体阵列3沿圈体201的径向朝向电机轴10的一侧而言，第六磁体33的磁化方向由第三磁体31的S极指向第四磁体32的N极，同理，对于第二磁体阵列3沿圈体201的径向背离电机轴10的一侧而言，第六磁体33的磁化方向由第三磁体31的N极指向第四磁体32的S极。
在本实施例中，将第二磁体阵列3内的磁体设置为海尔贝克阵列，提高了第二磁体阵列3靠近第二线圈阵列4所处的一侧的磁场强度，保证了本磁浮轮毂电机的功能性，提高了电机运动的灵敏度。在本实施例中，第六磁体33设置在每组相邻的第四磁体32和第三磁体31之间的间隔处，第六磁体33的数量为十六个。在其他实施例中，第六磁体33的数量可根据第四磁体32和第三磁体31的数量适应性调整，在此不作限定。
具体地，如图5所示，本实施例的第二驱动单元中，第二线圈阵列4包括四个沿电机轴10周向均布的第二线圈组，由于每个第二线圈组均包含一组三相线圈41，也就是说第二线圈阵列4包括十二个交流线圈。可以理解的是，为了实现对每个第二线圈组内通入的电流都能够单独控制，四个第二线圈组可分别与四个不同的驱动器电连接，从而使得第二驱动单元分为四个第二分支驱动单元，四个第二分支驱动单元均能够驱动电机轴10与圈体201产生相对轴向的直线移动或绕轴向的转动，进一步增多了圈体201的自由度，提高了电机的实用性，扩大了适用范围。在其他实施例中，第二线圈阵列4内的第二线圈组的数量可调整，优选为偶数，且多个第二线圈组的位置可根据磁浮轮毂电机的自由度需求布置，不局限于以X轴为中心的轴对称布置，在此不作限定。在其他实施例中，驱动器与第二线圈组也可不一一对应连接，可根据自由度需求调整，在此不作限定。
如图9至11所示，在本实施例中，四个第二分支驱动单元分别为第二分支驱动单元B1、第二分支驱动单元B2、第二分支驱动单元B3和第二分支驱动单元B4在图中分别标注为B1、B2、B3和B4，四个第二分支驱动单元分别与四个第二线圈组一一对应。其中，第二分支驱动单元B1、第二分支驱动单元B2、第二分支驱动单元B3和第二分支驱动单元B4分别处于Z轴正方向、Y轴负方向、Z轴负方向和Y轴正方向。且四个第二分支驱动单元内输入的电流分别由四个驱动器控制，通过改变每个第二线圈组内的三相线圈41的U相线圈411、V相线圈412和W相线圈413三个交流线圈的电流大小与方向，每个第二分支驱动单元均能够以Y、Z和Rx方向驱动圈体201与电机轴10产生相对移动，使得第二驱动单元能够使圈体201获得Y、Z和Rx方向的三个自由度与电机轴10的相对位移。
其中：
如图9所示为第二驱动单元的第一种驱动情形，此时四组第二线圈组内均通入方向相同的电流，且通入的电流能够使第二分支驱动单元B1、第二分支驱动单元B2、第二分支驱动单元B3和第二分支驱动单元B4同时驱动圈体201相对电机轴10产生沿Rx方向顺时针或逆时针的相对位移，即第二分支驱动单元B1、第二分支驱动单元B2、第二分支驱动单元B3和第二分支驱动单元B4驱动圈体201产生的相对位移的方向相同，此时圈体201可相对电机轴10产生沿Rx方向及绕X轴的顺时针或逆时针的相对转动。四组第二线圈组内通入的电流一致，且每组第二线圈组内的三相线圈41中的U相线圈411输入电流优选为
Figure BDA0002945901790000161
则相应的V相线圈412输入电流为Im1×[sin(2πft+θ1)]，相应的W相线圈413输入电流为
Figure BDA0002945901790000162
其中Im1为电流幅值，f为电流的频率，初相位为θ1，t为通电时间。
如图10所示为第二驱动单元的第二种驱动情形，此时对应第二分支驱动单元B1和第二分支驱动单元B3的两个第二线圈组内不通入电流；对应第二分支驱动单元B2和第二分支驱动单元B4的两个第二线圈组内通入方向相反的电流，且通入的电流能够使第二分支驱动单元B2和第二分支驱动单元B4同时驱动圈体201相对电机轴10产生沿Y轴正方向或负方向的相对位移，即第二分支驱动单元B2和第二分支驱动单元B4驱动圈体201产生的相对位移的方向相同，此时圈体201可相对电机轴10产生沿Y方向的相对位移。对应第二分支驱动单元B2和第二分支驱动单元B4的两个第二线圈组内通入的电流方向相反，其中一个第二线圈组内的三相线圈41中的U相线圈411输入电流优选为
Figure BDA0002945901790000171
则相应的V相线圈412输入电流为Im2×[sin(2πft+θ2)]，相应的W相线圈413输入电流为
Figure BDA0002945901790000172
其中Im2为电流幅值，f为电流的频率，初相位为θ2，t为通电时间。那么，另一个第二线圈组内的三相线圈41中的U相线圈411输入电流优选为
Figure BDA0002945901790000173
则相应的V相线圈412输入电流为-Im2×[sin(2πft+θ2)]，相应的W相线圈413输入电流为
Figure BDA0002945901790000174
其中Im2为电流幅值，f为电流的频率，初相位为θ2，t为通电时间。
如图11所示为第二驱动单元的第三种驱动情形，此时对应第二分支驱动单元B2和第二分支驱动单元B4的两个第二线圈组内不通入电流；对应第二分支驱动单元B1和第二分支驱动单元B3的两个第二线圈组内通入方向相反的电流，且通入的电流能够使第二分支驱动单元B1和第二分支驱动单元B3同时驱动圈体201相对电机轴10产生沿Z轴正方向或负方向的相对位移，即第二分支驱动单元B1和第二分支驱动单元B3驱动圈体201产生的相对位移的方向相同，此时圈体201可相对电机轴10产生沿Z方向的相对位移。对应第二分支驱动单元B1和第二分支驱动单元B3的两个第二线圈组内通入的电流方向相反，其中一个第二线圈组内的三相线圈41中的U相线圈411输入电流优选为
Figure BDA0002945901790000181
则相应的V相线圈412输入电流为Im3×[sin(2πft+θ3)]，相应的W相线圈413输入电流为
Figure BDA0002945901790000182
其中Im3为电流幅值，f为电流的频率，初相位为θ3，t为通电时间。那么，另一个第二线圈组内的三相线圈41中的U相线圈411输入电流优选为
Figure BDA0002945901790000183
则相应的V相线圈412输入电流为-Im3×[sin(2πft+θ3)]，相应的W相线圈413输入电流为
Figure BDA0002945901790000184
其中Im3为电流幅值，f为电流的频率，初相位为θ3，t为通电时间。
可以理解的是，每个第二分支驱动单元均可同时输出沿圈体201径向的力及绕X轴的转矩，以实现车轮前进转动以及电机轴10与圈体201之间的悬浮。在其他实施例中，第二分支驱动单元的数量可适应性调整，且每个第二分支驱动单元的位置也可根据磁浮轮毂电机的自由度数量的需求作适应性调整，在此不作限定。且各个第二线圈组内通入的电流也可不局限于上述提到的关系式，在此不作限定。优选地，当圈体201相对于电机轴10转动时，四个第二分支驱动单元中通入的电流应该保证电机轴10上设置的三相线圈41所形成的电感应磁场的转速与圈体201上设置的磁体的磁场转速一致，保证轮毂电机能够稳定转动。
可以理解的是，在本实施例的第一驱动单元与第二驱动单元能够共同作用，即第一线圈阵列2包括四个沿电机轴10周向均布的第一线圈组，第二线圈阵列4包括四个沿电机轴10周向均布的第二线圈组，使得本磁浮轮毂电机中的圈体201相对电机轴10具有六个自由度的相对位移。
当圈体201需要与电机轴10之间产生X轴方向的相对位移时，可仅向第一驱动单元通入电流，不向第二驱动单元通入电流，此时第一驱动单元处于第一种驱动情形，能够驱动圈体201相对电机轴10产生X轴方向位移。
当圈体201需要与电机轴10之间产生Y轴方向的相对位移时，可仅向第二驱动单元通入电流，不向第一驱动单元通入电流，此时第二驱动单元处于第二种驱动情形，能够驱动圈体201相对电机轴10产生Y轴方向位移。
当圈体201需要与电机轴10之间产生Z轴方向的相对位移时，可仅向第二驱动单元通入电流，使第二驱动单元处于第三种驱动情形，第二驱动单元驱动圈体201相对电机轴10产生Z轴方向位移。
当圈体201需要与电机轴10之间产生Rx方向的相对转动时，可仅向第二驱动单元通入电流，使第二驱动单元处于第一种驱动情形，第二驱动单元驱动圈体201相对电机轴10产生Rx方向转动。
当圈体201需要与电机轴10之间产生Ry方向的相对转动时，可仅向第一驱动单元通入电流，使第一驱动单元处于第二种驱动情形，第一驱动单元驱动圈体201相对电机轴10产生Ry方向转动。
当圈体201需要与电机轴10之间产生Rz方向的相对转动时，可仅向第一驱动单元通入电流，使第一驱动单元处于第三种驱动情形，第一驱动单元驱动圈体201相对电机轴10产生Rz方向转动。
此外，当需要实现在YZ平面内任意方向的直线移动时，第二驱动单元中的第二分支驱动单元B1与第二分支驱动单元B3、第二分支驱动单元B2与第二分支驱动单元B4可以同时通电，通过调节电流的大小和方向，从而实现调节两个分支驱动单元组合内产生的力的大小，可以实现在YZ平面内任意方向的直线移动。可以理解的是，YZ平面为垂直于X轴的平面。
优选地，第一磁体阵列1与圈体201之间设有第一粘接层。第二磁体阵列3与圈体201之间第二粘接层，通过胶将第一磁体阵列1与第二磁体阵列3粘接在圈体201上，能够简化圈体201的结构，降低了成本，又能够保证第一磁体阵列1和第二磁体阵列3与圈体201之间的连接牢固程度。在其他实施例中，第一磁体阵列1与第二磁体阵列3还可通过其他结构固定在圈体201上，在此不作限定。
优选地，第一线圈阵列2与电机轴10之间设有第三粘接层，第二线圈阵列4与电机轴10之间设有第四粘接层。通过胶将第一线圈阵列2与第二线圈阵列4粘接在电机轴10上，能够简化电机轴10的结构，降低了成本，又能够保证第一线圈阵列2和第二线圈阵列4与电机轴10之间的连接牢固程度。在其他实施例中，第一线圈阵列2与第二线圈阵列4还可通过其他结构固定在电机轴10上，在此不作限定。
在其他实施例中，电机轴10上还可以设置有用于固定线圈的线圈固定环，线圈固定环套设在电机轴10上，第一线圈阵列2通过第三粘接层固定在线圈固定环的外环壁上，第二线圈阵列4通过第四粘接层固定在线圈固定环外环壁上。可以理解的是，线圈固定环还可以与电机轴10为一体设置，便于加工，线圈固定环还可以与电机轴10通过卡扣、卡槽等结构可拆卸连接，便于更换，提高了实用性，在此不作限定。
优选地，磁浮轮毂电机还包括检测组件。检测组件包括传感器阵列，传感器阵列包括多个霍尔传感器5，多个霍尔传感器5固定在电机轴10上并沿电机轴10的周向均布，设置霍尔传感器5能够测量电机的转速和位移，便于通过得到的数值控制电机的转动或位移，实现反馈控制，提高了电机的控制精度和实用性。在本实施例中，每个直流线圈21均环设在一个霍尔传感器5外部，第二线圈组的三相线圈41中的每一个交流线圈均环设在一个霍尔传感器5外部。在其他实施例中，霍尔传感器5还可以设置在电机轴10的其他部位，在此不作限定。可以理解的是，霍尔传感器5构成的检测组件采集信号反馈到车辆内部的控制器，控制器根据预设的控制算法计算出控制信号，并通过驱动器来控制各个线圈的电流，从而调节本实施例中的轮毂电机的运动，形成闭环反馈控制。其中，控制器、驱动器、控制算法以及控制器、驱动器与轮毂电机的线圈之间的连接方式均为现有技术，在此不再赘述。
优选地，霍尔传感器5与电机轴10之间设有第五粘接层，通过胶将霍尔传感器5粘接在电机轴10上，能够简化电机轴10的结构，降低了成本，又能够保证霍尔传感器5与电机轴10之间的连接牢固程度。在其他实施例中，霍尔传感器5还可通过其他结构固定在电机轴10上，在此不作限定。
本实施例中，磁浮轮毂电机设置有一个第一驱动单元和一个第二驱动单元，二者沿电机轴10的轴向间隔设置，且第一磁体阵列1和第二磁体阵列3分别位于圈体201的两侧。具体实施时，磁浮轮毂电机上，第一驱动单元和/或第二驱动单元还可设有至少两个，第一驱动单元与第二驱动单元沿电机轴10的轴向交替设置。也就是说，在磁浮轮毂电机上可设置至少两个第二驱动单元、也可设置至少两个第一驱动单元、或是第二驱动单元与第一驱动单元均至少设置两个，满足第一驱动单元与第二驱动单元交替设置即可。可以理解的是，第一驱动单元里面的第一磁体阵列1和第一线圈阵列2均可沿轴向设置多个，当数量相同且位置对应设置的多个第一磁体阵列1与多个第一线圈阵列2相邻设置时，会划分为同一个第一驱动单元，同理，当数量相同且位置对应设置的多个第二磁体阵列3与多个第二线圈阵列4相邻设置时，会划分为同一个第二驱动单元，即可满足第一驱动单元与第二驱动单元沿电机轴10的轴向交替排布。此种设置方式提高了圈体201在第二驱动单元能够实现的自由度方向上的加速度，即当需要在X、Y和Z方向上移动固定距离，或绕Rx、Ry和Rz方向转动固定角度时，本实施例中的圈体201花费的时间更短。
实施例二
在本实施例中第一驱动单元及第二驱动单元的结构与实施例一不相同，具体为磁浮轮毂电机上第一驱动单元中的第一磁体阵列1以及第二驱动单元中的第二磁体阵列3内的结构不同。具体地，如图12所示，第一磁体阵列1不包括第五磁体13，且第二磁体阵列3不包括第六磁体33。不设置第五磁体13和第六磁体33，减轻了轮毂电机的重量，提高了电机的结构紧凑性。
实施例三
在本实施例中第一驱动单元及第二驱动单元的结构与实施例一不相同，具体为磁浮轮毂电机上第一驱动单元中的第一线圈阵列2以及第二驱动单元中的第二线圈阵列4内的结构不同。具体地，电机轴10上还设有多个第一铁芯和多个第二铁芯，直流线圈21一一对应绕设在第一铁芯上，三相线圈41中的每个线圈一一对应绕设在第二铁芯上。将线圈绕设在铁芯上，提高了线圈通电后形成的磁场的强度，从而增大了对圈体201上磁体施加的力的大小，提高了圈体201的加速度，即当需要平动固定距离，或绕轴转动固定角度时，花费的时间更短，而且也便于固定线圈。可以理解的是，霍尔传感器5可固定在第一铁芯和第二铁芯的表面，或是在第一铁芯和第二铁芯的表面开设安装槽，霍尔传感器5固定在安装槽内，霍尔传感器5还可直接固定还在电机轴10上，在此不作限定。且可以理解的是，第一铁芯的数量还可与第一线圈阵列2内的线圈数量不相同，第二铁芯的数量还可与第二线圈阵列4内的线圈数量不相同，简化了电机轴10的加工过程。
同理，圈体20的内壁上还可以凹设有多个磁体凹坑，第一磁体阵列1和第二磁体阵列3内的磁体一一对应置于磁体凹坑内，便于第一磁体阵列1和第二磁体阵列3在安装时的定位。且可以理解的是，磁体凹坑的数量还可与第一磁体阵列1和第二磁体阵列3内的磁体总数量不相同，简化了圈体20的加工过程。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁浮轮毂电机，其特征在于，包括：
电机轴(10)；
壳体(20)，包括圈体(201)，所述圈体(201)与所述电机轴(10)同轴设置，且所述圈体(201)间隔套设在所述电机轴(10)外；
第一驱动单元，包括相对设置的第一磁体阵列(1)和第一线圈阵列(2)，所述第一磁体阵列(1)设置在所述圈体(201)的内壁上，所述第一线圈阵列(2)设置在所述电机轴(10)上；
所述第一磁体阵列(1)包括沿所述圈体(201)的轴向交替排布的第一磁体(11)和第二磁体(12)，所述第一磁体(11)和所述第二磁体(12)的磁化方向相反；
所述第一磁体(11)的磁化方向沿所述圈体(201)的径向背离所述第一线圈阵列(2)；
所述第二磁体(12)的磁化方向沿所述圈体(201)的径向指向所述第一线圈阵列(2)；
垂直于所述圈体(201)的轴线的同一平面上的所述第一磁体阵列(1)中的磁体的磁化方向相同；
所述第一线圈阵列(2)包括多个沿所述电机轴(10)周向排列的第一线圈组，至少两个所述第一线圈组沿所述电机轴(10)的径向相对设置，每个所述第一线圈组均包括至少一个直流线圈(21)，且每个所述直流线圈(21)沿所述电机轴(10)轴线方向的两端分别对应所述第一磁体(11)和所述第二磁体(12)；
第二驱动单元，所述第二驱动单元沿所述电机轴(10)的轴向与所述第一驱动单元间隔设置，所述第二驱动单元包括相对设置的第二磁体阵列(3)和第二线圈阵列(4)，所述第二磁体阵列(3)设置在所述圈体(201)的内壁上，所述第二线圈阵列(4)设置在所述电机轴(10)上；
所述第二磁体阵列(3)包括沿所述圈体(201)周向交替排布的第三磁体(31)和第四磁体(32)，所述第三磁体(31)和所述第四磁体(32)的磁化方向相反；
所述第三磁体(31)的磁化方向沿所述圈体(201)的径向背离所述第二线圈阵列(4)；
所述第四磁体(32)的磁化方向沿所述圈体(201)的径向指向所述第二线圈阵列(4)；
所述第二线圈阵列(4)包括多个沿所述电机轴(10)周向排列的第二线圈组，每个所述第二线圈组包括至少一组沿所述电机轴(10)周向排列的三相线圈(41)。
2.根据权利要求1所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述磁浮轮毂电机还包括检测组件，所述检测组件包括传感器阵列，所述传感器阵列包括多个霍尔传感器(5)，多个所述霍尔传感器(5)固定在所述电机轴(10)上并沿所述电机轴(10)的周向均布。
3.根据权利要求1所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述第一磁体(11)呈环状且与所述圈体(201)同轴，所述第二磁体(12)呈环状且与所述圈体(201)同轴。
4.根据权利要求1所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述第三磁体(31)与所述第四磁体(32)沿所述圈体(201)的周向间隔均布。
5.根据权利要求1所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述第一线圈阵列(2)包括四个沿所述电机轴(10)周向均布的所述第一线圈组。
6.根据权利要求1所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述第二线圈阵列(4)包括四个沿所述电机轴(10)周向均布的所述第二线圈组。
7.根据权利要求1-6任一项所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述第一磁体阵列(1)还包括第五磁体(13)，所述第五磁体(13)位于所述第二磁体(12)和所述第一磁体(11)之间，并且所述第五磁体(13)的磁化方向由所述第一磁体(11)指向所述第二磁体(12)，使所述第一磁体(11)、所述第二磁体(12)和所述第五磁体(13)形成海尔贝克阵列。
8.根据权利要求1-6任一项所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述第二磁体阵列(3)还包括第六磁体(33)，所述第六磁体(33)位于所述第四磁体(32)和所述第三磁体(31)之间，并且所述第六磁体(33)的磁化方向由所述第三磁体(31)指向所述第四磁体(32)，使所述第三磁体(31)、所述第四磁体(32)和所述第六磁体(33)形成海尔贝克阵列。
9.根据权利要求1-6任一项所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述电机轴(10)上还设有多个第一铁芯和多个第二铁芯，所述直流线圈(21)一一对应绕设在所述第一铁芯上，所述三相线圈(41)中的每个线圈一一对应绕设在所述第二铁芯上。
10.根据权利要求1-6任一项所述的磁浮轮毂电机，其特征在于，所述磁浮轮毂电机包括所述第一驱动单元和所述第二驱动单元，所述第一驱动单元和/或所述第二驱动单元至少设置有两个，所述第一驱动单元与所述第二驱动单元沿所述电机轴(10)的轴向交替设置。
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