CN113972775B - 一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机 - Google Patents

一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，包括电机转子外壳3，电机转子4，连接轴5，左轴承6，左电机定子7，左电机定子控制器8，右电机定子9，右电机定子控制器10，右轴承11；左电机定子7与右电机定子9与连接轴5径向固定连接，左电机定子控制器8与左电机定子7径向固定连接，右电机定子控制器10固定连接在右电机定子9轴向一侧；电机转子4径向外侧的连结块与转子外壳3径向固定连接，同时转子外壳3通过左轴承6与右轴承11完成与连接轴5的径向连接，转子外壳3与轮辋2径向固定连接，轮胎1套在轮辋2径向外侧，依靠气压紧配。本发明相比径向磁通轮毂电机轴向长度明显减小且电机定子散热面积更大，便于散热。

Description

一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机
技术领域
本发明是一种轮毂电机，具体是一种应用包括轴向磁悬浮的盘式轮毂电机，适用于电动汽车领域。
技术背景
随着纯电动汽车的迅速发展，轮毂电机作为将驱动电机和轮毂集成一体的技术，可大大增加汽车空间，提高汽车驾驶性能，受到了广泛的专注。
当前，汽车行业内一般较多使用的是径向磁通的轮毂电机，包括内定子与外定子的结构。这一类结构电机定子与转子之间受力比较均匀，扭矩波动较小，而且由于传统的研究较多，技术更为成熟，所以得到了广泛的应用，比较典型的应用包括燃气轮机、鼓风机、压缩机、离心泵等。但这一类电机定转子铁芯多用矽钢片叠压而成，轴向长度较长，造成最终轮毂电机轴向尺寸难以缩减等问题。同时，电机定子散热面积较小，不利于轮毂电机的散热。为此，专利CN202010416181.1中在定子中加入石墨烯散热层与散热铜管进行散热，但工艺复杂程度大大提高了。
轴向磁通的盘式轮毂电机采用轴向磁通，轴向长度上要远小于径向磁通的永磁电机，同时其盘式定子散热面积更大，因此其更有利于用于轮毂电机。然而，采用盘式轮毂电机相对于径向磁通轮毂电机，定转子之间需要额外的轴承以保证稳定的气息高度，因此增加了机械损耗与轴向长度，这些问题亟待解决。目前存在的磁悬浮轴向磁通盘式轮毂电机中，如专利CN201821808812.9，采用悬浮绕组与转矩绕组位于两侧的非对称分布方式，相对于双定子结构输出转矩小，且不利于轴向长度的缩减。
发明内容
本发明的目的是克服传统径向磁通永磁轮毂电机轴向距离大以及散热慢的问题以及轴向磁通轮毂电机轴向位移限制问题的不足，提出了一种能够不利用额外机械轴承实现轴向悬浮的轴向磁悬浮盘式轮毂电机。
本发明的技术方案为：一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，包括电机转子外壳3，电机转子4，连接轴5，左轴承6，左电机定子7，左电机定子控制器8，右电机定子9，右电机定子控制器10，右轴承11；整个轴向磁悬浮盘式轮毂电机为中心对称结构，其对称轴与连接轴5轴线重合，左电机定子7与右电机定子9与连接轴5径向固定连接，左电机定子控制器8与左电机定子7径向固定连接，右电机定子控制器10固定连接在右电机定子9轴向一侧；电机转子4径向外侧的连结块与转子外壳3径向固定连接，同时转子外壳3通过左轴承6与右轴承11完成与连接轴5的径向连接，转子外壳3与轮辋2径向固定连接，轮胎1套在轮辋2径向外侧，依靠气压紧配。
进一步，左电机定子7，右电机定子9结构完全一致，包括定子铁背71，转矩定子72，悬浮定子73，转矩绕组74，悬浮绕组75以及悬浮永磁体76，定子铁背71，转矩定子72，悬浮定子73为一整体结构，定子铁背71，转矩定子72以及悬浮定子73都为圆环盘结构，三者轴线重合，转矩定子72与悬浮定子73位于定子铁背71轴向同侧；定子铁背71内径为D6外径为D1；悬浮定子73内径为D5，外径为D4；转矩定子内径为D3，外径为D2，且大小关系上为D1>D2>D3>D4>D5>D6；转矩定子72沿圆周等角度开有36个相同的绕组槽，槽内绕有转矩绕组74，转矩绕组74为三相十二极绕组；悬浮定子73轴向上沿圆周每隔90度贴有4块相同的扇形悬浮永磁体76。
进一步，悬浮永磁体76轴向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反；每块永磁体两侧各开有2个相同的绕组槽，槽内绕有悬浮绕组75，相邻悬浮永磁体76旁绕组槽内悬浮绕组75绕线方向相反。
进一步，电机转子4包括转子铁背41，转矩永磁体42以及悬浮铁芯43；转子铁背41为“工”型回转结构，主要由径向内侧的圆环盘与径向外侧的连结块构成；转子铁背41圆环盘轴向两侧沿圆周每隔30度各贴有12块扇形环状转矩永磁体42，悬浮铁芯43为圆环结构，位于转子铁背41轴向两侧，其内径与转子铁背41内径相同。
进一步，转矩永磁体42同样轴向充磁，且圆周方向相邻永磁体充磁方向相反，圆盘环轴向两侧相对的转矩永磁体42充磁方向相同。
进一步，左电机定子7与右电机定子9关于电机转子4转子铁背41轴向对称；悬浮定子73内径与悬浮铁芯43内径与外径都相等；左电机定子控制器8用于控制转矩绕组74与悬浮绕组75中的电流，右定子控制器10用于控制转矩绕组74与悬浮绕组75中的电流。
本发明的优点：
1.本发明采用盘式结构永磁轮毂电机，相比径向磁通轮毂电机轴向长度明显减小且电机定子散热面积更大，便于散热。
2.本发明在轴向上采用无轴承结构，利用在定子上的绕组结构与转子上的永磁体形成悬浮力，保持转子处于中间位置，使电机保持稳定运行，同时减小车辆在告诉运行时的能量损耗。
附图说明
图1为本发明轴向磁悬浮盘式轮毂电机整体结构图。
图2为左、右电机定子结构图。(a)为左定子右视图；(b)为左定子正视图；
图3为电机转子结构图。(a)为电机转子正视图；(b)为电机转子左视图；
图4位悬浮原理图。
具体实施方式
如图1所示为本发明轴向磁悬浮盘式轮毂电机具体结构，其主要包括，电机转子外壳3，电机转子4，连接轴5，左轴承6，左电机定子7，左电机定子控制器8，右电机定子9，右电机定子控制器10，右轴承11构成。另外，图1中1与2为与轮毂电机配套的轮胎与轮毂。
图2为左、右电机定子7、9的具体结构，左电机定子7与右电机定子9结构完全一致。以左电机定子7为例，主要包括定子铁背71，转矩定子72，悬浮定子73，转矩绕组74，悬浮绕组75以及悬浮永磁体76。定子铁背71，转矩定子72，悬浮定子73为一整体结构，铁背71，转矩定子72以及悬浮定子73都为圆环盘结构，三者轴线重合，转矩定子72与悬浮定子73位于定子铁背71轴向同侧。铁背71内径为D6外径为D1；悬浮定子73内径为D5，外径为D4；转矩定子内径为D3，外径为D2，且大小关系上为D1>D2>D3>D4>D5>D6。转矩定子72沿圆周等角度开有36个相同的绕组槽，槽内绕有转矩绕组74。转矩绕组74为三相十二极绕组；悬浮定子73轴向上沿圆周每隔90度贴有4块相同的扇形悬浮永磁体76，永磁体轴向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反。每块永磁体两侧各开有2个相同的绕组槽，槽内绕有悬浮绕组75，相邻悬浮永磁体76旁绕组槽内悬浮绕组75绕线方向相反，例如图4所示，悬浮绕组7A为顺时针绕制，7B为逆时针绕制，并且7A与7B串联连接。同理，悬浮绕组9A为顺时针绕制，9B为逆时针绕制，9A与9B串联连接。
图3为电机转子4具体结构，主要包括转子铁背41，转矩永磁体42以及悬浮铁芯43。转子铁背41为“工”型回转结构，主要由径向内侧的圆环盘与径向外侧的连结块构成。转子铁背41圆环盘轴向两侧沿圆周每隔30度各贴有12块扇形环状转矩永磁体42，转矩永磁体42同样轴向充磁，且圆周方向相邻永磁体充磁方向相反，圆盘环轴向两侧相对的转矩永磁体42充磁方向相同。悬浮铁芯43为圆环结构，位于转子铁背41轴向两侧，其内径与转子铁背41内径相同。
结合图1，2，3介绍本发明完整结构。整个轴向磁悬浮盘式轮毂电机为中心对称结构，其对称轴与连接轴5轴线重合。左电机定子7与右电机定子9与连接轴5径向固定连接，且两者关于电机转子4转子铁背41轴向对称。悬浮定子73内径与悬浮铁芯43内径与外径都相等。左电机定子控制器8与左电机定子7径向固定连接，右电机定子控制器10固定连接在右电机定子9轴向右侧。左电机定子控制器8用于控制转矩绕组74与悬浮绕组75中的电流，右定子控制器10用于控制转矩绕组74与悬浮绕组75中的电流。电机转子4径向外侧的连结块与转子外壳3径向固定连接，同时转子外壳3通过左轴承6与右轴承11完成与连接轴5的径向连接。轮辋2与转子外壳3径向固定连接，轮胎1套在轮辋2径向外侧，依靠气压紧配。
本发明转矩原理与普通盘式永磁电机原理相同。结合图4介绍本发明轴向悬浮的工作原理。由于悬浮永磁体76轴向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反，使得在悬浮定子73，悬浮永磁体76以及悬浮铁芯43间产生偏置磁回路12，偏置磁回路12轴向关于转子铁背对称。当电机转子4往Z轴负方向偏移时，左、右电机定子7、9中悬浮绕组7A、9A同时通入等幅值的正向电流，悬浮绕组7A与9A处会出现Z轴负方向的控制磁路，悬浮绕组7B与9B处会出现Z轴负方向的控制磁路。悬浮绕组7A、7B处磁路方向与偏置磁回路12方向相同，悬浮绕组9A、9B处磁路方向与偏置磁回路12方向相反。因此，Z轴正方向左电机定子7与电机转子4之间气隙中磁密将比Z轴负方向右电机定子9与电机转子4之间气隙中磁密大，形成向上的磁拉力，将电子转子4拉回中间位置。当电机转子4往Z轴正方向偏移时同理，只需将改变通入电流的方向即可。

Claims (5)

1.一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，其特征在于，包括电机转子外壳(3)，电机转子(4)，连接轴(5)，左轴承(6)，左电机定子(7)，左电机定子控制器(8)，右电机定子(9)，右电机定子控制器(10)，右轴承(11)；
整个轴向磁悬浮盘式轮毂电机为中心对称结构，其对称轴与连接轴(5)轴线重合，左电机定子(7)与右电机定子(9)与连接轴(5)径向固定连接，左电机定子控制器(8)与左电机定子(7)径向固定连接，右电机定子控制器(10)固定连接在右电机定子(9)轴向一侧；电机转子(4)径向外侧的连结块与转子外壳(3)径向固定连接，同时转子外壳(3)通过左轴承(6)与右轴承(11)完成与连接轴(5)的径向连接，转子外壳(3)与轮辋(2)径向固定连接，轮胎(1)套在轮辋(2)径向外侧，依靠气压紧配；
左电机定子(7)，右电机定子(9)结构完全一致，包括定子铁背(71)，转矩定子(72)，悬浮定子(73)，转矩绕组(74)，悬浮绕组(75)以及悬浮永磁体(76)，定子铁背(71)，转矩定子(72)，悬浮定子(73)为一整体结构，定子铁背(71)，转矩定子(72)以及悬浮定子(73)都为圆环盘结构，三者轴线重合，转矩定子(72)与悬浮定子(73)位于定子铁背(71)轴向同侧；定子铁背(71)内径为D6外径为D1；悬浮定子(73)内径为D5，外径为D4；转矩定子内径为D3，外径为D2，且大小关系上为D1>D2>D3>D4>D5>D6；转矩定子(72)沿圆周等角度开有36个相同的绕组槽，槽内绕有转矩绕组(74)，转矩绕组(74)为三相十二极绕组；悬浮定子(73)轴向上沿圆周每隔90度贴有4块相同的扇形悬浮永磁体(76)。
2.根据权利要求1所述的一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，其特征在于，悬浮永磁体(76)轴向充磁，且相邻永磁体充磁方向相反；每块永磁体两侧各开有2个相同的绕组槽，槽内绕有悬浮绕组(75)，相邻悬浮永磁体(76)旁绕组槽内悬浮绕组(75)绕线方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，其特征在于，电机转子4包括转子铁背(41)，转矩永磁体(42)以及悬浮铁芯(43)；转子铁背(41)为“工”型回转结构，主要由径向内侧的圆环盘与径向外侧的连结块构成；转子铁背(41)圆环盘轴向两侧沿圆周每隔30度各贴有12块扇形环状转矩永磁体(42)，悬浮铁芯(43)为圆环结构，位于转子铁背(41)轴向两侧，其内径与转子铁背(41)内径相同。
4.根据权利要求3所述的一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，其特征在于，转矩永磁体(42)同样轴向充磁，且圆周方向相邻永磁体充磁方向相反，圆盘环轴向两侧相对的转矩永磁体(42)充磁方向相同。
5.根据权利要求1所述的一种轴向磁悬浮盘式轮毂电机，其特征在于，左电机定子(7)与右电机定子(9)关于电机转子(4)转子铁背(41)轴向对称；悬浮定子(73)内径与悬浮铁芯(43)内径与外径都相等；左电机定子控制器(8)用于控制转矩绕组(74)与悬浮绕组(75)中的电流，右定子控制器(10)用于控制转矩绕组(74)与悬浮绕组(75)中的电流。
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