CN1564429A - 转子永磁变频调速电机及其轮毂电动轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子永磁变频调速电机及其轮毂电动轮，电机的转子是将永磁体以N－S－N－的顺序交错间隔排列镶嵌于非磁性材料为载体的转子上形成屏蔽凸极磁极，定子是用硅钢片叠制的简单励磁绕组4象限串联的凸极，单相电机是连续变频供电只有吸冲程和排冲程，三相电机是邻近2相同时变频交错递进供同一种电流有吸冲程、排冲程和间接冲程，电机转速与电流频率成正比与转子磁极数成反比；轮毂电动轮是外转子型单相或三相转子永磁变频调速电机，车轮为电机壳，定子是将铁心与车轴用铝合金浇铸形成中空冷却室并引出与外界相通的上下水道，车轴即是电机轴为空心，制动器架上有传感器安装在车轴上，制动鼓安装在电机后端体，感应齿盘装在后端体上。

Description

转子永磁变频调速电机及其轮毂电动轮

所属领域

本发明涉及一种转子永磁变频调速电动机及其汽车轮毂电动轮，属能源技术领域电动汽车专项电机制造业。

本发明所要求保护的技术方案仅限于所属技术领域及行业。

技术背景

电力驱动系统是电动车的心脏，国内外采用的技术方案主要有直流电动机系统，感应电动机--变频器系统，永磁电动机系统和同步磁阻电动机系统等类型，驱动形式为传动中央桥驱动，轮边减速电动机驱动，轮辋减速电动轮驱动，轮毂电动轮驱动等，其中中央桥驱动和轮边减速电动机驱动系统的主要缺点是减速器及电动机以桥或半桥的形式占据较大得空间做不到整车超低地板，整车高度降不下来进而影响了整车的布局；轮辋减速电动轮虽然能克服上述缺点而且机械减速能带来较大的纽矩和足够的转速范围，但需开发的行星减速器和大口径轴承及轮辋对接、大口径油封等要求加工精度及技术含量高电机有效体积相对小等缺点，所以开发难度较大。

目前电动汽车用驱动电机以开关磁阻电动机和永磁无刷直流电动机为较理想，但它们如果不采用机械减速就无法使其额定功率与额定转速充分发挥，换句话说电机的有效功率和转速的利用率低影响了整车的效率；因而现有的电动机无法满足电动汽车全程行驶要求。本发明的电动轮是一种不用机械减速可全程利用电机转速及功率的电动机且功率可满足大中型汽车的驱动及起动转矩又能满足高速轿车动力性能的电动机及其电动轮。

发明内容

本发明的目的是提供一种不用机械减速可全程利用电动机转速及功率的中低速电动机且功率可满足大中型汽车的驱动及起动转矩又能满足高速轿车动力性能的电动机及其电动轮。

本发明的电动机可分单相二冲程和三相三冲程电机，其中单相电机又分转子永磁极数为绕组凸极数的2倍和转子永磁极数与定子凸极数相同但绕组数为1/2的电动机；三相电机的转子永磁极数为8或16极，绕组极数为12极，或转子与定子极数互成倍数；该电机的电动轮分电动机、车轮和电磁制动器三部分组成的单相或三相电机；三冲程永磁变频调速电动机电动轮是一种转子为16极交错排列于非磁性材料的永磁凸极，定子是用硅钢片叠制的12个4象限串联的简单励磁绕组凸极型三相变频调速电机，轮毂电动轮电机是外转子型，外转子型电机的冷却系为内液冷型；该电机是将开关磁阻电机的转子铁心凸极改变为永磁凸极型，并把永磁体以N-S-N-顺序交错排列使其具有选择方向的功能从而可实现多相同时连续工作也可单相工作，转子载体为非磁性材料铝合金拆装边朝外的单体或联体轮辋(可以是有轮辐型或无轮辐型)，轮辋内以N-S-N-顺序交错排列镶嵌有永磁瓦面磁条，该电机因转子为永磁型所以比同体积的开关磁阻电机绕组负担小功率大又节能，轮辋的一侧是开口供安装定子用，开口处有端盖，端盖中央是轴承外环座孔，并设有轴承盖；另一侧电机端盖与轮辋为一体，中央留有轴承外环座孔，其外侧设有位置检测器齿盘。定子是由空心轴、水道、导线通道、冷却室、载体(导热壁)、铁心、凸极、绕组构成。车轮由1只或2只轮辋联体浇铸而成。电磁制动器由制动器架、磁极、磨片、蹄形体、制动环组成。

附图说明

图1为本发明的电动轮结构示意图；

图2为本发明的三相外转子型电动机结构示意图；

图3为本发明的单相电动机结构示意图；其中图3-1是外转子型电动机转子磁极数为绕组凸极数的2倍；图3-2是内转子型转子磁极数与定子凸极数相同但绕组数为1/2的电机结构示意图；

图中1空心轴、2水道、3感应器、4磁极、5磨片、6制动鼓、7气嘴、8后端体、9轮辋、10定子绕组、11铁心、12载体、13冷却室、14永磁体、15端盖、16导线、17通道孔、18轴承、19调整器、20轴承盖。

具体实施方式

三冲程转子永磁变频调速电动机是一种转子永磁型开关变频调速三相电动机，其定子和转子是凸极结构；定子是用硅钢片叠制，转子上以N-S-N-的顺序交错排列镶嵌有瓦面永磁体；其轮毂电动轮的结构如图1所示：电机为外转子型，定子绕组与电机轴即车轮轴为一体。空心轴1与铁心11之间设有冷却室13用良导热高强镁铝合金浇铸的载体12而成，空心轴壁上对称有通向冷却室13的上下水道2，空心轴1上设有若干对经冷却室壁通向定子绕组10的导线16的通道孔17，铁心11的凸极上设有简单集中励磁绕组10，由绕组10、凸极、铁心11、载体12、冷却室13、空心轴1组成定子。转子是用非磁性材料镁铝合金将2只轮辋9连在一起浇铸并将转子磁极(瓦面永磁体)14以N-S-N-的顺序交错镶嵌在轮辋9瓦面而成。电机壳体非出轴处为开口式，供安装定子用。出轴处的轴承座与机壳相连的为电机后端体8，其外侧设有位置检测齿盘上的感应器3，制动鼓6安装在电机后端体或拆装(单轮电动轮时为非拆装边)边上，电磁制动器是由一个磁极4与制动器架为一体固定在空心轴1上，另一个磁极4与磨片5相接，两极磁性相同时同性相斥制动器产生涨力磨片5与制动环6发生摩擦起到制动作用。制动器架上设有传感感应器3，电机的端盖15外缘与外拆装边相接，中央有轴承18外环座并设有轴承盖20，电机使用可调整的锥型轴承18，靠调整器19调整轴承间隙。电机凸极是16/12结构，转子上有16个永磁凸极以N-S-N-顺序交错排列，定子上有12个绕组凸极形成4象限串联绕组转子永磁3相开关变频调速电动机。

如图2所示电机由a-a1-a2-a3绕组、b-b1-b2-b3绕组、c-c1-c2-c3绕组各形成A、B、C三相凸极绕组定子，转子由n1-s1-...-n8-s8-形成环型N-S-N-凸极永磁转子。A相与定子N极对齐，定子B相与转子依次的S极相邻且大一个电度角(步进角)7.5°而定子C相与转子依次的N极较远即大2个电度角15°当向a、b为+a3、b3为-通电时A相和B相凸极都产生N极磁场，而C相凸极受B相和A相凸极根部的S极磁通显示S性磁场与较近的转子S极磁性相同与较远的转子N极磁性相异，此时a极与n1极(A相与N极)同性相斥产生推力，而b极与较近的s1极(B相与S极)异性相吸产生拉力与较远的n2(B相与N极)产生弱同性相斥的推力，而c极与较近的s2(C相与S极)同性相斥与较远的n2(C相与N极)产生弱异性相吸的拉力，这时s1与b(B相与S极)两极对齐C相与N极相邻；此时切换电源向b、c为-b3、c3为+供电时B相和C相凸极都产生S极磁场，而A相凸极受C相和B相凸极根部的N极磁通显示N性磁场与较近的转子N极磁性相同与较远的转子S极磁性相异，这时b极与s1极(B相与S极)同性相斥产生推力，而c极与n2极(C相与N极)异性相吸产生拉力与较远的s2(C相与S极)产生弱同性相斥的推力，而a极与较近的n1(A相与N极)同性相斥，与较远的s8(A相与S极)产生弱异性相吸的拉力，这时n2与c(C相与N极)两极对齐A相与S极相邻；此时切换电源向c、a为+c3、a3为-供电时C相和A相凸极都产生N极磁场，而B相凸极受A相和C相凸极根部的S极磁通显示S性磁场与较近的转子S极磁性相同与较远的转子N极磁性相异，这时c极与n2极(C相与N极)同性相斥产生推力，而a极与较近的s8极(A相与S极)异性相吸产生拉力与较远的n1(A相与N极)产生弱同性相斥的推力；这时s8与a(A相与S极)两极对齐C相与N极相邻既完成了三相电机的一个工作循环过程共运转了3个电度角(步进角)3×7.5°＝22.5°正好是一个转子凸极角度，反向通电则电机反向运转；如此以来电机的每前二相是直接工作而后一相则间接工作，即每绕组在每个工作循环中连续工作，转子的所有永磁凸极同时全方位受力，电机工作平稳效率高功率大又节能，依此类推转子转一周需360/7.5＝48次切换电源方向；换句话说如若交流电源的频率为48Hz时电机每秒转一周即转速为60RPM/48Hz；转子的永磁凸极为4对时步进角为15°，电源频率24Hz时电机每秒转一周即转速为60RPM/24Hz。

单相电机的外转子型转子磁极数为绕组凸极数2倍的电动机是绕组线圈将所有的铁心凸极全部串联的单相电动机如图3-1所示；当定子凸极与转子磁极N极对齐时即a1与n1对齐时若向绕组通电定子凸极上产生N性磁性时a1与n1即N极与定子凸极磁性相同同性相斥而s1与a1即S极与定子凸极磁性相异异性相吸产生拉力，转子向逆时针方向运转，S极与定子凸极对齐即；当s1与a1对齐此时改变电流方向使定子凸极产生S性磁性，因S极与定子磁性相同同性相斥产生推力而定子的S性磁性与转子N极磁性相异异性相吸又产生拉力使转子继续向逆时针方向运转；不断改变电流方向电机就向逆时针方向继续运转；由于转子永磁体以N-S-N-的顺序交错排列节能效果明显。单相转子磁极与定子凸极数相同的内转子型电动机的工作方式是如图3-2所示；因定子绕组是每隔一个凸极饶有线圈，所以当向绕组供电时如若定子绕组凸极产生N性磁性时每隔一个的非绕组凸极通过N性磁性的另一端S性磁性的磁通的作用下，形成N性磁性，与相邻的凸极磁性相异正好与转子磁极的交错磁性相同；当转子磁极与定子凸极对齐时即a1与n1对齐时向绕组供电使绕组产生N性磁性，非绕组凸极形成S性磁性，此时转子磁性与定子磁性相同同性相斥而相邻的非绕组凸极的磁性显示S性磁性磁性相异异性相吸产生拉力，转子n1向a′1方向运转，A相与S极对齐即a1与s1对齐；此时改变电流方向使绕组凸极产生S性磁性，非绕组凸极形成N性磁性与转子磁极磁性相同同性相斥产生推力，与邻近的转子磁性相异异性相吸产生拉力使转子向顺时针方向运转；不断改变电流方向电机转子不断地向顺时针方向运转。因电机绕组凸极隔极饶有线圈而非绕组又能利用绕组凸极的余磁节能效果比上述电机更显著。转子永磁变频调速电机的转速与电流频率成正比，与转子磁极数成反比。

该电机继承了开关磁阻电动机和永磁电机的优势外还克服了它们的缺点，其中三相电机可以单相工作也可以三相同时连续工作(吸冲程、排冲程、间接冲程)，单相电机只有吸冲程和排冲程。电机体积小独立永磁型转子，转矩大功率大效率高运转平稳全方位工作节能变频调速；因在非磁性载体的转子上镶有N-S-N-顺序交错排列的永磁体，因磁极(凸极)之间无气隙可降低空气阻力和噪音，定子凸极与转子磁极之间互相制约可减少振动和噪音运转平稳又能节电；每相绕组可连续工作提高了工作效率，三相电机同时工作的三相绕组顺序是X相排-间接-吸-...冲程，而Y相是吸-排-间接-...冲程，另外间接工作的Z相是间接-吸-排-...冲程；间接冲程是以较强的排和弱吸冲程同时进行加之转子是永磁型所以该电机比开关磁阻电机运转会更加平稳提高转矩远大于200％，在此基础上因三相同时带动一个转子所以比开关磁阻电机相对减小了负荷，因电机的一相是间接工作所以可节能33.3％以上，因电机轴是空心且内部液冷所以比同等体积的任何电机相比转子与定子直径即气隙都大；外转子型电机比内转子型电机能多安排转子磁极数所以转速更低更适合无机械减速的电动轮，冷却效果更好，相对体积更小，重量更轻，转矩与功率更大，效率更高，运转更平稳。独立永磁外转子型电机因气隙大内定子为空心凸极绕组结构所以能够低转速大转矩大功率高效率的工作，因转子是电机外壳永磁体镶嵌在外壳瓦面内侧所以不会受离心力的作用而脱落；因转子载体(电机壳)与定子载体(冷却室壁)为铝合金材料加之硕大的冷却室及空心轴空隙所以比任何同体积或同功率的电机相比重量要轻的多，重量一般是同体积开关磁阻电机的80-90％而与同功率开关磁阻电机相比重量只有30％左右。

该电动轮结构简单紧凑坚固成本低又节能；电机转速低转矩大功率大效率高运转平稳不用任何机械减速都能满足汽车行驶的全程转速要求；电机配备了水冷反拖发电和电磁强制紧急制动器等；该电机调速范围宽广容易控制是电动汽车理想的驱动电机；因轮毂电动轮结构简单紧凑坚固无须车桥可完全自由布置整车结构所以可广泛应用于高档超低地板大中型电动汽车及高速电动轿车。

本发明的电机也适用于内转子型和外转子型的单相或三相电动机与发电机，只要转子磁极永磁体以N-S-N-顺序交错排列镶嵌于非磁性材料的转子载体上形成屏蔽永磁凸极，只要把绕组凸极与定子空心轴用非磁性良导热材料浇铸并形成中空冷却室且引出与外界相通的通道，只要电机的吸冲程与排冲程连续工作，只要制动鼓与轮辋或轮辐相接均属本发明范围。

Claims (2)

1.一种转子永磁变频调速电机，由永磁转子定子和轴组成，可以是单相也可以是三相电机，其特征在于电机的转子是在非磁性材料为载体的转子上以N-S-N-的顺序镶嵌有瓦面永磁体形成屏蔽凸极的永磁转子，其中单相外转子型电机的转子永磁极数是定子绕组凸极数的2倍，内转子型单相电机的转子永磁极数与定子凸极数相同。但绕组是每隔一个凸极设有线圈，绕组凸极为转子永磁极数的1/2，工作方式是连续变频交错供电，转子上的每个永磁极都有吸冲程和排冲程，三相电机的转子永磁极数为8或16极，定子凸极数为12极，或转子极数与定子极数互成倍数的4象限串联的简单励磁绕组凸极，工作方式是2个相邻的绕组同时变频交错的递进供同一方向的电流产生同一种磁场，而第三相凸极受前2相凸极磁场磁通的影响形成另一种磁场使三相凸极同时工作，而且每相绕组都在一个工作循环中连续工作，转子上的每个永磁磁极都有吸冲程、排冲程和间接冲程。

2.一种用权利要求1所述电机设计的单相或三相外转子型轮毂电动轮，由车轮、定子、冷却室、车轴和电磁制动器组成，其特征在于，车轮即为外转子型电机的永磁转子，在铝合金轮辋瓦面上以N-S-N-顺序交错间隔镶嵌有瓦面永磁体，定子是在用硅钢片叠制的铁心上4象限串联缠绕线圈的凸极定子，冷却室是将定子与车轴用铝合金浇铸为一体且留有中空冷却室并由冷却室壁和空心车轴壁引出与外界相通的上下水道的冷却室，车轴是中空厚壁钢结构的电机轴，绕组导线接头是经电机前端冷却室壁与空心轴相接的部位设有的导线通道孔经空心轴中空引出，电机设有主轴承和副轴承，主轴承及调整器在电机后端体朝外，电磁制动器设在电机后端，制动器架上设有感应传感器安装孔并固定在车轴上，制动鼓安装在电机后端体或轮辋边上，感应齿盘安装在电机后端体上，车轮与电机壳为一体或连为一体成为有轮辐型或无轮辐型，可以是单轮也可以是双轮联体式，也可以是电机与轮辋分体式。

Images