CN201478969U - 一体化轮毂电机 - Google Patents

Abstract

一种一体化轮毂电机，该轮毂电机包括电机轴和固定在其上的定子，定子外套设有转子外壳，转子外壳的前后两端通过转子端盖和轴承可旋转固定在电机轴上，电机轴的两端凸伸于转子端盖之外形成长端和短端，转子端盖的外侧固定有轴承端盖，将电机轴的短端罩在其中，所述的轴承端盖中部凸设有轴承端盖轴，朝电机轴方向凸设，所述的电机轴端部和轴承端盖轴的对应位置设有位置检测装置；所述的电机轴上还套设有伺服控制器；所述位置检测装置感测到轴承端盖轴的转动，并将感测到的信号传输给伺服控制器，通过伺服控制器的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。本实用新型结构简单、节能、启动特性好、体积小、效率高。

Description

一体化轮毂电机

技术领域

本实用新型涉及一种一体化轮毂电机，尤其是一种应用位置检测装置的永磁同步轮毂电机。

背景技术

随着经济发展和人民生活水平的提高，城市交通中的诸如电动助力车、电动自行车、电动摩托车、小型电动车、电动轿车、电动大巴等电动车辆逐渐兴起。作为新一代电动汽车的电动轮汽车，需要对关键部件轮毂电机加以改进，以便改进性能并降低成本。

车用驱动电动机的运行特点是，电机由蓄电池供电，力求使有限的能量能够行驶最长的里程，这是与驱动电机性能紧密相关的。因此电机的启动转矩、电机的过载能力、电机的运行效率、电机的重量和体积是对车用电机综合评价的主要指标，也将影响到对电动车的技术性能及其技术指标。申请号为2008100008271.6的文献中公开了一种轮毂电机车轮，省去了中间的传动机构，从而大大提高了电能的利用效率。

现有的轮毂电机通常为有刷直流电机和无刷直流电机，它们存在同等重量、同等转速情况下功率小、启动转矩小、过载能力小、转矩波动大、电流大、特性软及能耗高等缺点。

永磁电动机，特别是稀土永磁电动机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因此永磁电动机产品，特别是稀土永磁电机产品得到不断的开发和极其广泛的应用。

申请号为03103047.5的文献中公开了一种永磁同步轮毂电机，其采用一体化设计，在一定程度上减少了转矩脉动，然而其采用无位置传感器，且只是采用了分数槽绕组，而未对极弧系数做出要求。无位置传感器的一个缺点就是在低速时反电势的信号小，通常不足以达到控制的要求，因此该方案在低速时的控制性能不理想，转矩脉动比较大，从而造成电机发热、噪声及耐用性下降等不良影响。

为了在低速时也能精确控制电机的运转，需要在轮毂电机中使用位置检测装置，而光电式位置检测装置因为以玻璃为主要材质，抗震动和冲击能力不强，故不适用于做轮毂电机的位置检测装置。磁电式位置检测装置可以克服光电式位置检测装置的不足，然而传统磁电式位置检测装置测量精度比较低，且只能实现增量输出。

申请号为200410024190.7的文献中公开了一种磁电式位置检测装置，其实现了绝对式位置检测。该专利中，磁感应传感器采用表面贴的方式，即在圆环形定子内侧壁布置磁感应传感器，进行旋转磁场的感应，然后根据传感器电压值求出旋转角度值。然而所述磁电式位置检测装置在物理结构上具有以下缺点：定子内侧一般呈圆弧形且光滑，传感器不易安装固定，容易引起定位误差，进而引起信号的相位偏差，使得信号中高次谐波分量大；加工制造工艺复杂，不利于产业化；可靠性低，传感器均布于内侧壁，传感器的支持基体必须为柔性体如FPC等，其与处理本体接触处其抗拉强度不高，容易破裂，增加了加工难度，影响产品的寿命；传感器感应的磁场泄露大，磁场不能得到充分应用，使得信号中噪声大，影响测量精度；要求传感器体积小，使得产品成本比较高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提出一种一体化轮毂电机，结构简单、节能、启动特性好、体积小、效率高。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种一体化轮毂电机，包括电机轴和固定在其上的定子，定子外套设有转子外壳，转子外壳的前后两端通过转子端盖和轴承可旋转固定在电机轴上，电机轴的两端凸伸于转子端盖之外形成长端和短端，转子端盖的外侧固定有轴承端盖，将电机轴的短端罩在其中，其特征在于，所述的轴承端盖中部凸设有轴承端盖轴，朝电机轴方向凸设，所述的电机轴端部和轴承端盖轴的对应位置设有位置检测装置；所述的电机轴上还套设有伺服控制器；所述位置检测装置感测到轴承端盖轴的转动，并将感测到的信号传输给伺服控制器，通过伺服控制器的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

可选地，位置检测装置包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，所述导磁环固定在电机轴上，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置于该缝隙内，所述的磁钢环对应设置在轴承端盖轴上，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置。

优选地，导磁环由两段同半径、同圆心的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4弧段，对应的磁感应元件为2个；或者，所述的导磁环由三段同半径的弧段构成，分别为1/3弧段，对应的磁感应元件为3个；或者，所述的导磁环由四段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段，对应的磁感应元件为4个；或者，所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的磁感应元件为6个。

优选地，导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

优选地，位置检测装置还包括骨架，用于固定所述导磁环；所述导磁环设置在骨架成型模具上，在所述骨架一体成型时与骨架固定在一起；所述的骨架固定在电机轴上。

优选地，位置检测装置的信号处理装置包括A/D转换模块、合成模块、角度获取模块、存储模块；A/D转换模块对位置检测装置中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；合成模块对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理得到基准信号D；角度获取模块根据该基准信号D，在标准角度表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；存储模块，用于存储标准角度表。

优选地，位置检测装置的信号处理装置在A/D转换模块和合成模块之间还包括温度补偿模块，用于消除温度对位置检测装置发送来的电压信号的影响。

优选地，位置检测装置的信号处理装置的所述合成模块的输出信号还包括信号R。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中所述温度补偿模块包括系数矫正模块和乘法器，所述系数矫正模块对所述合成模块的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号R₀进行比较得到输出信号K；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给合成模块。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中，如果位置检测装置发送来的一个电压信号为2或3的倍数，则在所述温度补偿模块之前还包括差分模块，对用于抑制温度和零点漂移，并提高数据精度。

可选地，位置检测装置包括分别固定在轴承端盖轴上的第一磁钢环和第二磁钢环；设置在电机轴上的对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；当轴承端盖轴相对于电机轴发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

优选地，在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90°/g；当m为3时，该夹角为120°/g；当m为6时，该夹角为60°/g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。

可优选地，位置检测装置包括分别固定在轴承端盖轴上的第一磁钢环和第二磁钢环，所述第一磁钢环被均匀地磁化为N[N＜＝2ⁿ(n＝0，1，2…n)]对磁极，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环的磁极总数为N，其磁序按照特定磁序算法确定；在电机轴上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件；对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝0，1，2…n)个呈一定角度分布的磁感应元件；当轴承端盖轴相对于电机轴发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

优选地，在定子上对应于第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为360°/N。

优选地，在定子上对应于第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90°/N，当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为120°/N；当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60°/N。

优选地，所述磁感应元件直接表贴在电机轴的表面。

优选地，位置检测装置还包括两个导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内。

优选地，导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

本实用新型还提供了一体化轮毂电机用的位置检测装置的信号处理装置，包括A/D转换模块、相对偏移角度θ₁计算模块、绝对偏移量θ₂计算模块、角度合成及输出模块、存储模块；A/D转换模块，对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；相对偏移角度θ₁计算模块，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；绝对偏移量θ₂计算模块，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ；存储模块，用于存储数据。

优选地，位置检测装置的信号处理装置还包括信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中，所述相对偏移角度θ₁计算模块包括第一合成单元和第一角度获取单元，所述第一合成单元对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中所述相对偏移角度θ₁计算模块还包括温度补偿单元，用于消除温度对位置检测装置发送来的电压信号的影响。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中所述第一合成单元的输出还包括信号R。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中，所述温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正器对所述合成模块的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号R₀进行比较得到输出信号K；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成单元。

优选地，位置检测装置的信号处理装置中，所述绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成单元和第二角度获取单元，所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到一信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。

优选地，磁感应元件为霍尔感应元件。

根据本实用新型的一体化轮毂电机的控制模块包括数据处理单元MCU、电机电源控制单元IPM功率模块和电流传感器，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测装置输出的电压信号，经过数据处理，输出控制信号给所述的电机电源控制单元，所述电机电源控制单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

优选地，数据处理单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；传感器信号处理子单元接收所述位置检测装置的电压信号，经过A/D采样、角度求解，得到电机轴的转动角度，并将该角度传输给所述的机械环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的转动角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；电流环控制子单元根据接收到的电流指令的电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机电源控制单元。

优选地，电机电源控制单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

优选地，数据处理单元为MCU，所述电机电源控制单元为IPM模块。

综上所述，本实用新型具有如下优点：

本实用新型采用廉价的磁感应元件传感器进行位置检测，安装加工极为方便。可靠性极高。采用所述磁感应元件，产品抗冲击和油污能力非常强，适用于恶劣工作环境下高精度的控制。系统响应速度快。采用内置角度检测方式，不存在角度信息的延时和通信引起的错误，极大缩短了控制周期，提高了系统对负载扰动的快速响应性。

本实用新型中的永磁同步电机采用永磁体代替电励磁，没有了励磁损耗，节约了能量，提高了效率。控制箱的控制器能根据电机负载扭矩的变化而变化，当负载扭矩大时，电机输出大扭矩，当负载扭矩小时，电机输出小扭矩；这样大大节约了用电量，同时，在刹车制动时，关断电机，电机作为发电机，产生电能，节约能量。

本设计将电机的控制器和电机连接在一起，做成一体化，节约了空间。控制箱采用直流电源供电，可以使用蓄电池供电或者燃料电池供电。而且控制箱在结构上进一步简化，节约了成本和安装空间。

本实用新型的电机转速可以在零至最高速之间任意调节，调速范围十分宽泛。

本实用新型中可任意设定启动过程中的加速度，实现轮毂电机的软启动，可以有效降低启动过程中的电机电流(即转矩)，使启动过程中电气和机械系统不受任何冲击，实现了大惯量机械负载真正意义上的柔性、平滑启动。

本实用新型采用新型的电磁结构的永磁同步轮毂电机，用于车轮0-500转/分范围内的低速直接驱动，效率达到86％以上；较传统电机具有体积小、效率高、过载能力强等特点。

附图说明

图1是表示本实用新型的一体化轮毂电机的结构的局部剖面图；

图2是表示本实用新型的一体化轮毂电机的结构的立体剖面图；

图3是本实用新型轴承端盖的局部放大图；

图4是本实用新型的一体化轮毂电机的外形图；

图5是本实用新型的一体化轮毂电机的另一侧的外形图；

图6是表示本实用新型的一体化轮毂电机的磁瓦排列分布示意图；

图7和图8是位置检测装置在本实用新型的轮毂电机中的安装示意图；

图9是本实用新型的一体化轮毂电机的一种冲片的示意图；

图10是本实用新型的一体化轮毂电机的另一种冲片的示意图；

图11是两种冲片叠加后的示意图；

图12是本实用新型的一体化轮毂电机的位置检测装置的立体分解图；

图13A-图13D是导磁环分段布置的示意图；

图14A-图14D是导磁环的倒角设计的示意图；

图15是安装有两个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图；

图16是安装有三个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图；

图17是安装有四个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图；

图18是安装有六个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图；

图19是本实用新型的轮毂电机用的位置检测装置第二方案的关键部件的分解立体图；

图20是本实用新型的轮毂电机用的位置检测装置第二方案的安装示意图；

图21是位置检测装置第二实施例中的与第一磁钢环对应的两个磁感应元件的布置示意图；

图22是位置检测装置第二实施例中的第一磁钢环均匀磁化为六对极时磁感应元件的布置示意图；

图23是位置检测装置第二实施例中的第二磁钢环所对应的磁感应元件个数为三个时所得到的编码；

图24是位置检测装置第二实施例中的第二磁钢环的充磁顺序；

图25是位置检测装置第二实施例中的第二磁钢环所对应的磁感应元件布置示意图；

图26是本实用新型的轮毂电机用的位置检测装置的第二实施例的一个信号处理装置的框图；

图27是磁感应元件采用表贴式安装的位置检测装置的结构示意图；

图28是根据位置检测装置的第三实施例的位置检测装置的分解立体图；

图29是确定磁钢环303的磁序的算法流程图；

图30是由图29得到的磁钢环的充磁结构图以及磁感应元件的排布顺序的一个示例；

图31是位置检测装置的第三实施例的位置检测装置的信号处理装置的框图；

图32是本实用新型的一体化轮毂电机内部的走线图；

图33是本实用新型的一体化轮毂电机的控制方法的流程图；

图34是本实用新型的一体化轮毂电机的控制方法的框图；

图35是本实用新型的交流伺服系统的侧重于MCU部分的结构示意图；

图36是本实用新型的交流伺服系统的侧重于IPM部分的结构示意图；以及

图37是本实用新型所得到的电机的效率与转矩的关系图。

具体实施方式

以下参照附图，结合具体的优选实施例对本实用新型进行描述。然而本领域的技术人员应理解，本实用新型不限于所述实施例，而是可以根据具体的应用要求进行相应的变化。

如图1、图2并结合图3所示，本实用新型提供一种一体化轮毂电机，包括电机轴4和固定在其上的定子12，定子12外套设有转子外壳10，转子外壳10的前后两端通过转子端盖8、14和轴承6、轴承19可旋转固定在电机轴4上，电机轴4的两端凸伸于转子端盖8、14之外形成短端和长端，转子端盖8的外侧固定有轴承端盖1，将电机轴4的短端罩在其中，轴承端盖1中部凸设有轴承端盖轴26，朝电机轴4方向凸设，电机轴4端部和轴承端盖轴26的对应位置设有位置检测装置3；电机轴4上还套设有伺服控制器11；上述的位置检测装置3可以采用多种结构形式，包括单级和多级，其结构、信号处理装置和信号处理方法，会在如下的内容中详细说明。位置检测装置3无论采用单级或多级的哪种具体结构，都是将其中的磁钢环2固定在轴承端盖轴26上，在电机轴4的端部可以设置导磁环，并在导磁环的间隙中设置磁感应元件，该磁感应元件通常采用霍尔感应元件。轮毂电机的转子外壳10以电机轴4的轴线为中心旋转，固定在转子端盖8上的轴承端盖1也随之转动，轴承端盖轴26与电机轴4发生相对转动，设置在电机轴4上的磁感应元件感应到轴承端盖轴26的转动，并将感测到的位置信号传输给伺服控制器11，通过伺服控制器11的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

本实用新型所提供的电机为轮毂型外转子结构，其内部结构和普通的轮毂电机基本相同。具体来说，轮毂电机的中间依次安装轴承6、伺服控制器11、定子12、绕组、轴承19、花键套磁瓦20和轮毂等部件；外部安装由转子端盖8、转子端盖14、磁瓦13、转子外壳10、刹车片17、轴承端盖1组成；轴承端盖1和转子端盖8通过内六角螺钉7连接；转子端盖8、转子端盖14和转子外壳10通过内六角螺栓9、15连接。刹车片17通过内六角螺钉18固定在转子端盖14上；电机轴4上较长的一端有花键套20，花键套20顶在轴承19的一端，花键套的另一端用两个圆螺母21、22紧固，电机轴4上较短的一端有轴承6，轴承6外是固定用的螺钉5，再外面固定有位置检测装置，即图中的位置检测装置3，位置检测装置3的磁钢环2固定在轴承端盖轴26上。花键套20上有螺栓孔，可以连接汽车的底盘；控制器11通过螺钉23固定在定子上；定子12叠加在一起，通过圆螺母22和键固定于电机轴4上。穿线孔24、25用于布置位置检测装置的走线。本实用新型设计的与轮毂、转向节和刹车片连接的螺栓孔便于与车轮转配成一体，由于一体化结构的设计省去了减速机构，减少了机械损耗，提高了整体效率。所述的电机转轴上设有位置检测装置3以及伺服控制器11，位置检测装置3将检测到的位置信号输出给伺服控制器11，通过伺服控制器11的处理，获得电机轴转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

图4和图5是本实用新型的轮毂电机的外形图。如图4和图5所示，由转子端盖14、8、转子外壳10和轴承端盖1所围成的转子通过轴承6固定于电机轴4上，电机轴4上留有穿线孔24。

如图6所示，所述的永磁同步轮毂电机的电机转子磁路由磁瓦34和磁轭35组成，外转子上均匀布置16块磁瓦，形成16个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。永磁体是表面式，而不是内置式，这样工艺简单，能够充分利用永磁体的磁能。这种槽极配合与普通永磁同步电机不同。普通永磁同步电机都是8/9槽极配合，采用这种配合的永磁同步电机内部有很大的磁拉力，使产生的转矩不平稳，同时产生很大的谐波，造成电机损耗和噪音，而采用16/18槽极配合的永磁同步电机可以避免这些问题。

磁瓦的极弧系数约为0.88，径向厚度为6mm，材料为钕铁硼磁极，其通过胶均匀地粘贴在转子磁轭圆筒内表面。极弧系数小于1的磁瓦的充磁方式为平行充磁。采用这种磁瓦极弧系数，可以提升气隙磁密的正弦性，以便于控制和减少力矩的波动。为了提高气隙磁密的正弦性，可以采用正弦充磁的磁瓦，也可用Helbach排列磁瓦，或者使用不等厚的磁瓦，还可以用极弧系数小于1的磁瓦；相比于永磁同步电机其它提高气隙正弦性的方法，采用极弧系数小于1的磁瓦方法工艺简单，容易实现。

图7和图8是表示位置检测装置在本实用新型的轮毂电机中的安装示意图。如图7和图8所示，磁感应元件106安装在电机轴4上，磁钢环2安装在轴承端盖轴26上，随着轴承端盖1的旋转而旋转。

所述的永磁同步轮毂电机的电机定子磁路由图9和图10所示的两种不同形状的冲片叠压而成，中间用螺杆压紧；内径小的定子冲片40夹在内径大的定子冲片41之间，叠加后的形状如附图11所示；两端用定子挡板、键螺栓42和螺母43固定在轴上。

绕组采用集中绕组，总共是18槽，三相绕组，每一相绕6个线包，其中3个线包排在一起，其余三个在180对面排列在一起；三个槽为一组，分为6组，输入的电压为3相，分别为A相、B相、C相，6组的排列顺序为A相、B相、C相、A相、B相、C相。采用集中绕组更好地利用了空间，且改善了散热条件。

根据本实用新型的轮毂电机用的位置检测装置3的第一实施例，提供了一种单极位置检测装置。如图12所示，对应安装在电机轴4和轴承端盖轴26上的位置检测装置由磁感应元件板102、磁钢环2、导磁环104、骨架105组成；磁感应元件板102由PCB板和磁感应元件106组成，骨架105固定在电机轴4上，用于固定导磁环104并且把整个位置检测装置3连接到轮毂电机上。磁钢环2主要是产生正弦磁场；导磁环104设置在骨架成型模具上，在骨架105一体成型时与骨架105固定在一起。导磁环104起聚磁作用，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置于该缝隙内，磁钢环所产生的磁通通过导磁环。PCB板是固定磁感应元件并且输出六路信号线。当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，磁感应元件把通过导磁环的磁场转换成电压信号，电压信号直接进入主控板芯片，由主控板上芯片对电压信号进行处理，最后得到角位移。

图13A-图13D是导磁环分段布置的示意图，如图所示导磁环104可以由两段同半径、同圆心的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4弧段，对应的磁感应元件102为2个；或者，导磁环104由三段同半径的弧段构成，分别为1/3弧段，对应的磁感应元件102为3个；或者，导磁环104由四段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段，对应的磁感应元件102为4个；或者，导磁环104由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的磁感应元件为6个。其中的磁感应元件102通常采用导磁环104将磁钢环2围设在其中部。

图14A到图14D以由1/4弧段和3/4弧段构成的导磁环为例，图示了本实用新型的导磁环的倒角设计。如图14A到图14D所示，导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，图14A所示的导磁环没有设计倒角，图14B到图14D所示的弧段端部设有倒角，所述倒角为沿轴向(图14B)或径向(图14C)或同时沿轴向、径向(图14D)切削而形成的倒角，151、153表示轴向切面，152、154表示径向切面。根据磁密公式

可以知道，当φ一定时候，可以通过减少S，增加B。因为永磁体产生的磁通是一定的，在导磁环中S较大，所以B比较小，因此可以减少因为磁场交变而导致的发热。而通过减少导磁环端部面积能够增大端部的磁场强度，使得磁感应元件的输出信号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单，拾取的信号噪声小，生产成本低，可靠性高，而且尺寸小。

本实用新型还提供了一种基于上述结构的位置检测装置的信号处理装置，包括：A/D转换模块、合成模块、角度获取模块和存储模块，其中，A/D转换模块对位置检测装置中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，对应于磁感应元件的个数，该模块中具有多个A/D转换器，分别用于对每个磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换；所述合成模块对经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；所述角度获取模块，根据该基准信号D，在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；所述存储模块用于存储数据。上述各个模块可以构成一MCU。以下通过实施例详细描述本实用新型的位置检测装置及其信号处理装置与方法。

图15是安装有两个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图。磁感应元件H_1a和H_2a的输出信号接MCU的内置A/D转换器模拟输入口，经模数转换后得到输出信号接乘法器20a、21a，系数矫正器5a的输出信号K接乘法器20a、21a的输入端，乘法器20a、21a的输出信号接合成器3a的输入端，合成器3a输出信号D和R，系数矫正器5a接收合成器3a输出的信号D和R，通过运算得到信号K，通过使磁感应元件H_1a和H_2a的信号与该信号K进行相乘，以此来进行温度补偿，消除温度对信号的影响。存储器40a中存储有一角度存储表，MCU根据信号D在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ。

其中对信号的处理，即合成器3a对信号的处理原则是：比较两个信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信号的数值位}。以本实施例为例，说明如下：

约定：

当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。

X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下数据位。

如果A_D＞＝B_D

D＝{A_0；B_0；B_D}

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

否则：

D＝{A_0；B_0；A_D}

$R=\sqrt{A^2+B^2}.$

在存储模块中存储有一标准角度表，其中存储了对应于一系列的码，每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和一高精度位置传感器，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。

另外，在存储模块中还存储了一些数据修正表，这些表中包括一个信号D与信号R₀的对应表，其中信号R₀为信号R在标准状态下的信号，通过合成模块，即合成器3a得到的信号D，通过查表可以得到一信号R₀，通过将信号R₀和信号R进行比较，如除法运算，得到信号K。

图16是安装有三个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图。本方案的信号处理装置与两个磁感应元件的方案中的相似，不同之处在于，磁感应元件有三个，输出给合成器的信号为三个，合成器在取舍信号时与上述方案中的有所不同。在这里，仅说明合成器如何取舍信号。

在本实施例中，对信号的处理，即合成器4对信号的处理原则是：先判断三个信号的符合位，并比较符合位相同的信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，第三个信号的符合位，较小数值的信号的数值位}。以本实施例为例：

约定：

当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。

X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下数据位。

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＞＝A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＜A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＞＝A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＜A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

$\mathrm{\α}=A-B\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)-C\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)$

$\mathrm{\β}=B\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)-C\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)$

$R=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}$

图17是安装有四个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图。信号处理装置与处理方法与实施例1相类似，不同在于，由于本实施例2中有4个互成90度的磁感应元件，因此，在信号处理装置上增加了减法器，即数字差分模块，通过该减法器模块抑制温度和零点漂移，以此来提高数据精度，最终输出给合成器的信号仍为2个，处理过程及方法与实施例1相同。因此，在此不再赘述。

图18是安装有六个磁感应元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图。方案的信号处理装置与三个磁感应元件的方案中的相似，不同之处在于，增加了差动放大模块，通过该差动放大模块抑制温度和零点漂移，以此来提高数据精度，最终输出给合成器的信号仍为三个，处理过程及方法与三个传感器的方案的相同，在此不再重复。

以上以采用导磁环的方案为例描述了本实用新型的位置检测装置的安装方案，而本实用新型还可以采用表贴的方式安装磁感应元件。由于除了磁感应元件的安装方式之外的其余部分的安装方式与上述实施例中的类似，故在此不再赘述。

根据本实用新型的轮毂电机用的位置检测装置的第二实施例中，磁钢环、导磁环各为两个，磁感应元件也相应地有两列，其中磁钢环不同于第一实施例中的只有一对磁极，而是可以被磁化有多对磁极。除了这些位置检测装置的关键部件以外的其它部件的安装与结构与第一实施例中的相似，在此不再赘述。

图19是根据本实用新型的第二实施例的位置检测装置方案的关键部件的分解立体图。图20是根据本实用新型的第二实施例的位置检测装置方案的安装示意图。本实施例的位置检测装置3包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第二磁钢环201b以及第一导磁环205a和第二导磁环205b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在电机轴200上，其中定子为支架203。第一导磁环205a和第二导磁环205b分别由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两个弧段之间留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件204分别设在该空隙内。磁感应元件与外壳固定，当转子旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

第一磁钢环201a均匀的磁化为g(g的取值等于第二磁钢环中的磁极总数)对极(N极和S极交替排列)，当第二磁钢环中的磁极总数为6时，第一磁钢环201a的极对数为6对。以第一磁钢环201a的中心为圆心的同一圆周上，设置有m个磁感应元件，如2个，如图21所示，二个磁感应元件204之间的夹角为90°/6。第一磁钢环均匀地磁化为6对极时磁感应元件的布置如图22所示。当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

定义第一磁钢环中相邻一对“N-S”为一个信号周期，因此，任一“N-S”对应的机械角度为360°/g(g为“N-S”个数)，假定转子在t时刻旋转角度θ位于第n^th信号周期内，则此时刻角位移θ可认为由两部分构成：1.在第n^th信号周期内的相对偏移量，磁感应元件H₁和H₂感应第一磁钢环的磁场来确定在此“N-S”信号周期内的偏移量θ₁(值大于0小于360°/g)；2.第n^th信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，用传感器H₃，H₄，...H_n感应磁环2的磁场来确定此时转子究竟是处于哪一个“N-S”来得到θ₂。

对应于第二磁钢环201b，以第二磁钢环201b的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输出呈格雷码形式。磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极。例如，当n为3时，得到如图23所示的编码，得到如图24所示的第二磁钢环的充磁顺序，如图25所示，三个磁感应元件均布周围进行读数。

图26示出了本实施例中对应于第一磁钢环设有2个磁感应元件、第二磁钢环设有3个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。传感器1_1a和1_2a的输出信号接放大器2_1a、2_2a进行放大，然后接A/D转换器3_1a、3_2a，经模数转换后得到输出信号接乘法器4_1a、5_1a，系数矫正器10_1a输出信号接乘法器4_1a、_1a 5的输入端，乘法器4_1a、5_1a的输出信号A、B接第一合成器6_1a的输入端，第一合成器6_1a对信号A、B进行处理，得到信号D、R，根据信号D从存储器8_1a中存储的标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。其中，第一合成器6_1a的输出信号R输送给系数矫正器10_1a，系数矫正器10_1a根据信号R和从存储器9_1a中查表得到信号R₀得到信号K，该信号K作为乘法器4_1a、5_1a的另一输入端，与从放大器2_1a、2_2a输出的信号C1、C2分虽相乘得到信号A、B作为第一合成器6_1a的输入。

传感器1_3a、1_4a、...1_na的输出信号分别接放大器2_3a、2_4a、...2_na进行放大，然后接A/D转换器3_3a、3_4a、...3_na进行模数转换后通过第二合成器7_1a进行合成，得到一信号E；根据该信号E在存储器11_1a中的第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，θ₁和θ₂通过加法器12_1a得到测量的绝对角位移输出θ。

其中，第二合成器7_1a的功能是，通过对传感器第二磁钢环的信号进行合成，得到此时刻转子处于哪一个“N-S”信号周期内。

第二合成器7的处理是：当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。也即当感应的磁场为N时，输出为X_0＝0，否则为X_0＝1。

则对于本实施例，E＝{C3_0；C4_0；Cn_0}。

其中，第一合成器6对信号的处理是：比较两个信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信号的数值位}。具体如下：

这里约定(后文各合成器均使用该约定)，当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下的数据位。

如果A_D＞＝B_D

D＝{A_0；B_0；B_D}

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

否则：

D＝{A_0；B_0；A_D}

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

信号K一般是通过将信号R₀和R进行除法运算得到。

对于第一、二标准角度表，在存储器中存储了两个表，每个表对应于一系列的码，每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和一高精度位置传感器，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。也就是，对应于信号D存储了一个第一标准角度表，每一个信号D代表一个相对偏移量θ₁。对应于信号E，存储了一个第二标准角度表，每一个信号E代表一个绝对偏移量θ₂。

本实用新型不限于上述示例，第一磁钢环还可以设有三个、四个、六个磁感应元件，相应的导磁环和信号处理电路也要做相应变化，然而其变化与第一实施例中所述的类似，故在此不再赘述。

类似于位置检测装置的第一实施例，当设有导磁环时，导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

作为替代，磁感应元件可以直接表贴在电机轴表面上，即不设置导磁环，如图27所示。其它部件以及其信号处理装置与有导磁环的类似，在此不再赘述。

根据本实用新型的轮毂电机用的位置检测装置的第三实施例中，各个部件的个数及其安装方案与第二实施例中的类似，所不同的是磁钢环的充磁方式及磁感应元件的布置位置。

图28是根据第三实施例的位置检测装置的分解立体图。对应于磁钢环302、磁钢环303分别设有两列磁感应元件307。为了说明方便，这里将第一列磁感应元件即对应磁钢环302和导磁环304的多个磁感应元件都用磁感应元件307表示，而将第二列磁感应元件即对应磁钢环303和导磁环305的多个磁感应元件都用磁感应元件307表示。为了说明方便，这里将磁钢环302定义为第一磁钢环，将磁钢环303定义为第二磁钢环，将导磁环304限定为对应于第一磁钢环，将导磁环305限定为对应于第二磁钢环，然而本实用新型不限于上述的限定。

第一磁钢环302被均匀地磁化为N[N＜＝2ⁿ(n＝0，1，2…n)]对磁极，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环303的磁极总数为N，其磁序按照特定磁序算法确定；在轴301上，对应于第一磁钢环302，以第一磁钢环302的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件307；对应于第二磁钢环303，以第二磁钢环303的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝0，1，2…n)个呈一定角度分布的磁感应元件307。在定子上对应于第二磁钢环303的相邻两个磁感应元件307之间的夹角为360°/N。当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

图29是磁钢环303的磁序算法流程图。如图29所示，首先进行初始化a[0]＝“0……0”；然后将当前编码入编码集，即编码集中有“0……0”；接着检验入编码集的集合元素是否达到8，如果是则程序结束，反之将当前编码左移一位，后面补0；然后检验当前编码是否已入编码集，如果未入编码集则将当前编码入编码集继续进行上述步骤，如果已入编码集则将当前码末位去0补1；接着检验当前编码是否已入编码集，如果未入编码集则将当前编码入编码集继续进行上述步骤，如果已入编码集则检验当前码是否为“0……0”，是则结束，否则将当前编码的直接前去码末位去0补1；接着检验当前编码是否已入编码集，如果未入编码集则将当前编码入编码集继续进行上述步骤，如果已入编码集则检验当前码是否为“0……0”，然后继续进行下面的程序。其中0磁化为“N/S”，1磁化为“S/N”。这样得到了图30所示的磁钢环303充磁结构图以及H₃、H₄和H₅的排布顺序。

本实施例中，在定子上对应于第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90°/N，当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为120°/N；当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60°/N。

图31是根据第三实施例的位置检测装置的信号处理装置的框图。由于其信号处理方式与第二实施例的类似，故在此不再赘述。

类似于位置检测装置的第一实施例，第一磁钢环可以设有两个、三个、四个、六个磁感应元件，相应的导磁环和信号处理电路也要做相应变化，然而其变化与第一实施例中所述的类似，故在此不再赘述。

类似于位置检测装置的第一实施例，当设有导磁环时，导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

作为替代，以上位置检测装置的各实施例中的磁感应元件可以直接表贴在电机轴的表面，即不设置导磁环，其它部件以及其信号处理装置与有导磁环的类似，在此不再赘述。

以上位置检测装置的各实施例中，磁感应元件优选为霍尔感应元件。采用霍尔感应元件的产品抗冲击和抗油污能力非常强，适用于恶劣工作环境下高精度的控制。系统响应速度快。采用内置角度检测方式，不存在角度信息的延时和通信引起的错误，极大缩短了控制周期，提高了系统对负载扰动的快速响应性。相比于无位置传感器，本传感器方案在低速时的检测性能具有明显优势。

由于电机结构为外转子，位置检测装置安装不能像内转子一样安装在端盖上；本设计将位置检测装置固定在轴上，在端盖上反向伸出一小轴，随电机转子转动，再在小轴上安装磁钢。位置检测装置由保持架和铁氧体组成。位置检测装置只用磁感应元件来采集电机转速信号，而不进行处理，位置检测装置将信号传输到控制器，利用控制器中的芯片对信号进行处理，计算出电机的转速。

图32是一体化轮毂电机内部的走线图，由双点划线表示的1000线为控制箱给绕组供电线路走线，由虚线表示的2000线为位置检测装置走线，由单点划线表示的3000线为控制箱走线。位置检测装置是通过三个螺钉固定在轴上的，保持位置检测装置内圆与轴同心，磁钢装在端盖内部伸出的尾轴上，保持磁钢和位置检测装置内圆同心。位置检测装置的接线通过轴上的开槽进入轴的内孔，再由轴上竖直孔连接到控制箱，给控制箱输入信号。控制箱采用直流电源供电，可以使用蓄电池供电或者燃料电池供电。而且控制箱在结构上进一步简化，节约了成本和安装空间。位置检测装置采集的电压信号通过接插件与主板相连。

本实用新型还提供了一种一体化轮毂电机的控制方法，如图33和图34所示，该方法包括如下步骤：步骤1：位置检测装置检测电机转子的位置并输出信号给伺服控制器，伺服控制器根据位置指令计算出指令速度；步骤2：速度控制器根据步骤1中的指令速度，通过微分器算出反馈速度算出指令电流；步骤3：电流控制器根据指令和反馈电流经2变3得到u、v、w三路电压信号；步骤4：步骤3中的三路电压信号经脉宽调制和功率放大驱动电机运转，达到相应的控制效果。

图35是本实用新型的交流伺服系统的结构原理图，该图中重点图示了数据处理单元MCU的结构。控制模块包括数据处理单元MCU、电机电源控制单元IPM功率模块和电流传感器，数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测装置输出的电压信号，经过数据处理，输出控制信号给电机电源控制单元，电机电源控制单元根据控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

数据处理单元MCU包括机械环控制子单元、电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；传感器信号处理子单元接收位置检测装置的电压信号，经过A/D采样、角度求解，得到电机轴的转动角度，并将该角度传输给的机械环控制子单元；传感器信号处理子单元还接收电流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给电流环控制子单元；机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的转动角度，经过运算得到电流指令，并输出给电流环控制子单元；电流环控制子单元根据接收到的电流指令的电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给PWM控制信号产生子单元；PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机电源控制单元。

图36是本实用新型的交流伺服系统结构示意图，该图中重点图示了电机电源控制单元IPM的结构。电机电源控制单元IPM包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

电机转速可以在零速至最高速之间任意调节，调速范围十分宽泛。还可任意设定启动过程中的加速度，实现轮毂电机的软启动，可以有效降低启动过程中的电机电流(对应于转矩)，使启动过程中电气和机械系统不受任何冲击，实现了大惯量机械负载真正意义上的柔性、平滑启动。

由电流传感器和磁感应元件感应模块得到的电流信号和电压信号分别用作电流环和机械环的反馈信号，机械环和电流环分别将设定指令转换为电流指令和电压占空比，最终输入到PWM信号产生模块中。由于采用了交流伺服系统，故能够实现无级调速和软启动。本交流伺服系统还能根据车轮转动时不同的路况下的阻力距，电机来产生不同的扭矩，节约电能。本交流伺服系统还具有短时间三倍过载的能力，控制器给出三倍过载电流，在电机电流未饱和的情况下，可以在短时间内允许三倍过载转矩。

根据本实用新型的实施例，所得到的电机的效率与转矩的关系图37所示。由于本实用新型采用新型电磁结构的永磁同步轮毂电机，用于车轮0-500转/分范围内的低速直接驱动时，效率达到86％以上；较传统电机具有体积小、效率高、过载能力强等特点。

另外，本实用新型在极槽配合上采用16/18配合，避免了永磁同步电机内部产生的转矩不平稳以及产生很大的谐波，进而避免了电机损耗和噪音。外转子上均匀布置16块磁瓦，形成16个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。永磁体是表面式，而不是内置式，这样工艺简单，能够充分利用永磁体的磁能。

本实用新型中的定子一体化轮毂电机的电机定子磁路由两种不同形状的冲片叠压而成，中间用螺杆压紧；内径小的定子冲片夹在内径大的定子冲片之间，叠加后两端用定子挡板、键螺栓和螺母固定在轴上。绕组采用集中式绕组，减少了端部的绕线，这样就使电机绕组的端部长度变短。电机绕组的端部长度变短，减少了铜耗，电机效率提高。同时电机端部长短变短，电机的轴向结构尺寸减小，电机长度变短，相应电机体积也减小，提高了电机的功率密度。

本实用新型的电机的磁瓦极弧系数小于1，可以提升气隙磁密的正弦性，以便于控制和减少力矩的波动。这种方法工艺简单，容易实现。

本实用新型的电机启动转矩大、启动速度快、输出功率大、特性硬，特别是能耗低，效率高达90％。过载能力强，一般来说，短时间可以达到三倍过载，在车辆启动时可以提供大转矩。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (32)

1.一种一体化轮毂电机，包括电机轴和固定在其上的定子，定子外套设有转子外壳，转子外壳的前后两端通过转子端盖和轴承可旋转固定在电机轴上，电机轴的两端凸伸于转子端盖之外形成长端和短端，转子端盖的外侧固定有轴承端盖，将电机轴的短端罩在其中，其特征在于，所述的轴承端盖中部凸设有轴承端盖轴，朝电机轴方向凸设，所述的电机轴端部和轴承端盖轴的对应位置设有位置检测装置；所述的电机轴上还套设有伺服控制器；所述位置检测装置感测到轴承端盖轴的转动，并将感测到的信号传输给伺服控制器，通过伺服控制器的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

2.如权利要求1所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置，包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，所述导磁环固定在电机轴上，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置于该缝隙内，所述的磁钢环对应设置在轴承端盖轴上，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置。

3.如权利要求2所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的导磁环由两段同半径、同圆心的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4弧段，对应的磁感应元件为2个；或者，所述的导磁环由三段同半径的弧段构成，分别为1/3弧段，对应的磁感应元件为3个；或者，所述的导磁环由四段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段，对应的磁感应元件为4个；或者，所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的磁感应元件为6个。

4.如权利要求3所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的导磁环的弧段端部设有倒角。

5.如权利要求4所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的倒角为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

6.如权利要求2所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置还包括骨架，用于固定所述导磁环。

7.如权利要求6所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述导磁环设置在骨架成型模具上，在所述骨架一体成型时与骨架固定在一起；所述的骨架固定在电机轴上。

8.基于权利要求2-7任一所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置中包括有信号处理装置，该信号处理装置包括：

A/D转换模块，对位置检测装置中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；

合成模块，对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理得到基准信号D；

角度获取模块，根据该基准信号D，在标准角度表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；以及

存储模块，用于存储标准角度表。

9.如权利要求8所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的信号处理装置还包括温度补偿模块，设置在A/D转换模块和合成模块之间，用于消除温度对位置检测装置发送来的电压信号的影响。

10.如权利要求9所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的合成模块的输出信号还包括信号R。

11.如权利要求9所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的温度补偿模块包括系数矫正模块和乘法器，所述系数矫正模块对所述合成模块的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号R₀进行比较得到输出信号K；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给合成模块。

12.如权利要求11所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的温度补偿模块之前还包括差分模块，当位置检测装置发送来的一个电压信号为2或3的倍数时，用于抑制温度和零点漂移，并提高数据精度。

13.如权利要求1所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置，包括：

分别固定在轴承端盖轴上的第一磁钢环和第二磁钢环；

设置在电机轴上的对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；

在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；

当轴承端盖轴相对于电机轴发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

14.如权利要求13所述的一体化轮毂电机，其特征在于，在所述的定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90°/g；当m为3时，该夹角为120°/g；当m为6时，该夹角为60°/g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。

15.如权利要求1所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置，包括：

分别固定在轴承端盖轴上的第一磁钢环和第二磁钢环，所述第一磁钢环被均匀地磁化为N[N＜＝2ⁿ(n＝0，1，2…n)]对磁极，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环的磁极总数为N，其磁序按照特定磁序算法确定；

在电机轴上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件；对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝0，1，2…n)个呈一定角度分布的磁感应元件；

当轴承端盖轴相对于电机轴发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。

16.如权利要求15所述的一体化轮毂电机，其特征在于，在所述的定子上对应于第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为360°/N。

17.如权利要求16所述的一体化轮毂电机，其特征在于，在所述的定子上对应于第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90°/N，当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为120°/N；当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60°/N。

18.如权利要求13或15所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述磁感应元件直接表贴在电机轴的表面。

19.如权利要求13或15所述的一体化轮毂电机，其特征在于，还包括两个导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内。

20.如权利要求19所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

21.一种基于上述权利要求13-20任一项所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置中包括信号处理装置，该信号处理装置包括：

A/D转换模块，对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；

相对偏移角度θ₁计算模块，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；

绝对偏移量θ₂计算模块，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；

角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ；

存储模块，用于存储数据。

22.根据权利要求21所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的信号处理装置还包括：

信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。

23.根据权利要求21所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的相对偏移角度θ₁计算模块包括第一合成单元和第一角度获取单元，所述第一合成单元对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。

24.如权利要求23所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的相对偏移角度θ₁计算模块还包括温度补偿单元，用于消除温度对位置检测装置发送来的电压信号的影响。

25.如权利要求23所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的第一合成单元的输出还包括信号R。

26.如权利要求24所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正器对所述合成模块的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号R₀进行比较得到输出信号K；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成单元。

27.根据权利要求21所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成单元和第二角度获取单元，所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到一信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。

28.如权利要求2、13或15任一项所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述的磁感应元件为霍尔感应元件。

29.如权利要求1所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述伺服控制器中的控制模块包括数据处理单元、电机电源控制单元、功率模块和电流传感器，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测装置输出的电压信号，经过数据处理，输出控制信号给所述的电机电源控制单元，所述电机电源控制单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

30.如权利要求29所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述数据处理单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；

所述传感器信号处理子单元接收所述位置检测装置的电压信号，经过A/D采样、角度求解，得到电机轴的转动角度，并将该角度传输给所述的机械环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；

所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的转动角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；

所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令的电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；

所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机电源控制单元。

31.如权利要求29所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述电机电源控制单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

32.如权利要求29所述的一体化轮毂电机，其特征在于，所述数据处理单元为MCU，所述电机电源控制单元为IPM模块。

Images