CN201808440U

CN201808440U - 一种多相电动机轮式驱动系统

Info

Publication number: CN201808440U
Application number: CN2010202149766U
Authority: CN
Inventors: 李君�; 黄韵强
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2020-05-28

Abstract

本实用新型为一种多相电动机轮式驱动系统，包括轮毂电动机、中央监控器、动力驱动控制器，所述中央监控器与动力驱动控制器连接，动力驱动控制器接收中央监控器的指令，对轮毂电动机驱动控制，其特征在于：所述轮毂电动机外壳与车轮轮辋连接，由轮毂电动机直接带动车轮运动；所述轮毂电动机为多相无铁心永磁同步盘式电动机。本实用新型具有低速驱动、运转高效和结构紧凑的特点，同时克服了体积大、重量大、损耗大、振动噪声大等问题。

Description

一种多相电动机轮式驱动系统

技术领域

本实用新型涉及一种新型多相电动机轮式驱动系统，该驱动系统所采用的驱动电动机是多相盘式无铁心永磁同步电动机。

背景技术

电动汽车具有节能、环保和低噪声特点，行驶舒适性要优于内燃机汽车，是当前研发取代内燃机汽车的首选新能源车型。现代电动汽车常用的轮式驱动系统主要采用高速型径向磁通电动机，其与行星齿轮减速器共同组成电动轮毂，但减速机构占据了轮毂一定的空间，同时增加了电动汽车的质量。盘式永磁电动机具有低速驱动、运转高效和结构紧凑的特点，适合作为轮毂电动机，但传统盘式永磁电动机通常选用高磁导率的硅钢片叠压制成铁心，从而使电动机出现体积大、重量大、损耗大、振动噪声大等问题。

实用新型内容

为了克服当前电动汽车所采用的驱动系统以及驱动电动机所存在的不足，本实用新型提出一种采用以多相无铁心永磁同步盘式电动机为轮毂驱动电动机的多相电动机轮式驱动系统。

本实用新型包括如下技术特征：一种多相电动机轮式驱动系统，包括轮毂电动机、中央监控器、动力驱动控制器，所述中央监控器与动力驱动控制器连接，动力驱动控制器接收中央监控器的指令，对轮毂电动机驱动控制，其特征在于：所述轮毂电动机外壳与车轮轮辋连接，由轮毂电动机直接带动车轮运动；所述轮毂电动机为多相无铁心永磁同步盘式电动机。

本实用新型其中一个方案是：所述轮毂电动机包括电机外壳、永磁体转子盘、制动盘、定子绕组盘、电动机轴和绕组导线；所述电动机外壳与轮辋连接，永磁体转子盘连接在外壳内表面与外壳一齐转动，从而带动车轮转动；所述制动盘通过固定螺栓与电动机外壳相连，直接注塑而成的定子绕组盘与电动机轴相连，绕组导线从电动机轴引出，定子与转子通过轴承相连。

本实用新型第二个方案是：所述轮毂电动机包括电机外壳、永磁体转子盘、制动盘、定子绕组盘、电动机轴和绕组导线；所述永磁体转子盘与电动机轴连接作为电动机的转子，电动机轴、制动盘、轮辋三者固定相连，直接带动车轮转动，定子绕组与电动机外壳连接在一起，定子外壳通过固定螺栓与车体相连固定。

本实用新型第三个方案是在第二个方案基础上更进一步的，所述定子绕组为与外壳相连的是盘式定子注塑绕组，与电动机轴相连的是永磁体转子盘。

本实用新型第四个方案是在第二个方案基础上更进一步的，所述定子绕组为盘式定子注塑绕组，定子与电动机外壳连接，电动机转子是二个永磁体转子盘，所述二个永磁体转子盘分别设于盘式定子注塑绕组两侧，并且所述永磁体转子盘与电动机轴相连。

本实用新型第五个方案是在第二个方案基础上更进一步的，所述轮毂电动机所述定子绕组为盘式定子注塑绕组，定子与电动机外壳连接；所述电动机转子为与电动机轴相连的永磁体转子盘；所述永磁体转子盘为两个或两个以上，所述盘式定子注塑绕组和永磁体转子盘分别交错设置。

更进一步的，所述动力驱动控制器为电子差速控制系统，所述电子差速控制系统在控制车轮转速的基础上以车轮的滑移率为控制目标，以驱动轮的转矩为控制变量，在保证汽车操纵稳定性和平顺性的前提下，当汽车直线行驶时，平均分配驱动轮的转速和转矩；在汽车转向时，用中央监控器中的微处理器对电动轮进行差速控制，计算出内、外侧车轮的不同转速和转矩，由动力驱动控制器控制各个车轮之间的差速转动。

所述电子差速控制系统为双前轮驱动模式、双后轮驱动模式及四轮驱动模式。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)整车驱动采用分散驱动布置；完全脱离了内燃机汽车传统的集中驱动模式，电动机嵌装于电动轮毂之中，能够减少汽车簧载质量，并腾出了传动系统所占据的空间来布置动力电池组和其他零部件等；

(2)采用盘式多相无铁心永磁同步电动机作为轮毂驱动电机；无刷无铁心的制造工艺使电动机无铁损，可靠性更高，绕组线圈内阻极少，降低电动机发热量，多相设计使电动机具有大转矩惯量比和良好的低速运行性能特性，可降低电池组电压等级；

(3)电子差速控制；由中央监控器直接控制各个电动轮按车辆行驶的要求作等速转动或差速转动，不需要其他任何形式的机械差速器装置，并可控制车辆在很小的转弯半径内进行转弯，还可实现倒车。

附图说明

图1是本实用新型基本方案中电动轮毂结构图。

图2是本实用新型衍生方案中电动轮毂的单转双定结构图。

图3是本实用新型衍生方案中电动轮毂的单定单转结构图。

图4是本实用新型衍生方案中电动轮毂的单定双转内转型结构图。

图5是本实用新型衍生方案中电动轮毂的多盘式结构图。

图6是Halbach永磁体阵列按照45度充磁规则确定充磁方向的示意图。

图7是Halbach永磁体阵列按照60度充磁规则确定充磁方向的示意图。

图8是Halbach永磁体阵列按照90度充磁规则确定充磁方向的示意图。

图9是方案1的六相无铁心盘式永磁同步电动机的简单三维模型图。

图10是方案1的六相无铁心盘式永磁同步电动机的绕组分布图。

图11是本实用新型实现双前轮驱动模式电动汽车的原理示意图。

图12是本实用新型实现双后轮驱动模式电动汽车的原理示意图。

图13是本实用新型实现四轮驱动模式电动汽车的原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型的具体结构特征和工作原理作出简要说明。

图1是本实用新型基本方案中电动轮毂结构图。图1中包括轮胎1，轮辋2，定子注塑绕组3，是永磁体转子盘4，电动机外壳5，轴承6，电动机轴7，制动盘8，固定螺栓9，电动机绕组引出线10。

如图1所示，电动机外壳5与轮辋2连成一体，永磁体转子盘4粘结在外壳内表面与外壳一齐转动，从而带动车轮1转动，制动盘8通过固定螺栓9与电动机外壳相连，直接注塑而成的定子绕组盘3与电动机轴7相连，绕组导线10从电动机轴7右方引出，定子与转子通过轴承6相连。

与电池组相连的电动机驱动控制器通过电动机绕组引出线10向定子注塑绕组3供电，产生旋转磁场，该旋转磁场作用于粘结在电动机外壳内侧的永磁体转子盘4，使电动机外壳5转动并输出电动机功率，电动机外壳5带动与车轮1连成一体，同步转动，车轮转动通过中央监控器对其作出电子差速控制。

本实用新型具有其他的衍生方案，如图2至图5所示。

如图2所示，此方案所采用的轮毂盘式电动机结构是内转子型结构，永磁体转子盘4与电动机轴7连成一体作为电动机的转子，电动机轴7、制动盘8、轮辋2三者固定相连，直接带动车轮1转动，定子绕组3与电动机外壳5粘结在一起，定子外壳通过固定螺栓11与车体相连固定。

如图3所示，此方案为单定单转结构，该结构是在图2方案的基础上，与外壳相连的是盘式定子注塑绕组3、与电动机轴7相连的是永磁体转子盘4。

如图4所示，此方案为单定双转内转型结构，该结构是在图2方案的基础上，定子是盘式定子注塑绕组3，定子与电动机外壳5连成一个整体，电动机转子是两个永磁体转子盘4，与电动机轴7相连。

如图5所示，此方案为多盘式结构，该结构是在图2的方案的基础上，由多个盘式结构部件组成的，图中盘式定子注塑绕组3共有三个绕组盘，均与电动机外壳连成一体，永磁体转子盘4共两个，均与电动机轴相连，其中所述盘式定子注塑绕组3和永磁体转子盘4分别交错设置。该实施例中盘式定子注塑绕组3有三个，永磁体转子盘4有两个；但是在不影响组装的前提下，所述永磁体转子盘4可以为两个或两个以上，而且所述盘式定子注塑绕组3和永磁体转子盘4分别交错设置。

以上四种衍生结构方案都是采用盘式电动机的内转子结构，各部件所处位置基本相同，各部件之间的连接均相似。

本实用新型所采用的多相盘式无铁心永磁同步电动机具有以下特点：

1、转子选用具有高矫顽力、高剩磁密度的钕铁硼永磁材料，永磁体采用Halbach型特殊永磁体阵列，该阵列按充磁方向可分为：45度、60度和90度三种。

图6为阵列按充磁方向45度。中模型为盘式无铁心永磁同步电动机一对极下的电动机定、转子沿周向展开后的二维模型，电动机采用单定双转结构，示意图取的是永磁体阵列平均半径处的横截面。图中永磁体块12，定子线圈13。电动机的一对极对应气隙磁场的一个周期，在一个永磁体阵列中包括七块永磁体以及与这七块永磁体相邻的左右各半块永磁体。模型中的各永磁体按照45度Halbach永磁体阵列的充磁规则确定充磁方向。按45度充磁规则确定充磁方向可使磁通密度达到最大，该阵列使得永磁体相对定子的一侧磁场增强，与外壳相连的一侧磁场减弱，可大大减弱电动机轭部磁通，减小漏磁现象，从而提高电动机气隙中的磁密，进一步提高电动机的效率。

附图7和附图8分别为阵列按充磁方向60度、90度。采用的模型为盘式无铁心永磁同步电动机两对极下的电动机定、转子沿周向展开后的二维模型。

2、方案1采用的单定双转外转子型结构，磁钢被直接粘结到电动机外壳上，双转子构成双气隙，两面的磁轭通过铝合金的电动机外壳可聚磁，进一步提高磁能利用率；

3、定子电枢为由绕组直接注塑压制而成的无铁心结构，不但电动机重量可以大幅度下降，还有效的降低了电动机的振动噪声，提高了电动机的效率；

4、多相，相数的增多实现了低压大容量，空间谐波最低次数要比一般三相电动机高，谐波幅值下降，转矩脉动减小，系统稳定性增高，同时转子谐波损耗减小，效率提高，一旦发生缺相故障，系统仍可靠运行；

5、由于励磁系统无损耗，电动机运行效率高。

以六相无铁心盘式永磁同步电动机为例，图9是方案1的六相无铁心盘式永磁同步电动机的三维模型图，该电机为六相六极36槽盘式电机，包括电机外壳22、永磁体块23和定子绕组24，每四块永磁体为一极，采用Halbach永磁体阵列中的45度充磁规则确定充磁方向。图10为方案1的模型中六相无铁心盘式永磁同步电动机定子绕组的排布图，图中电机绕组采用双Y型结构，相带为30°，空间磁势中有v＝12k+1＝-11、+13、-23、+25等次数谐波，定子绕组由两个自身对称的三相绕组组成，图中A相绕组25，B相绕组26，C相绕组27，U相绕组28，V相绕组29，W相绕组30。从最下方的绕组A开始，绕组激励源沿逆时针的设置为A+、U+、C-、W-、B+、V+、A-、U-、C+、W+、B-、V-，其余以此类推。其中，在A相、B相、U相和V相绕组中电流沿逆时针方向传输，电流从内圈流向外圈时为+，电流从外圈流向内圈为-；在C相和W相绕组中电流沿顺时针方向传输，电流从内圈流向外圈为-，电流从外圈流向内圈为+。

其中，图11是本实用新型实现双前轮驱动模式电动汽车的原理示意图。图12是本实用新型实现双后轮驱动模式电动汽车的原理示意图。图13是本实用新型实现四轮驱动模式电动汽车的原理示意图。在图11至图13中，包括中央监控器14，电动机驱动控制器15，动力电池组16，电池管理器17，加速踏板18，方向盘19，制动踏板20，机械差速器21。

如附图11所示为双前轮驱动模式：电动机位置传感器安装在两个前轮的电动机中，实时监测电动机转速并将信息反馈至中央监控器，电动机转矩由电流信号根据电动机模型计算所得。中央监控器14从加速踏板18、方向盘19、制动踏板20中获取电动机转速、电动机转矩、方向盘转角、加速与制动等信息，根据预存储的电子差速控制算法进行处理后，通过控制总线将差速操作指令传输至电动机驱动控制器中控制电动机转动，而电动机驱动控制器15也实时将电动机运转情况反馈至中央监控器14，对电动机进行速度闭环控制，从而实现对车辆的协调控制。动力电池组通过电池管理器将直流电流转换至各部件所需电压电流，通过电源线束向各模块供电。当电动汽车制动时，驱动电动机转换为发电机，将再生制动的能量转换为电能，通过电池管理器反馈至动力电池组中。双后轮通过机械差速器进行连接。

如附图12所示为双后轮驱动模式；附图13所示为四轮驱动模式，其示意图中的模块标示、工作原理及实施方式均与双前轮驱动模式相似。

Claims

1.一种多相电动机轮式驱动系统，包括轮毂电动机、中央监控器、动力驱动控制器，所述中央监控器与动力驱动控制器连接，动力驱动控制器接收中央监控器的指令，对轮毂电动机驱动控制，其特征在于：所述轮毂电动机外壳与车轮轮辋连接，由轮毂电动机直接带动车轮运动；所述轮毂电动机为多相无铁心永磁同步盘式电动机。

2.根据权利要求1所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述轮毂电动机包括电机外壳、永磁体转子盘、制动盘、定子绕组盘、电动机轴和绕组导线；所述电动机外壳与轮辋连接，永磁体转子盘连接在外壳内表面与外壳一齐转动，从而带动车轮转动；所述制动盘通过固定螺栓与电动机外壳相连，直接注塑而成的定子绕组盘与电动机轴相连，绕组导线从电动机轴引出，定子与转子通过轴承相连。

3.根据权利要求1所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述轮毂电动机包括电机外壳、永磁体转子盘、制动盘、定子绕组盘、电动机轴和绕组导线；所述永磁体转子盘与电动机轴连接作为电动机的转子，电动机轴、制动盘、轮辋三者固定相连，直接带动车轮转动，定子绕组与电动机外壳连接在一起，定子外壳通过固定螺栓与车体相连固定。

4.根据权利要求3所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述定子绕组为与外壳相连的是盘式定子注塑绕组，与电动机轴相连的是永磁体转子盘。

5.根据权利要求3所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述定子绕组为盘式定子注塑绕组，定子与电动机外壳连接，电动机转子是二个永磁体转子盘，所述二个永磁体转子盘分别设于盘式定子注塑绕组两侧，并且所述永磁体转子盘与电动机轴相连。

6.根据权利要求3所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述轮毂电动机所述定子绕组为盘式定子注塑绕组，定子与电动机外壳连接；所述电动机转子为与电动机轴相连的永磁体转子盘；所述永磁体转子盘为两个或两个以上，所述盘式定子注塑绕组和永磁体转子盘分别交错设置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述动力驱动控制器为电子差速控制系统，所述电子差速控制系统在控制车轮转速的基础上以车轮的滑移率为控制目标，以驱动轮的转矩为控制变量，在保证汽车操纵稳定性和平顺性的前提下，当汽车直线行驶时，平均分配驱动轮的转速和转矩；在汽车转向时，用中央监控器中的微处理器对电动轮进行差速控制，计算出内、外侧车轮的不同转速和转矩，由动力驱动控制器控制各个车轮之间的差速转动。

8.根据权利要求7所述的多相电动机轮式驱动系统，其特征在于：所述电子差速控制系统为双前轮驱动模式、双后轮驱动模式及四轮驱动模式。