CN208691040U - 三相永磁无刷电转换档位外转子电机 - Google Patents
三相永磁无刷电转换档位外转子电机 Download PDFInfo
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Abstract
一种三相永磁无刷电转换档位外转子电机，即轮毂电机。主要由电动机定子、电机外转子、钕铁硼永磁铁、液冷套、多触头电极集成高稳定磁保持继电器、刹车盘、电动机轴、旋转变压器和端盖组成。其最大特点是其定子的每相绕组由若干个绕组单元组成，并由多触头电极集成高稳定磁保持继电器绕组单元进行串、并联转换以实现以电器方式对电动机进行档位变换，具有一台电机具备二台或三台电动机的机械与电气性能，达到大启动力巨大、启动电流小和高速运行的目的。因没有机械变速部件，电动机的零部件极大减少，可靠性高，效率增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车的电力驱动的动力部件，尤其是能安装在车轮上实用的三相永磁无刷电转换档位外转子电机。
背景技术
目前，公知的电动汽车的电力驱动方式基本上有两类：一类是电机通过与变速箱连接并带动传动轴驱动电动汽车，因变速箱、传动轴的磨擦损耗降低了电动汽车的效率，同时也增加了车重和占据了车内的空间，另一类是把电机直接安装在车轮上，这种电机即是外转子电机或称电动轮毂，电动轮毂因不使用变速箱及传动轴，使整车的效率提高，重量减轻，节约了车内空间，优点明显，但因传统电动轮毂的结构特点导致其高效起动和高速运行两者不能兼顾，现在解决这一问题的方法基本有两种：一种是在电机的定子线圈的不同圈数上抽头，通过调整不同的抽头以适应电动汽车起动和高速运行的不同状态需要，其不足之处是电机的线圈利用率不高、导线用量大、电机体积大、实用性差；另一种是对电机施加不同值的电压，如：专利 2L200420076813所述，该方法虽可解决电动汽车的有效起动与高速运行的问题，但取得多种不同值的电源电压的装置难以实用化，因为要取得多种不同值的电源电压要经过电源逆变，电源逆变器的损耗降低了电能效率，另外电动汽车需要的几千瓦至几十千瓦的逆变器造价很高难于被用户接受。
发明内容
为了克服现有的电动汽车用轮毂电机兼顾高效起动和高速运行能力的不足，本发明提供一种电动汽车用三相永磁无刷电转换档位外转子电机，采用电器变档方法，该三相永磁无刷电转换档位外转子电机不仅能极大提升电动汽车起动性能，而且还可获得正常运行时的高速度。
电机由外壳、磁钢、外转子、水冷定子、电机轴、轴承、端盖、刹车盘、旋转变压器及电转换开关组成，电机定子的绕组由相绕组单元组成，每相绕组绕有多个相同的相绕组单元，相绕组单元之间用电转换开关串联或并联，在定子内设置冷却液套。
电机定子每相的相绕组单元个数相同、总圈数相同、绝缘线直径相同、线圈总截面相同，每个电机槽内安装同一相的相绕组单元线圈，线圈之间安装绝缘层。
所用电转换开关为多触头电极集成高稳定磁保持继电器，内含三组双向触头电极和三组单向触头电极，共引出九个电极引线。
多触头电极集成高稳定磁保持继电器安装在定子的冷却液套与电机轴肋之间的空间内，并固定在轴肋上。
多触头电极高稳定磁保持继电器动作时，动作时间不大于10ms，动作时电机电源断电。
第一种二档三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其电机定子每相绕组的相绕组单元数是二个，一档起动时，二个相绕组单元串联，二档运行时，二个相绕组单元并联，安装一个多触头电极高稳定磁保持继电器。
第二种二档三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其电机定子每相绕组的相绕组单元数是三个，一档起动时，三个相绕组单元串联，二档运行时，三个相绕组单元并联，安装二个多触头电极高稳定磁保持继电器。
三档三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其电机定子每相绕组的相绕组单元数是四个，一档起动时，四个相绕组单元串联，二档加速时，四个相绕组单元二串二并，三档高速运行时，四个相绕组单元全部并联，安装三个多触头电极高稳定磁保持继电器。
电机定子内安装冷却液套，冷却液套为一个厚壁套筒形，其外壁与定子铁芯相连，内壁与轴肋连接，内外壁之间有液体流通通道，通道内设置引导液流方向的隔板。
原理与优势分析：根据直流电机的基本公式：I＝(V-E)/R，其中I为电机电流，V为电源电压，E为电机反动势，R为电机电阻，在电机起动开始的瞬间，因电机处于静止状态，其反动势E为0.此时I＝(V-0)/R由此看出I很大，容易造成绕组烧毁，且电机效率很低，启动力矩小，因此采取把多个绕组单元串联的方法，可以几倍地增加电机电阻的R值，同时每个绕组单元承受的电压也降低几倍，避免了电机起动的瞬时产生危险的大电流，并提高电机的起动效率，保障电机的可靠起动。电机起动后通过相绕组单元线圈的并联，可以使相绕组单元线圈上获得成倍或几倍的电压，同时并联后的电机总电阻也降为起动时的几分之一，由公式I＝ (V-E)/R看出，相绕组单元上的电压增加及R减少，导致I的增加，再由三相电机的基本功率公式P＝√3IV及关系式P∝V2，看出，电机的输出功率增加了，如果4个相绕组单元相并联，因电源电压不变，则每个相绕组单元上所加的电压是电机起动时的4倍，根据P∝V2的关系，电机的输出功率增加到42＝16倍，同理，若6个相绕组单元并联，其电机输出功率将增加62＝36 倍，功率大幅提升的结果必然是电机转矩及转速的增加，因为电机转矩T∝P。相绕组单元之间的串联或并联通过多触头电极集成高稳定磁保持继电器接点的接通或关断实现，并把电机由起动、加速到全速的过程分成几个档位，由自动换挡调速器对相应的多触头电极集成高稳定磁保持继电器进行控制，实现自动变档。多触头电极集成高稳定磁保持继电器动作时，电机控制器切断电机上的电源，使电多触头电极集成高稳定磁保持继电器动作时无火花产生，保证多触头电极集成高稳定磁保持继电器的可靠运行。多触头电极集成高稳定磁保持继电器安装在电机定子内，三相电机电源线只有3根，电机生产简便。
本发明的有益效果是，在输入电机的电源电压值不变的情况下，可以使加在电机相绕组单元上的电压成倍以至几倍地大范围变动，从而使电机在起动、加速以至全速运行时产生相应的电流、转矩与功率，一台电机具有多台电机的机械与电气性能，很好地实现可靠起动与高速运行的不同要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例二档电机的绕组一档状态接线原理图。
图2是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例二档电机的绕组一档状态等效连接图。
图3是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例二档电机的绕组二档状态接线原理图。
图4是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例二档电机的绕组二档状态等效连接图。
图5是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例二档电机的绕组一档状态接线原理图。
图6是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例二档电机的绕组一档状态等效连接图。
图7是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例二档电机的绕组二档状态接线原理图。
图8是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例二档电机的绕组二档状态等效连接图。
图9是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的绕组一档状态接线原理图。
图10是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的绕组一档状态等效连接图。
图11是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的绕组二档状态接线原理图。
图12是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的绕组二档状态等效连接图。
图13是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的绕组三档状态接线原理图。
图14是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的绕组三档状态等效连接图。
图15是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机相绕组单元第一种布置方式示意图。
图16是本实用新型三相永磁无刷电转换档位外转子电机相绕组单元第一种布置方式阻抗调整原理图图。
图17是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机相绕组单元第二种布置方式示意图。
图18是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机主视图。
图19是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机左侧视图。
图20是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例A-A剖面示意图。
图21是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例A-A剖面示意图。
图22是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例A-A剖面示意图。
图23是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机的B-B剖面示意图。
图24是本发明三相永磁无刷电转换档位外转子电机液冷却套展开剖面图。
图中1、电动机外壳，2-1、前端盖，2-2、后端盖，3、电动机轴盖，4、安装螺丝，5、定子铁芯，6、定子线圈，7、磁钢，8、电动机轴，9、刹车盘，10、加强轴端，11、定子槽，12、 MK固定螺丝，13、轴肋，14、液冷却套，15、进液头，16、出液头，17、前端盖轴承，18、后端盖轴承，19、旋转变压器，20、旋转变压器引线，21端盖螺丝，22、液流隔板。
线圈上标注的u1是电动机的U相的第一个相绕组单元，u2是电动机的U相的第二个相绕组单元，u3是电动机的U相的第三个相绕组单元，u4是电动机U相的第四个相绕组单元。以此类推，v1、v2、v3和v4分别是电动机V相的第一、第二、第三和第四个相绕组单元；1 w1、w2、w3和w4则分别是电动机W相的第一、第二、第三和第四个相绕组单元。图中相绕组单元一端的小圆点是线圈首端的标志，线圈的另一端是尾端。MK、MK1、MK2和MK3是多触头电极集成高稳定磁保持继电器。
具体实施方式
在图1和图2中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK)的触头电极①与②、⑤与⑥、⑧与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④断开，即相绕组单元u1的尾端与u2的首端连接，相绕组单元v1的尾端与v2的首端连接，相绕组单元w1，的尾端与w2的首端连接，u2、v2和 w2的尾端连接在一起，实现相绕组单元串联，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例二档电机的一档状态。
在图3和图4中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK)的触头电极③与②、⑦与⑥、⑩与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④接触，即u2、v2和w2相绕组单元的首端与电源端U、V和M连接，相绕组单元u1、v1和w1的尾端连接在一起，u2、v2和w2的尾端连接在一起。实现相绕组单元并联联，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例二档电机的二档状态。
在图5和图6中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK1)和(MK2)的触头电极①与②、⑤与⑥、⑧与⑨接触，(MK1)和(MK2)的触头电极①与④、⑤与④、⑧与④断开，即相绕组单元u1的尾端与u2的首端连接，相绕组单元u2的尾端与u3的首端连接，相绕组单元v1的尾端与v2的首端连接，相绕组单元v2的尾端与v3的首端连接，相绕组单元w1的尾端与w2 的首端连接，相绕组单元w2的尾端与w3的首端连接，u3、v3和w3的尾端连接在一起，实现相绕组单元串联，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例二档电机的一档状态。
在图7和图8中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK1)和(MK2)的触头电极③与②、⑦与⑥、⑩与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④接触，即相绕组单元u2、v2、w2、u3、v3和w3的首端与电源端U、V和M连接，相绕组单元u1、v1和w1的尾端连接在一起， u2、v2、w2的尾端连接在一起，u3、v3和w3的尾端连接在一起，实现相绕组单元并联联，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例二档电机的二档状态。
在图9和图10中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK1)、(MK2)和(MK3)的触头电极①与②、⑤与⑥、⑧与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④断开，即相绕组单元u1 的尾端与u2的首端连接，相绕组单元u2的尾端与u3的首端连接，相绕组单元u3的尾端与u4的首端连接，相绕组单元v1的尾端与v2的首端连接，相绕组单元v2的尾端与v3的首端连接，相绕组单元v3的尾端与v4的首端连接，相绕组单元w1的尾端与w2的首端连接，相绕组单元w2的尾端与w3的首端连接，相绕组单元w3的尾端与w4的首端连接，u4、v4和w4的尾端连接在一起，实现相绕组单元串联，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的一档状态。
在图11和图12中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK1)和(MK3)的触头电极①与②、⑤与⑥、⑧与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④断开，(MK2)的触头电极③与②、⑦与⑥、⑩与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④接触，即相绕组单元u1的尾端与u2的首端连接，相绕组单元u3的尾端与u4的首端连接，相绕组单元v1的尾端与v2的首端连接，相绕组单元v3的尾端与v4的首端连接，相绕组单元w1的尾端与w2的首端连接，相绕组单元 w3的尾端与w4的首端连接，u2、v2和w2的尾端连接在一起，u4、v4和w4的尾端连接在一起，实现相绕组单元串、并混合连接，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的二档状态。
在图13和图14中，多触头电极集成高稳定磁保持继电器(MK1)、(MK2)和(MK3)的触头电极①与②、⑤与⑥、⑧与⑨接触，触头电极①与④、⑤与④、⑧与④断开，即相绕组单元即相绕组单元u2、v2、w2、u3、v3、w3、u4、v4和w4的首端与电源端U、V和M连接，u2、v2、 w2的尾端连接在一起，u3、v3、w3的尾端连接在一起，u4、v4和w4的尾端连接在一起，实现相绕组单元串、并混合连接，即为三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例三档电机的三档状态。
在图15中，电机的相绕组单元在电机的径向上依次绕制，即先绕u1，再绕u2、u3和u4；先绕v1，再绕v2、v3和v4；先绕w1，再绕w2、w3和w4。该图只画了两个相绕组单元u1，和u2；v1，和v2；w1，和w2，相绕组单元之间设置绝缘层，该图仅画了每相具有两个相绕组单元的电机绕组图。
在图16中，电机的每个相绕组单元按匝数等分为两部分，即u1等分位u11和u12，u2等分位u21和u22，v1等分位v11和v12，v2等分位v21和v22，w1等分位w11和w12，w2等分位w21和w22；其中u11的尾与u22的头连接组成一个相绕组单元，u21的尾与u12头连接组成一个相绕组单元，v11的尾与v22的头连接组成一个相绕组单元，v21的尾与v12头连接组成一个相绕组单元；w11的尾与w22的头连接组成一个相绕组单元，w21的尾与w12头连接组成一个相绕组单元，以此实现相绕组单元u1与u2、v1与v2、w1与w2参数差异的交互补偿，即阻抗调整，同理，也可实现每相为三个相绕组单元u1与u3、v1与v3、w1与w3的参数差异的。
在图17中，电机每相的相绕组单元沿电机定子铁芯圆周内单层绕制，相绕组单元u1、u2、 u3、u4沿电机定子铁芯圆周内均匀分布，v1、v2、v3与v4沿电机定子铁芯圆周内均匀分布 w1、w2、w3与w4沿电机定子铁芯圆周内均匀分布，该图仅画了每相具有两个相绕组单元的电机绕组图。
在图18和图19中，前端盖(2-1)朝向车辆外侧，后端盖(2-2)朝向车辆内侧，安装螺丝(4)与车轮安装在一起，加强轴端(10)与车辆主轴连接，端盖螺丝(21)固定电机端盖。
在图20、图21和图22中，外壳(1)和磁钢(7)是电机转子，电机定子铁芯(5)开有电机槽(11)，电机槽(11)内绕制相绕组单元的定子线圈(6)，电机定子铁芯(5)内侧与液冷却套(14)外侧装配在一起，液冷却套(14)内侧与轴肋(13)连接，轴肋(13)与电机轴 (8)连接，轴肋(13)上用MK固定螺丝(12)固定MK，液冷却套(14)的一端接出进液头(15)和出液头(16)，图20安装一个MK，是三相永磁无刷电转换档位外转子电机第一个实施例的剖面图，图21安装二个MK，是三相永磁无刷电转换档位外转子电机第二个实施例的剖面图，图22安装三个MK，是三相永磁无刷电转换档位外转子电机第三个实施例的剖面图，上述图20、图21和图22仅画出了12槽的电机定子，还可以采用24槽、36槽等槽数的电机定子。
在图23中，电动机外壳(1)内安装磁钢(7)，定子线圈(6)安装在铁芯(5)内，电机定子铁芯(5)内侧与液冷却套(14)外侧装配在一起，液冷却套(14)内侧与轴肋(13)连接，轴肋(13)与电机轴(8)连接，轴肋(13)上用MK固定螺丝(12)固定MK，液冷却套(14) 的一端接出进液头(15)和出液头(16)，电源U(V，W)通过加强轴端(10)的孔与定子线圈(6)连接，定子线圈(6)与MK连接，前端盖(2-1)上安装电动机外壳(1)、安装螺丝(4)、前端盖轴承(17)、旋转变压器(19)的磁盘，及电动机轴盖(3)；后端盖(2-2)上安装刹车盘(9)、后端盖轴承(18)，端盖螺丝(21)固定端盖(2-1)和(2-2)，旋转变压器引线(20) 电动机轴(8)的中心孔引出，进液头(15)与出液头(16)通过加强轴端(10)引出，加强轴端(10)与电动机轴安装在一起。
在图24中，液冷却套(14)由套壁、进液头(15)、出液头(16)和液流隔板(22)组成，冷却液由进液头(15)流入，从出液头(16)循环流出，高效地带出定子的温度，达到降低电机定子温度的目的。
Claims (9)
1.一种三相永磁无刷电转换档位外转子电机，由电机外壳、外转子、水冷定子、电机轴、轴承、端盖、刹车盘、旋转变压器及电转换开关组成，其特征是：电机定子的绕组由相绕组单元组成，每相绕组绕有多个相同的相绕组单元，相绕组单元之间用电转换开关串联或并联，在定子内设置冷却液套。
2.根据权利要求1所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：电机定子每相的相绕组单元个数相同、总圈数相同、绝缘线直径相同、线圈总截面相同，每个电机槽内安装同一相的相绕组单元线圈，线圈之间安装绝缘层。
3.根据权利要求1所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：所用电转换开关为多触头电极集成高稳定磁保持继电器，内含三组双向触头电极和三组单向触头电极，共引出九个电极引线。
4.根据权利要求3所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：多触头电极集成高稳定磁保持继电器安装在定子的冷却液套与电机轴肋之间的空间内，并固定在轴肋上。
5.根据权利要求3所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：多触头电极高稳定磁保持继电器动作时，动作时间不大于10ms，动作时电机电源断电。
6.根据权利要求1所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：第一种二档三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其电机定子每相绕组的相绕组单元数是二个，一档起动时，二个相绕组单元串联，二档运行时，二个相绕组单元并联，安装一个电转换开关。
7.根据权利要求1所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：第二种二档三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其电机定子每相绕组的相绕组单元数是三个，一档起动时，三个相绕组单元串联，二档运行时，三个相绕组单元并联，安装二个电转换开关。
8.根据权利要求1所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：三档三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其电机定子每相绕组的相绕组单元数是四个，一档起动时，四个相绕组单元串联，二档加速时，四个相绕组单元二串二并，三档高速运行时，四个相绕组单元全部并联，安装三个电转换开关。
9.根据权利要求1所述的三相永磁无刷电转换档位外转子电机，其特征是：电机定子内安装冷却液套，冷却液套为一个厚壁套筒形，其外壁与定子铁芯相连，内壁与轴肋连接，内外壁之间有液体流通通道，通道内设置引导液流方向的隔板。
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| CN201721750339.9U CN208691040U (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 三相永磁无刷电转换档位外转子电机 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN208691040U true CN208691040U (zh) | 2019-04-02 |
Family
ID=65875066
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201721750339.9U Active CN208691040U (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 三相永磁无刷电转换档位外转子电机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN208691040U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107994710A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-05-04 | 尹永河 | 三相永磁无刷电转换挡位外转子电机 |
-
2017
- 2017-12-15 CN CN201721750339.9U patent/CN208691040U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107994710A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-05-04 | 尹永河 | 三相永磁无刷电转换挡位外转子电机 |
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