CN2412788Y - 高性能车用直驱无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种高性能车用直驱无刷直流电动机,外转子是端盖内侧凹槽内粘有16块软磁块和16块N、S极相间隔的永磁块组成的平面磁环,内定子是三相星形联接并由环氧树脂固化封装为一体的无铁芯线绕盘式电枢;内定子上装有HALL效应位置传感器和圆环形电路控制器。优点是:效率高、转速稳定性好、高转矩、功能强、外形流畅美观,磁钢固定牢固,不易脱落。具有广泛的适用性、高可靠、长寿命、免维护、机电一体化结构。

Description

高性能车用直驱无刷直流电动机

本实用新型属于无刷直流电动机，特别涉及一种高性能车用直驱无刷直流电动机。

目前以电池为动力源，直接驱动车辆的无刷直流电动机，一般由外转子和内定子组成。按永磁磁钢安装位置的不同，其结构形式主要有二种：一种是瓦形磁钢安装于转子环内侧，形成单磁钢环。此种结构的电动机外转子由电动机左、右端盖、转子环及安装在转子环内侧的磁钢环组成。瓦形磁钢环平行于电动机中心轴，形成径向磁场。内定子由定子铁芯、绕组线圈、位置传感器等组成。绕组线圈嵌入定子铁芯中，线圈极数与磁钢极数相等。外转子与内定子通过轴承相结合，形成环形径向气隙，并绕中心轴转动。为获得高转矩，电动机轴向尺寸及径向尺寸应适中。另一种是平面圆弧形磁钢安装于左、右端盖内侧，形成双平面磁钢环。此种结构的电动机外转子由电动机左、右端盖及安装在左、右端盖内侧的平面磁钢环组成。平面磁钢环垂直于电动机中心轴，形成轴向磁场。内定子由卷绕铁芯、绕组线圈、位置传感器等组成。绕组线圈嵌入卷饶铁芯中，线圈极数与磁钢极数相等。外转子与内定子通过轴承相结合，形成环形轴向双气隙，并绕中心轴转动。此种结构的电动机轴向尺寸小，径向尺寸大，为园盘式外形，能够获得高转矩，适合于驱动各种车辆。上述结构电动机中，由于内定子中含有定子铁芯或卷绕铁芯，使得铁芯损耗无法消除，电动机效率较低；由于磁钢极数与线圈极数相等，位置传感器按间隔60°或120°布置，使得电动机超低速运转波动大，转速稳定性差，抗冲击载荷能力弱。

本实用新型的目的是提供一种高性能车用直驱无刷直流电动机，克服现有技术的缺点和不足。既能提高电机效率，又能增加转速稳定性。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种高性能车用直驱无刷直流电动机，由内定子和外转子组成，其特征为：外转子由左、右端盖及粘贴在左、右端盖内侧凹槽内的平面磁钢环组成；平面磁钢环是由16块N、S极相间隔的永磁磁钢块与16块软磁材料块粘接复合形成并排列成磁环；电动机轴外有轴套，左、右端盖通过轴承连接在电动机轴和轴套上，内定子固定在轴套上。

内定子是无铁芯线绕盘式电枢；无铁芯线绕盘式电枢是三相绕组星形联接方式，A、B、C各相为对称均布的的4极线圈绕组，三相共为12极线圈绕组，由环氧树脂固化封装为一体。

内定子上，还装有三只HALL效应位置传感器，每只以间距30度固定在定子电枢的支架上并接近子磁纲环，HALL效应位置传感器连接固定在内定子上的圆环形电路控制板。

内定子上的圆环形电路控制板由轴套向外连接散热器。

左、右端盖采用壳状多曲面结构，左、右端盖通过螺栓固定成一整体，外圆可设置便于和轮辋相连的辐条孔。

本实用新型的优点是：

1．效率高。由于外转子采用了复合磁体结构，内定子采用了无铁芯盘式电枢，三相绕组线圈采用了星形联接方式且消除了互感损耗，控制方法采用了无刷直流电动机专用IC及PWM技术，使该型电动机效率明显高于其它结构的电动机，其效率＞85％。

2．转速稳定性好。由于采用了定转子极数不相等的方式及小角度HALL效应位置传感器，使该结构电动机在外转子运转一周的过程中，位置传感器工作8个周期，盘式电枢工作8个周期，因而极大地增加了转速的稳定性，转速波动性极小，波动率＜10％，提高了电动机的抗冲击载荷的能力。

3．高转矩。在按电动机外径最小参考公式确定电动机的几何尺寸情况下，仍可获得比其它形式的电动机至少高出15％的转矩。

4．功能强。由于采用了无刷直流电动机专用IC，使该电动机具有正反转功能、刹车断电功能、过流保护功能、低压保护功能、过热保护功能。如附加其它功能电路，则容易实现助力运转功能、限速运转功能、及爬坡所需的更大转矩功能。

5．外形流畅美观，具有广泛的适用性。由于采用了高强度多曲面外壳，使该电动机外形流畅美观。该电动机能够直接驱动各种车辆，可容易地应用在电动自行车、助力车、电驱动等车辆上，具有广泛的使用性。

6．高可靠、长寿命、免维护，并实现了机电一体化结构。该电动机内无机械接触摩擦，各部件不需维护，机械、电气部件可靠性高，长寿命。磁钢固定牢固，不易脱落。圆环型电路控制板安装在电动机内，实现了机电一体化。

下面结合附图说明实施例：

图1是高性能车用直驱无刷直流电动机结构剖视图

图2是高性能车用直驱无刷直流电动机转子软磁材料块环示意图

图3是高性能车用直驱无刷直流电动机转子软磁材料块示意图

图4是高性能车用直驱无刷直流电动机转子永磁磁纲块环示意图

图5是高性能车用直驱无刷直流电动机转子永磁磁纲块示意图

图6是高性能车用直驱无刷直流电动机转子磁环示意图

图7是高性能车用直驱无刷直流电动机转子端盖示意图

图8是端盖与磁环局部剖视图

图9是高性能车用直驱无刷直流电动机定子绕组示意图

图10是高性能车用直驱无刷直流电动机圆环形电路控制图

高性能车用直驱无刷直流电动机，外转子由电动机左、右端盖1、2及粘贴在左、右端盖内侧的凹槽内的平面磁钢环3、4组成。平面磁钢环采用16块软磁材料块5和16块N、S极相间隔的永磁材料块6复合组成的磁环7，以提供优良的磁路。左、右端盖采用壳状多曲面结构，以提高电动机抗纵向摩擦力、冲击力和抗侧向摩擦力强度。左、右端盖通过螺栓固定成一整体，外园可设置辐条孔8以便于和轮辋相连，或在左端盖上设置联接组件以便于和轮辐板相连，亦可在左端盖上安装驱动飞轮以达到电动与人力共同驱动车辆的目的，能够适应各种电动车辆的配套使用。

在该电动机中，内定子由无铁芯线绕盘式电枢9、HALL效应位置传感器10、圆环形电路控制板11等组成。无铁芯线绕盘式电枢采用三相绕组星形联接方式，A、B、C各相绕组均使用扁平自粘性漆包线各对称绕制4极，以消除互感损耗，最终形成12极线圈极数，并用环氧树脂固化封装而成，如附图7所示。线绕盘式电枢中的扁平自粘性漆包线截面积可接电流密度J=10A／mm²来确定。线圈绕组沿径向分布时，以中心轴为圆心，构成有效切割磁力线导体环。该导体环内径R₁、外径R₂、总导体数N可参考下式确定： $R_1^3=\frac{{10}^6{e}_{m}b}{4\mathrm{\πnBF}}$ R₂=1.73R₁N≈3F[R₁/b]以使电动机外径最小。

式中：e_m-最大感应电动势，V；

b-扁平漆包线厚度，mm；

n-额定转速，rps；

B-磁通密度，T；

F-线圈绕组层数。

HALL效应位置传感器由三只HALL效应器件组成，按30°间隔固定在盘式电枢支架上并接近于磁钢环。圆环形电路控制板上安装有无刷直流电动机专用IC，该IC采用PWM技术有效地控制电动机的运转并节省电能。线圈绕组换向电路采用低功耗MOS场效应功率开关管并构成桥式换向电路，功率开关管安装在流线型散热器中，以保证良好的散热效果。散热器与内定子、车架相连，以确保内定子固定不动。电动机电原理图见附图。

在该电动机中，外转子通过深沟轴承与内定子相结合，并绕中心轴转动。右端盖轴承内径大且通过联接件与中心轴相联接，是为了电枢与散热器、电路控制板与电动机外的联线。

本实用新型的工作原理是：

HALL效应位置传感器将外转子的转动位置信号传递到IC及速度反馈电压转换电路中。当功能电路使IC上“电动机工作”信号有效，IC解码电路将外转子位置信号和正反转信号转换成正确的换向信号，控制驱动电路直接驱动功率开关管，使相应的二相绕组线圈通以电流。绕组线圈产生的感应电磁场与永磁磁场相互作用，产生推动外转子转动的电磁力矩，从而推动外转子向相应的方向转动。外转子的转动使位置传感器输出信号周期变化。随着位置传感器信号的周期变化，IC电路周期地控制三相绕组线圈工作，从而推动外转子持续运转。

从速度控制电位器来的速度控制电压和从速度反馈电压转换电路输出的速度反馈电压在IC中进行比较，并形成调节电动机转速的PWM信号，该信号通过驱动电路驱动桥式换向电路的下桥部分，使电动机既节能、又高效地运转，实现电动机的PWM速度控制。

Claims (5)

1、一种高性能车用直驱无刷直流电动机，由内定子和外转子组成，其特征为：外转子由左、右端盖及粘贴在左、右端盖内侧凹槽内的平面磁钢环组成；平面磁钢环由16块N、S极相间隔的永磁磁钢块与16块软磁材料块粘接复合形成并排列成磁环；电动机轴外有轴套，左、右端盖通过轴承连接在电动机轴和轴套上，内定子固定在轴套上。

2、根据权利要求1所述的高性能车用直驱无刷直流电动机，其特征为：内定子是无铁芯线绕盘式电枢；无铁芯线绕盘式电枢是三相绕组星形联接方式，A、B、C各相为对称均布的4极线圈绕组，三相共为12极线圈绕组，由环氧树脂固化封装为一体。

3、根据权利要求2所述的高性能车用直驱无刷直流电动机，其特征为：内定子上，还装有三只HALL效应位置传感器，每只以间距30度固定在定子电枢的支架上，HALL效应位置传感器连接固定在内定子上的圆环形电路控制板上。

4、根据权利要求3所述的高性能车用直驱无刷直流电动机，其特征为：内定子上的圆环形电路控制板由轴套向外连接散热器。

5、根据权利要求1所述的高性能车用直驱无刷直流电动机，其特征为：左、右端盖采用壳状多曲面结构，左、右端盖通过螺栓固定成一整体，外圆可设置便于和轮辋相连的辐条孔。

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