CN2418613Y - 电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机,主要由外置式永磁转子、内置式无槽电枢绕组定子和无触点电子换向器组成,整体为圆盘形后毂直驱式结构,可进行无级调速。这种电机不用减速机构,转速低、输出力矩大、功耗小、效率高、性能好、起动平稳、运行稳定可靠、无噪声、无干扰、无污染、故障率低、使用寿命长,有很好的性价比,适合于电动自行车、助力车生产厂家配套使用。

Description

电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机

本实用新型属于电机，具体地说是一种电动摩托车、电动自行车用的直流永磁无槽无刷低速电动机。

目前，永磁直流无刷电机已被广泛应用，特别是直接驱动的有槽无刷电机，为外转子低速运行，无减速机构，具有噪声低、寿命长、基本免维护等特点，为电动自行车装车首选。但是，它与外径尺寸相同的有刷电机相比，还存在最大功率稍低，且重量也较重。

本实用新型的目的是提供一种电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机，它低铁损、重量轻、不存在齿槽效应和制动力矩，力矩大，能够在较短时间间隔内承受几倍于额定功率的条件下运行，而在高功率条件下又不会产生明显的转矩滚动。

为了达到上述目的，该电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机的技术方案包括：

a、外置式转子，外壳为圆盘状直驱结构，壳体内壁上固装着环形均匀分布的钕铁硼永磁体，按N、S、N、S成对排列，磁体的极向为径向，壳体与端盖通过螺钉连接，两侧端盖的轴座内同轴安装滚珠轴承，在壳体一侧的端盖内壁上，还固装有似广口瓶盖样、盖口朝内、与转子同步旋转的永磁转子磁极瞬息位置器，位置器与轴线同心；

b、内置式定子座，为圆柱形，两端留有圆形凹槽，靠所述位置器一端凹槽内，装磁敏传感器检测头及驱动电路元器件的圆形印制电路板，检测头有六个，分三组，每组两个，以轴线为圆心呈120°角均匀分布在圆形印制电路板周边上，与位置器的口边相邻，另一端凹槽内安装功率开关电路元器件的圆形印制电路板，定子座套装在所述转子的空腔中，电机轴穿过定子座及所述滚珠轴的轴孔，为紧配合，两轴端固定在车架尾部上；

c、电子换向器由磁敏传感器、驱动电路、光电耦合器和功率开关电路构成，共有六路：

—第1路，磁敏传感器IC1的输出端与驱动电路V1的输入端相连接，V1的输出端与光电耦合器V7的输入端相连接，V7的输出端与功率开关电路V10的输入端相连接；

—第2路，磁敏传感器IC2的输出端与驱动电路V2的输入端相连接，V2的输出端与功率开关电路V11的输入端相连接，V10与V11相串联后并接在直流电源的两端，中点与A相电枢绕组的A点相连接；

—第3路，磁敏伟感器IC3的输出端与驱动电路V3输入端相连接，V3的输出端与光电耦合器V8的输入端相连接，V8的输出端与功率开关电路V12的输入端相连接；

—第4路，磁敏传感器IC4的输出端与驱动V4的输入端相连接，V4的输出端与功率开关电路V13的输入端相连接，V12与V13相串联后并接在直流电源的两端，中点与B相电枢绕组B点相连接；

—第5路，磁敏传感器IC5的输出端与驱动电路V5的输入端相连接，V5的输出端与光电耦合器V9的输入端相连接，V9的输出端与功率开关电路V14的输入端相连接；

—第6路，磁敏传感器IC6的输出端与驱动电路V6的输入端相连接，V6的输出端与功率开头电路V15的输入端相连接，V14与V15相串联后并接在直流电源两端，中点与C相电枢绕组的C点相连接；

其特征在于，它还包括：

d、无槽的电枢铁芯和电枢绕组，铁芯为圆环形，套装在所述的定子座的外圆上，绕组则平铺于铁芯的表体上，转子与定子之间留有工作空气隙，绕组线圈的个数与转子的磁极对应，即有n对磁极就有n个绕组，n为正整数。

位置器上小磁片的宽度，以能使IC打开120°电导角为宜，数目随磁极对数确定，通常在6～12片之间。

磁敏传感器检测头两个之间的夹角α随磁极对数确定，一般在30°～15°角之间。

本实用新型的优点是：1、由于电机的定子是无槽的，用带状环绕成型铁芯取代传统的冲有齿槽的铁芯，使铁芯材料得以充分利用，铁芯材料损耗基本为零，用铁少，重量减轻，而且简化了制造工艺，提高生产效率，可降低成本20％。2、无槽电机不存在齿槽效应和制动力矩，与有槽电机相比，在规格相同、输入功率相同时，其转矩可提高20％。3、输出转矩几乎为正弦波曲线，谐波畸变小，仅为1～2％，因而能产生均匀的恒转矩；由于电机的磁饱和程度较低，它能在较短的时间间隔内承受几倍于额定功率的条件下运行，而在高功率条件下又不会产生明显的转矩滚动，操作方便、灵活，起动、运行平稳，不易损坏。

图1是该电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机的整体构造主视半剖图。

图2是图1中定子的圆环形铁芯9和线圈绕组4的展开示意视图。

图3是图1中永磁转子磁极的布置图。

图4是图1中永磁转子磁极瞬息位置器的剖视图。

图5是图1中磁敏传感器检测头的安装位置图。

图6是电子换向器的电路图。

图7是本电动机的工作原理框图。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细地描述。

图1是电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机的整体构造主视半剖图。它是安装在自行车或者助力车后轮的轴芯上的，为圆盘形后毂直驱式。主要由外置式永磁转子、内置式定子以及电子换向器组成。普通电动机的转子通常是内置式，本电动机刚好相反，是外置式转子，其工作方式与吊扇类似。图中，6是外置式永磁转子总成，转子是圆筒形的，其端盖3、13两侧的轴座内同轴安装滚珠轴承14，为紧配合，端盖内壁上固装有广口瓶盖状、盖口朝内、可跟随转子同步转动的永磁转子磁极瞬息位置器12，电机外壳辐条座5通过辐条与车轮钢圈相连接。16是定子总成，置于转子内圆的腹腔中，为内置式定子，10是定子座，电机轴1穿过滚珠轴承14(为紧配合)由螺母固紧在车架的尾部上，定子座为圆柱形，外圆上安装有由带状矽钢片绕制的圆环形铁芯9，线圈绕组4平铺于铁芯片上(参见图2)，用耐高温的环氧树脂固牢成型，定子与转子之间留有磁路工作空气隙7，定子座两端留有圆形凹槽，左侧的凹槽内安装功率开关电路的印制电路板8，右侧的凹槽内安装磁敏传感器及驱动电路的印制电路板11，2是向定子电枢绕组和检控电路供电的电源引入线。15是油封。

图3是图1中永磁转子磁极的布置图。图中，17是转子的壳体，18是极间隔片，19是钕铁硼磁钢，按N、S、N、S排列，极向朝圆心方向，用粘合剂粘结在外壳内壁上。磁极对数可根据设计要求而定，本图给出的为10对磁极。

图4是图1中永磁转子磁极瞬息位置器的剖视图。图中，20是定位盘，21是位置器磁钢，22是定位支持架。定位盘为圆形广口瓶盖样，盘口内壁装定位支持架22，磁钢21为弧形片状，装在定位支持架槽中，紧贴盘口内壁的结合面及周边用粘合剂粘牢。整个位置器用螺钉通过螺钉孔23固定在转子右端盖13内壁上(参见图1)，盘口的直径比定子座右侧所留圆形凹槽的直径略小，可伸入定子座右侧的凹槽内(参见图1)。所谓位置器，它是通过贴在盘口周边有规矩分布的小磁片来反映永磁转子磁极与定子磁路的动态瞬息相对位置的，由于它固装在转子上，可随转子同步旋转，转子磁极数目、几何位置、电导角度一经确定，位置器的设计参数也就可跟着确定了，小磁片的数目与转子的磁极对数相应，通常在6～12片之间选取，例如本设计的永磁转子磁极为10对(参见图2)，小磁片的数目就为10片，其分布状态如图所示。小磁片的宽度，要求刚好使传感器能打开12°(即电导角120°)即可。位置器的作用是通过小磁片传递转子磁极的位置信号，它与磁敏传感器、电子开关电路配合，构成无触点换向，取代传统直流有刷电机的机械换向器，为电动机运行提供交变电流及旋转磁场。

图5是图1中磁敏传感器检测头的安装位置图。图中，11是安装磁敏传感器和驱动电路元器件的印制电路板，它是圆形的，固装在定子座凹槽中，IC是磁敏传感器检测头，为半导体霍尔器件集成块，一共有六个，安装在印制电路板平面的周边上，分三组，每组两个，以圆心点为中心呈120°均匀分布，两个之间的夹角α大小随转子磁极对数目确定，其取值范围一般在30°～15°角之间，以适应电动机工作于三相六状态的要求。圆周边的双点划线及小磁片21是相邻位置器盘口的轮廓线，位置器的定位盘与检测头是同心装配的，当定位盘跟随转子旋转时，小磁片将依次从检测头的旁边经过，把转子磁极的位置信号传给传感器检测头，然后由传感器转换成电信号输出，送入驱动电路。驱动电路的元器件24也安装在同一块印制电路板上。

图6是电子换向器的电路图。主要由磁敏传感器、驱动电路、功率开关电路、电动机的定子电枢绕组及直流稳压电源组成。传感、驱动、开关一共有六路，由六个完全相同的电路构成，其中1、3、5路的驱动电路与功率开关电路之间还插入了光电耦合隔离器。图中，IC1～IC6是磁敏传感器，型号为CS3020，是霍尔集成块，它们是利用霍尔效应工作的，即当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，物体两侧会产生电势差。半导体三极管V1～V6、电阻R1～R18、电容C1～C6构成了六个电路完全相同又各自独立工作与前面IC1～IC6配套的驱动电路。R19～R24是隔离电阻，其中R20与R30、R22与R33、R24与R36同时构成分压电路，V7～V9是光电三极管，它们与偏置电阻R25～R27构成三个光电耦合器，起前后级隔离作用。VD1～VD3是隔离二极管，V10～V15是N沟道功率场效应管，与分压电阻R28～R36一起构成六个电路完全相同又各自独立的六个功率开关电路，与前面的驱动电路相匹配。TM是直流无刷无槽低速电动机，A、B、C为定子电枢的三相绕组，采用星形接法，工作于三相六状态。C7、C8、VD4、R37构成吸收回路，以削弱浪涌电压。IC7是三端稳压源，L1、L2、R38、C9～C12为滤波元件，GB为蓄电池，用于向电路提供稳定干净的直流工作电源。S为电源开关。

图7是本电动机的工作原理框图。图中，IC是磁敏传感器，25是驱动电路，26是光电耦合器，27是功率开关电路，由于每一圈点划线内的各个电路是完全相同的，所以把它们框起来，TM是永磁直流无刷无槽低速电动机，A、B、C为定子电枢的三相绕组，采用星形接法，工作在三相六状态，GB是蓄电池，S是电源开关。现结合框图说明它的工作原理：由具有n对磁极的永磁转子和n组电枢绕组的定子(n为正整数)构成的永磁直流无刷无槽低速电动机，设初始转子处于静止状态，当合上电源开关S，蓄电池GB向各电路供电，这时，反映转子磁极位置的位置器上的小磁片产生的磁场将会被磁敏传感器检测头检测到，因为位置器上小磁片和磁敏传感器检测头的位置、角度是严格排定的，所以每次只一对工作，每一瞬间有两个功率管导通，即所谓两两导通方式，也就是当某两个功率管导通时，其它功率管均截止。设：开始时IC1和IC4检测到某两对磁极的信号，则IC1与IC4分别将该信号转换成电信号送入驱动电路使V1和V4导通，V1导通后经光耦合器V7使V10导通，V4导通后直接使V13导通，此时电源GB通过V10向绕组A相供电，电流由GB→V10从A点流入A相绕组，然后从B相绕组流出经V13回到GB负端。AB相绕组得电建立磁场后，电机开始转动，当转过60°电导角后，依次换向，此后，每隔1／6圆周期(60°电导角)换向一次，每次换向有一组功率驱动管导通通120°电导角，其顺序是：

如此循环重复，按照三相六状态方式，电动机获得旋转磁场就运行起来了。

Claims (3)

1、一种电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机，它包括：

a、外置式转子，外壳为圆盘状直驱结构，壳体内壁上固装着环形均匀分布的钕铁硼永磁体，按N、S、N、S成对排列，磁体的极向为径向，壳体与端盖通过螺钉连接，两侧端盖的轴座内同轴安装滚珠轴承，在壳体一侧的端盖内壁上，还固装有似广口瓶盖样、盖口朝内、与转子同步旋转的永磁转子磁极瞬息位置器，位置器与轴线同心；

b、内置式定子座，为圆柱形，两端留有圆形凹槽，靠所述位置器一端凹槽内，装磁敏传感器检测头及驱动电路元器件的圆形印制电路板，检测头有六个，分三组，每组两个，以轴线为圆心呈120°角均匀分布在圆形印制电路板周边上，与位置器的口边相邻，另一端凹槽内安装功率开关电路元器件的圆形印制电路板，定子座套装在所述转子的空腔中，电机轴穿过定子座及所述滚珠轴承的轴孔，为紧配合，两轴端固定在车架尾部上；

c、电子换向器由磁敏传感器、驱动电路、光电耦合器和功率开关电路构成，共有六路：

--第1路，磁敏传感器IC1的输出端与驱动电路V1的输入端相连接，V1的输出端与光电耦合器V7的输入端相连接，V7的输出端与功率开关电路V10的输入端相连接；

--第2路，磁敏传感器IC2的输出端与驱动电路V2输入端相连接，V2的输出端与功率开关电路V11的输入端相连接，V10与V11相串联后并接在直流电源的两端，中点与A相电枢绕组的A点相连接；

--第3路，磁敏传感器IC3的输出端与驱动电路V3输入端相连接，V3的输出端与光电耦合器V8的输入端相连接，V8的输出端与功率开关电路V12的输入端相连接；

--第4路，磁敏传感器IC4的输出端与驱动电路V4的输入端相连接，V4的输出端与功率开关电路V13的输入端相连接，V12与V13相串联后并接在直流电源的两端，中点与B相电枢绕组的B点相连接；

—第5路，磁敏传感器IC5的输出端与驱动电路V5的输入端相连接，V5的输出端与光电耦合器V9的输入端相连，V9的输出端与功率开关电路V14的输入端相连接；

—第6路，磁敏传感器IC6的输出端与驱动电路V6的输入端相连接，V6的输出端与功率开关电路V15的输入端相连接，V14与V15相串联后并接在直流电源两端，中点与C相电枢绕组的C点相连接；

其特征在于，它还包括：

d、无槽的电枢铁芯和电枢绕组，铁芯为圆环形，套装在所述定子座的外圆上，绕组则平铺于铁芯的表体上，转子与定子之间留有工作空气隙，绕组线圈的个数与转子的磁极对应，即有n对磁极就有n个绕组，n为正整数。

2、根据权利要求1所述的电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机，其特征在于：位置器上小磁片的宽度，以能使IC打开120°电导角为宜，数目随磁极对数确定，通常在6～12片之间。

3、根据权利要求1所述的电动车辆用直流永磁无槽无刷低速电动机，其特征在于：磁敏传感器检测头两个之间的夹角α随磁极的对数确定，一般在30°～15°角之间。

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