CN2686202Y - 永磁无刷轮毂电机 - Google Patents

Abstract

一种涉及机电领域中的旋转电机，尤指一种应用于电机电动车辆新型结构的车轮直接驱动的永磁无刷轮毂电机。该装置由电机定子、电机转子、轴和轴承等部件组成，电机为轮毂型外转子及三相绕组结构，采用了三相绕组结构，其电磁结构特征是转子16极，定子18槽的配合，磁极为瓦形，面向气隙布置，电机可以是外转子结构，也可以是内转子结构，电机定子的铁芯特征是由两段槽口不同的冲片叠成。本实用新型的优点：该装置是车轮直接驱动，省去了减速机构，提高了整体效率，电机起动转矩大、起动速度快、输出功率大、特性硬，特别是能耗低，同样体积，出力大，效率高，运行可靠和体积小，有较大的过载能力。

Description

永磁无刷轮毂电机

技术领域

本实用新型涉及一种机电领域中的旋转电机，尤指一种应用于电机电动车辆新型结构的车轮直接驱动的永磁无刷轮毂电机。

背景技术

随着经济发展和人民生活水平的提高，环境保护问题已经引起高度重视，以环保为主题来发展其他相关产业已成为世界趋势。由于城市车辆废气排放问题日益突出，城市交通中的电动助力车、电动自行车、电动摩托车、小型电动车、电动轿车、电动大巴车已被城市列入首选交通工具。燃料电池的普遍应用是必然的，而作为燃料电池用的电机电动车辆用电机，关键部件高效稀土永磁同步电机更需要同时开发生产，才能确保科技进步和稀土永磁电机的开发产业化。

永磁电动机最大优点是无需励磁电流建立气隙磁场，永磁体的储能就可以在电动机的工作气隙建立起气隙磁场。不仅使电机的结构简单化，也减少了电机的励磁损耗，从而在小功率电机中，永磁电动机产品得到不断的开发和极其广泛的应用。

稀土永磁电机的应用和发展非常迅速，它和电力电子技术、控制技术紧密结合的、可调速的稀土永磁同步电动机及无刷直流电动机是最有代表性、最典型的高新技术产品。

车用驱动电机的运行特点是，电机由蓄电池供电，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。因此电机的起动转矩、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。

现有电机存在着如下缺点：在同等重量、同等轮速情况下功率小、效率低、起动转矩小、电流大、特性软及能耗高等缺点。

发明内容

为了克服上述不足之处，本实用新型的主要目的旨在提供一种采用了新型电磁结构的电机，用于车轮100-500转/分范围的低速直接驱动，效率达86％以上；较传统结构设计的电机具有体积小、效率高、过载能力强等特点。

本实用新型的另一主要目的是车轮直接驱动，省去了减速机构，提高了整体效率，把车用高效多极无刷直流电动机设计成轮毂型外转子电机，以便和车轮装配成一整体。

本实用新型要解决的技术问题是：要解决电机的磁极和槽的配合数问题；要保证技术性能采取的技术措施；要降低对工艺精度的要求；要解决永磁电机中普遍存在的定位转矩较大问题；解决电机绕组电流的电枢反应要大大减弱，也就是电机的直轴电抗、交轴电抗参数要有所减少。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由电机定子、电机转子、轴和轴承等部件组成，电机为轮毂型外转子及三相绕组结构，中间依次顺序安装有定子冲片、绕组、磁钢和轮毂，外侧有半沉头螺钉固定，轴用挡圈与轴承连接，轴通过O型密封圈与侧盖连接固定。

所述的永磁无刷轮毂电机的电机转子磁路由永磁体和转子磁轭组成，在外转子上布置为16块瓦形永磁体，形成16个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。

所述的永磁无刷轮毂电机的永磁体安装在转子磁轭圆筒内表面的槽内，其极弧系数为1，径向厚度为3mm，材料为钕铁硼磁极。

所述的永磁无刷轮毂电机的电机定子磁路由冲片叠压而成，用铆钉固定，定子冲片有18个均匀分布的槽，放置定子绕组；另有6个均匀分布的、固定的铆钉孔，叠好的定子套装在铝合金支撑架上。

所述的永磁无刷轮毂电机的叠好的定子由两段槽口宽度不同的冲片叠成，其槽口宽度大的一段冲片长度为6mm，安排靠近铁芯端部，宽槽口部位放置霍尔位置传感器元件。

所述的永磁无刷轮毂电机的绕组由若干个相位差为|nπ±θ|的线圈串联起来构成分布绕组，每相绕组，在空间上互相相差2nπ±2π/3，绕组线圈的节距为短距。

所述的永磁无刷轮毂电机的外转子结构，或为内转子结构。

车用高效多极无刷直流电动机的电磁机构与普通永磁直流无刷电机不同。

车用高效多极无刷直流电动机的结构特点如下：

车用高效多极无刷直流电动机外转子上布置了16块磁体均布的结构，永磁体材料为钕铁硼(NdFeB)，形成16个N、S交替排列的磁极。故电机的极对数为8(P＝8)，而内定子有18槽，定子的齿槽用于安放绕组的。电机的q(每极每相槽数)如式(1)所示。

$q=\frac{Z}{2\mathrm{mP}}----\left(1\right)$

式(1)中m为电机相数，Z为电机定子槽数，P为电机的极对数。将电机现在的参数代入后，明显得到的q值小于1，一般传统永磁无刷直流q≥1。这是最大的不同之处。

$q=\frac{Z}{2\mathrm{mP}}=\frac{18}{2\×3\×8}=\frac{3}{8}$

电机定子槽数明显少于一般传统电机。

电机定子有18槽，转子16块永磁体形成16个磁极，是电机的最大特征；这种“多极少槽”的永磁直流无刷电机结构，或可称为新型“多极”永磁直流无刷电机。

该新型电机“多极少槽”概念，其包含两重意思：

其一，车用高效多极无刷直流电动机为低速运行，极对数一般多于传统电机，该电机的极对数P一般大于或等于8；

其二，而新型电机定子槽数Z的数值，比传统电机(两者极对数P相同)所对应的槽的槽数要少。

新型电机电机极数、槽数的确定原则，完全不同于传统交流电机的设计规则。其原则是：

首先按驱动系统要求的转速和电机的运行频率，来确定极对数；然后再考虑绕组的对称性和降低单边磁拉力情况下，按Z＝2mk(式中K取自然数，m为电机的相数)选取电机定子槽数。

又因为绕组线圈的节距和槽距角有直接关系，K的数值必须满足式(2)关系：

$(2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})\≥\frac{2\mathrm{P\π}}{Z}\≥\mathrm{\θ}$ 或 $(2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})\≥\frac{2\mathrm{P\π}}{2\mathrm{mK}}\≥\mathrm{\θ}$ (式中K取自然数)    (2)

式(2)中，(2π-θ)、θ实际上就是定子的槽距角。槽距角过小，会影响绕组系数。定子的槽距角可以取数值，如8π/9、10π/9等等。按上式来确定新型电机定子槽数Z，必然会有每极每相槽数q＜1为真分数。这里q的数值，仅仅是一个计算值，是这类新型结构电机的一个表征；按所确定的磁极数和定子槽数，定子的槽距角为为160°。

车用高效多极无刷直流电动机这种结构，分析定子槽距角构成的空间相量(用电角度表示)，也是电机绕组元件每个边的电势相量图。从电机绕组每个元件边“电势相量”所组成的电势星形图来分析，在2nπ电角度范围是对称的。通过将各元件边的合理联接，来构成电机三相绕组；并保证三相电机的绕组在空间分布上和结构上是对称的。

1.车用高效多极无刷直流电动机绕组结构其特点为：

每相绕组，在空间上互相相差2nπ±2π/3(用电角度表示)；

结构上的特点使绕组线圈的节距必须为短距(或长距)；

每相绕组的构成是由若干个相位差为|nπ±θ|(电角度表示，θ为用电角度表示的槽距角)的线圈串联起来。在某种意义上可近似认为是分布绕组(原分布绕组这个概念是在一对极的范围内讨论的)。

2.车用高效多极无刷直流电动机磁路结构特点

车用高效多极无刷直流电动机转子磁路结构特点：

车用高效多极无刷直流电动机，新型永磁三相交流电机采用高磁能积的钕铁硼永磁体为磁极；转子磁路由永磁体和转子磁轭组成。

A.磁极的永磁体为瓦形，布置为面向气隙的结构，极弧系数为1；

B.磁极的永磁体的极弧系数α接近于1；永磁体的径向厚度为3mm；

C.磁极的永磁体安放在作为转子磁轭的圆筒的内表面的浅槽内，磁体的轴向定位依靠两端的台阶，磁体和磁轭固定方式用胶粘接。

车用高效多极无刷直流电动机定子磁路结构特点为：

定子磁路由冲片叠压而成，用铆钉固定；

定子冲片外径135mm，冲片有18个均匀分布的槽用来放置定子绕组；另有6个均匀分布的，用来固定的铆钉孔。

电机定子槽的槽口尺寸设计，可适当调整，以减少槽漏抗及谐波转矩；

叠好的定子套装在铝合金支撑架上；

叠好的定子有两段槽口宽度不同的冲片槽型，其槽口宽度较大的一段冲片长度约6mm，安排靠近铁芯端部。宽槽口这一段铁芯的槽口部位将放置霍尔位置传感器元件，电机位置传感器的特征是和电机融为一体，可以非常准确的测定磁极的位置，确保功率器件的通电时间；电机合理地采用较大的工作气隙。

新型永磁直流无刷电机的电枢反应：

电机的电枢反应是电机中客观存在的必然现象。对交流永磁同步电机来说，常用直轴电抗和交轴电抗参数来描述。

新型永磁电机合理地采用较大的工作气隙，永磁体布置又为面向气隙的结构。这样的结构特点，使得电机绕组电流的电枢反应大大减弱。

对于原传统永磁交流电机来说，绕组电流的电枢反应是考虑在一对极下三相绕组电流的合成磁势对气隙磁场的影响；

而现在新型结构电机一对极下只有一相绕组的线圈，电枢反应仅由一对极下的一相绕组线圈电流产生，二者有本质区别。也就是电机的直轴电抗、交轴电抗参数有所减少。在永磁体磁极径向厚度不变的情况下，电枢反应影响减少，电机的过载能力大大增加。

电枢反应的大小，不仅会影响电机工作特性，也会影响磁极的永磁体的工作点和电机永磁体总用量的多少；而永磁体的用量又是和电机的成本是直接相关的，永磁体的成本在电机成本占有较大的比例。

本实用新型的有益效果是：该装置是车轮直接驱动，省去了减速机构，提高了整体效率，并设计成轮毂型外转子电机，以便和车轮装配成一整体；本设计中由于电机工作气隙的增大，解决了永磁电机中普遍存在的定位转矩较大问题；电机起动转矩大、起动速度快、输出功率大、特性硬，特别是能耗低，效率高达90％，解决了无刷电机普遍存在的转矩脉动大的难题；具有电机电感参数小及电机电枢反应较弱特点，使电机有较大的过载能力；同样体积，出力大，效率高；磁体的用量可减少，电机成本会相应降低；与传统的电励磁电机相比，具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗小，效率高的特点和优势，因为高效及体积小，新型永磁电机是理想的用电池供电车用驱动电机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图1为本实用新型的整体结构示意图；

附图2为本实用新型电机外转子结构的主视图；

附图3为本实用新型电机外转子结构的俯视图；

附图4为本实用新型电机内定子冲片的主视图；

附图5为本实用新型电机内定子冲片的槽型结构示意图；

附图6为本实用新型16极、18槽电机槽距角构成的空间向量图；

附图7为本实用新型实施例的电机系统效率示意图；

附图中标号说明：

1-轴；                    8-绕组；

2-侧盖；                  9-轴用挡圈；

3-O型密封圈；             10-轴承；

4-半沉头螺钉；            11-转子磁轭；

5-轮毂；                  12-钕铁硼磁极；

6-磁钢；                  13-16块磁体均布；

7-定子冲片；              14-槽型；

具体实施方式

请参阅附图1所示，本实用新型由电机定子、电机转子、轴1和轴承10等部件组成，电机为轮毂型外转子及三相绕组结构，中间依次顺序安装有定子冲片7、绕组8、磁钢6和轮毂5等部件，外侧有半沉头螺钉4固定，轴用挡圈9与轴承10连接，轴1通过O型密封圈3与侧盖2连接固定。

请参阅附图2、3所示，所述的永磁无刷轮毂电机的电机转子磁路由永磁体和转子磁轭组成，在外转子上布置为16块瓦形永磁体，形成16个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。

请参阅附图6所示，本实用新型的16极、18槽电机槽距角构成的空间向量，车用高效多极无刷直流电动机外转子上布置了16块磁体均布13的结构，永磁体材料为钕铁硼(NdFeB)，形成16个N、S交替排列的磁极。故电机的极对数为8(P＝8)，而内定子有18槽，定子的齿槽用于安放绕组的。

所述的永磁无刷轮毂电机的永磁体安装在转子磁轭11圆筒内表面的槽内，其极弧系数为1，径向厚度为3mm，材料为钕铁硼磁极12。

请参阅附图4、5所示，所述的永磁无刷轮毂电机的电机定子磁路由冲片叠压而成，用铆钉固定，定子冲片有18个均匀分布的槽，放置定子绕组；另有6个均匀分布的、固定的铆钉孔，叠好的定子套装在铝合金支撑架上。

所述的永磁无刷轮毂电机的叠好的定子由两段槽口宽度不同的冲片叠成，其槽口宽度大的一段冲片长度为6mm，安排靠近铁芯端部，宽槽口部位放置霍尔位置传感器元件。

所述的永磁无刷轮毂电机的绕组由若干个相位差为|nπ±θ|的线圈串联起来构成分布绕组，每相绕组，在空间上互相相差2nπ±2π/3，绕组线圈的节距为短距。

所述的永磁无刷轮毂电机的外转子结构，或为内转子结构。

本实用新型为车轮直接驱动，省去了减速机构，提高了整体效率。把车用高效多极无刷直流电动机设计成轮毂型外转子电机，以便和车轮装配成一整体。

请参阅附图7所示，本实用新型中的车用高效多极无刷直流电动机由于采用了与传统电机不同的新型电磁结构设计，因此提高了运行效率和电机的过载能力。电机的额定工作点245W时，效率可达到86％以上，如图7所示，从100W到250W电机的运行效率都高于86％。

车用高效多极无刷直流电动机的电磁机构与普通永磁直流无刷电机不同。

新型电机电机极数、槽数的确定原则，完全不同于传统交流电机的设计规则。

首先按驱动系统要求的转速和电机的运行频率，来确定极对数；然后再考虑绕组的对称性和降低单边磁拉力情况下，按Z＝2mk(式中K取自然数，m为电机的相数)选取电机定子槽数。

车用高效多极无刷直流电动机这种结构，分析定子槽距角构成的空间相量(用电角度表示)，也是电机绕组元件每个边的电势相量图。从电机绕组每个元件边“电势相量”所组成的电势星形图来分析，在2nπ电角度范围是对称的。通过将各元件边的合理联接，来构成电机三相绕组；并保证三相电机的绕组在空间分布上和结构上是对称的。

1.车用高效多极无刷直流电动机绕组结构其特点为：

每相绕组，在空间上互相相差2nπ±2π/3(用电角度表示)；

结构上的特点使绕组线圈的节距必须为短距(或长距)；

每相绕组的构成是由若干个相位差为|nπ±θ|(电角度表示，θ为用电角度表示的槽距角)的线圈串联起来。在某种意义上可近似认为是分布绕组(原分布绕组这个概念是在一对极的范围内讨论的)。

2.车用高效多极无刷直流电动机磁路结构特点

车用高效多极无刷直流电动机转子磁路结构特点：

车用高效多极无刷直流电动机，新型永磁三相交流电机采用高磁能积的钕铁硼永磁体为磁极；转子磁路由永磁体和转子磁轭组成。

A.磁极的永磁体为瓦形，布置为面向气隙的结构，极弧系数为1；

B.磁极的永磁体的极弧系数α接近于1；永磁体的径向厚度为3mm；

C.磁极的永磁体安放在作为转子磁轭的圆筒的内表面的浅槽内，磁体的轴向定位依靠两端的台阶，磁体和磁轭固定方式用胶粘接。

车用高效多极无刷直流电动机定子磁路结构特点为：

定子磁路由冲片叠压而成，用铆钉固定；

定子冲片外径135mm，冲片有18个均匀分布的槽用来放置定子绕组；另有6个均匀分布的，用来固定的铆钉孔。

电机定子槽的槽口尺寸设计，可适当调整，以减少槽漏抗及谐波转矩；

叠好的定子套装在铝合金支撑架上。

请参阅附图5所示，叠好的定子有两段槽口宽度不同的冲片槽型14，其槽口宽度较大的一段冲片长度约6mm，安排靠近铁芯端部。宽槽口这一段铁芯的槽口部位将放置霍尔位置传感器元件，电机位置传感器的特征是和电机融为一体，具有准确、无须调整的优点，可以非常准确的测定磁极的位置，确保功率器件的通电时间。

电机合理地采用较大的工作气隙。

新型永磁直流无刷电机的电枢反应：

电机的电枢反应是电机中客观存在的必然现象。对交流永磁同步电机来说，常用直轴电抗和交轴电抗参数来描述。

新型永磁电机合理地采用较大的工作气隙，永磁体布置又为面向气隙的结构。这样的结构特点，使得电机绕组电流的电枢反应大大减弱。

对于原传统永磁交流电机来说，绕组电流的电枢反应是考虑在一对极下三相绕组电流的合成磁势对气隙磁场的影响；

而现在新型结构电机一对极下只有一相绕组的线圈，电枢反应仅由一对极下的一相绕组线圈电流产生，二者有本质区别。也就是电机的直轴电抗、交轴电抗参数有所减少；在永磁体磁极径向厚度不变的情况下，电枢反应影响减少，电机的过载能力大大增加。

电枢反应的大小，不仅会影响电机工作特性，也会影响磁极的永磁体的工作点和电机永磁体总用量的多少；而永磁体的用量又是和电机的成本是直接相关的，永磁体的成本在电机成本占有较大的比例。

设计新型电机时，钕铁硼永磁体的磁极径向厚度比传统结构的电机永磁体为磁极径向厚度减少约25％；从电机成本的角度来说，永磁体的用量减少，电机成本就会得到相应降低。

新型永磁三相交流电机的电、磁负荷：

在传统交流电机设计中，不同容量的电机，其电、磁负荷都有一定的取值范围。一般小功率电机的电负荷取值范围为30A/cm到120A/cm；磁负荷可以取到5000-6500GS(还与电机工作频率有关)。电、磁负荷取得高，电机的体积小，会使效率降低；如果电、磁负荷取得过低，电机的体积大，效率将有所提高，但是有效材料利用率降低，往往不能满足应用的要求，尤其是要求电机体积小的场合。

新型永磁三相交流电机在保证体积、效率的前提下，电、磁负荷可以取得较高。如小功率电机的电负荷可以取到180A/cm；磁负荷可以取到6500GS。相比之下，电负荷提高大约50％。因此，新型永磁三相交流电机单位体积的容量提高了很多。

按现有的一些厂商提供的产品资料，容量100~250W左右的电机(包括车用驱动稀土永磁电机)，大部分电机效率为0.75左右，甚至低于0.75。而采用新结构设计的新型车用稀土永磁电机其驱动效率可以达到0.86以上。

新型永磁三相交流电机技术性能优势为：

新型永磁三相交流电机的电势：

新型永磁三相交流电机因以上绕组结构特点，在电机正常运行时，绕组的相电势、线电势近似为正弦波，且互差120°电角度。

新型永磁三相交流电机可用于正弦波变频驱动。这对于高性能的转速控制系统是极其重要的。为了简化控制系统，也可以采用和无刷直流电机一样的方波驱动方式。

新型永磁三相交流电机技术优势：

电机绕组的端部长度也因绕组结构特点变短，其带来优势有二：

A.电机绕组的端部长度变短，减少铜耗，电机效率提高；

B.电机绕组的端部长度变短，电机的轴向结构尺寸减少，电机长度变短，相应电机体积减小；

C.电机设计时，结合对效率指标的要求，电负荷允许取较高数值；体积可进一步减小；

D.新型电机允许电流有较大的过载能力；

新型永磁直流无刷电机综合优势：

新型永磁直流无刷电机的磁路结构特点是：电机电感参数小及电机电枢反应较弱特点，使电机有较大的过载能力；同时，电机也具有较大的起动转矩能力。这对车用稀土永磁电机显得格外有用和重要。

本实用新型在同样体积情况下，出力大，效率高。

本实用新型的磁体的用量可减少，电机成本会相应降低。

用于轮毂电机的结构图见图1所示。

以上充分体现了新型永磁电机技术的性能优势。因为高效及体积小，本实用新型即新型永磁电机是理想的用电池供电车用驱动电机。

Claims (7)

1、一种永磁无刷轮毂电机，该装置有电机定子、转子、轴和轴承，其特征在于：电机为轮毂型外转子及三相绕组结构，中间依次顺序安装有定子冲片、绕组、磁钢和轮毂，外侧有半沉头螺钉固定，轴用挡圈与轴承连接，轴通过O型密封圈与侧盖连接固定。

2、根据权利要求1所述的永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述的电机转子磁路由永磁体和转子磁轭组成，在外转子上布置为16块瓦形永磁体，形成16个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。

3、根据权利要求2所述的永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述的永磁体安装在转子磁轭圆筒内表面的槽内，其极弧系数为1，径向厚度为3mm，材料为钕铁硼磁极。

4、根据权利要求1所述的永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述的电机定子磁路由冲片叠压而成，用铆钉固定，定子冲片有18个均匀分布的槽，放置定子绕组；另有6个均匀分布的、固定的铆钉孔，叠好的定子套装在铝合金支撑架上。

5、根据权利要求4所述的永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述的叠好的定子由两段槽口宽度不同的冲片叠成，其槽口宽度大的一段冲片长度为6mm，安排靠近铁芯端部，宽槽口部位放置霍尔位置传感器元件。

6、根据权利要求4所述的永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述的绕组由若干个相位差为|nπ±θ|的线圈串联起来构成分布绕组，每相绕组，在空间上互相相差2nπ±2π/3，绕组线圈的节距为短距。

7、根据权利要求1所述的永磁无刷轮毂电机，其特征在于：所述电机的外转子结构，或为内转子结构。

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