CN2822017Y - 轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，能广泛用于各种需要高效电机的场合和产品上，尤其是各种电动车包括电动汽车上。它是在轮毂左右端盖的内侧设有16块轴向磁极交替环列的扇形平面永磁体，组合成左右两组环形永磁体平面的轮毂转子，由15个梯形铁心线圈环列成双驱动平面的组合电枢，该电枢由轮圈式电枢支架和左右喇叭形空心半轴组成整体轮式定子，本实用新型充分利用轮毂空间，增大驱动面积，它以最少的铁心和铜线获得最大的驱动力，节省铜线和铁心材料，提高了效率，简化了生产工艺，降低了成本，同样输出功率下比普通电机省电、体积小、重量轻，可直接在普通自行车上安装。它结构简单合理用途广泛，容易自动化生产，实用价值高。

Description

轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机

技术领域：

本实用新型涉及一种无刷直流轮毂电机，具体说是一种轴向平面磁路双驱动结构的主要用于各种电动车的无刷无齿直流轮毂电机。

背景技术：

当今社会对环保要求越来越高，无污染电动车的流行也越来越多，电动车电机的需求量也随之增长，对电机的技术要求也不断提高。目前广泛使用的电动机电机是轮毂式的，它们大都以径向曲面磁路结构为主，缺点在于：①传统的曲面磁路电机的线圈暴露在磁力线以外不作功的部分太多，铁心磁路较长，造成铜损和铁损都比较大。②径向曲面磁路电机的驱动面在圆周，要增大驱动面必须增大轮毂直径，造成体积大的缺点。③径向磁路电机的电枢制造工艺复杂，大部分都要依靠人工完成。因此传统电机效率不太高，笨重，结构复杂，综合成本高。

发明内容：

本实用新型彻底改变传统电机的结构形式，采用了轴向平面磁路的轮毂转子和组合式双驱动面的电枢定子，它充分利用了轮毂空间，增大驱动面积，组合式电枢所用的铜线和铁心都很省，因此本实用型达到了提高效率、简化结构和工艺、减轻重量、缩小体积、降低成本的目的。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案主要是由梯形铁心线圈，铝合金轮圈式电枢支架，喇叭形空心半轴，铝合金轮毂圈，铝合金轮毂端盖，轮毂轴承，环形导磁板，扇形平面永磁体，环形接线板，霍尔位置传感器，三相电枢线圈引出线，三相位置传感控制引出线，无刷电机控制器等组成。其结构特点是：本实用新型设有铝合金轮毂圈，该圈是辐条式的，也可以是与车轮圈一体化的，轮毂圈的两端设有铝合金轮毂端盖，端盖内端面设有左右环形导磁板，在导磁板的内端面设有16块扇形平面永磁体，其磁极是轴向的，按照N、S相互交替的环列方式安装在导磁板上，相邻设有2mm的间隔，组成左右环形永磁体平面，左右两边扇形永磁体的位置是对称的，磁极是相反的。左右轮毂端盖的中部设有外螺纹轴承架，轴承架内设有左右轮毂轴承，左右轴承的内圆装有左右喇叭形空心半轴，半轴中心设有出线孔，其左右半轴喇叭口之间装有铝合金轮圈式电枢支架，支架外圈设有线圈槽，左右槽边设有15个等分的左右对称的定位槽，槽底设有螺孔，线圈槽内一周环列安装15个梯形铁心线圈，组合成双驱动面轮式电枢定子，梯形铁心线圈两端设有梯形平面的铁心齿牙，线圈上有骨架，铁心线圈两侧齿牙中部设有骑马螺钉，螺钉装在定位槽内定位，线圈骨架卡进线圈槽内，用螺母将铁心线圈固定，电枢双驱动面是由15个梯形齿牙环列组合左右两个环形驱动面，与左右环形永磁体平面构成左右环形平面气隙，15个梯形齿牙平面相邻之间设有气隙，在其中一个环形驱动面上设有三个位置传感器，分别代表a、b、c三相传感器，安装在三个位置相差120°的齿牙气隙内，在电枢支架上设有引线孔、过桥孔、连线孔、接线室，15个电枢线圈等分A、B、C三相，每相5个线圈是相邻串联，极性相反，三相Y型连接，引出三根线，三个位置传感器引出9根线，分别穿过引线孔、过桥孔、连线孔到接线室，在接线室内的环形电路接线板上集中连接，再从半轴出线孔引出机体外。无刷电机控制器根据电压和功率要求选用市场现有任何一种通用型的。

在本实用新型的整体结构中，梯形铁心线圈是解决现有技术问题的重要部件，其重要特点在于：①工字型结构的铁心磁路最短，线圈用铜量最省，铁心与线圈的空间利用率最高。②工字型铁心有两个梯形齿牙平面在磁场中工作，也就是说它以最少的铁心和铜线，获得最大的驱动力，同样条件要比普通电机提高一倍的驱动力。③梯形铁心线圈的结构简单合理紧凑，生产工艺如制小型变压器一样方便，容易实现自动化生产，维修也很方便。从整体结构上本实用新型各部件空间利用率高，因此铜损、铁损、磁场损失都很小。达到了解决现有电机技术问题的目的。

本实用新型的有益效果在于：①本实用新型采用轴向平面磁路双驱动结构充分利用了轮毂电机有限的空间，增大了磁隙驱动面积，同样的输出功率可比传统电机效率高、体积小、重量轻，也可以说在同样条件下，用本实用新型的电动车跑得快、跑得远。②双驱动面组合式电枢铁心磁路短，用铜量低，而传统电机结构和工艺的限制，铁心、铜线用量大，损耗大：本电机使用的铜线和铁心比传统电机省30％。③传统电机的生产工艺复杂，主要依靠人工完成，本电机的电枢生产工艺可以象生产小型变压器一样简单，综合成本低。④本实用新型无刷无齿，结构设计简单合理、性能优良，能广泛用于各种需要高效电机的场合和产品上，尤其是各种电动车包括电动汽车上。该轮毂的轴向长度比普通电机窄，可直接在普通自行车上安装，因此适用性广。⑤轴向磁路永磁体的强大磁力将左右端盖紧紧地吸附在轮毂圈上不容易分离，使得整体结构更加牢固。⑥传统电机电枢铁心与线圈整体制造不容易分离，维修困难；本电机的铁心与线圈容易分离，便于维修。⑦扇形永磁体是平面的，它比传统电机的曲面永磁体易加工、成本低。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明：

图1是本实用新型的轴向剖视结构示意图，是轴向平面磁路轮毂转子和双驱动平面组合式电枢定子的基本构造图。

图2是本实用新型的端面侧视结构示意图，也是15个梯形铁心线圈组成的环形驱动平面与16个扇形永磁体组成的环形永磁体平面的动作原理图。

图3是梯形铁心线圈立体构造图，是组合电枢的基本单元。

图4是工字梯形铁心立体构造图，梯形平面齿牙类似传统电机铁心的T形齿牙。

图5是本实用新型三相电枢线圈电路和传感器电路示意图，表示三相线圈以及传感器的电路连接关系，同时也表示传感器和电枢线圈的位置关系。

具体实施方式：

本实用新型属于结构简单的低速无齿无刷直流轮毂电机，为了满足低速大扭拒要求，组合式电枢的梯形齿牙和单面永磁体的数目可有两种设定：①齿牙设定为15个，永磁体可设定为14个或16个；②齿牙设定为21个，永磁体可设定为20个或22个，齿牙与永磁体的数目关系必须是：齿牙与永磁体的数目差为1，永磁体数目为偶数，齿牙数目应是能被3整除的奇数。以下实施例是以15个梯形铁心线圈，16对扇形平面永磁体为例说明的。在图1、图2中，本实用新型设有铝合金轮毂圈1，该圈是辐条式的，也可以是与车轮圈一体化的，轮毂圈两端设有左右铝合金轮毂端盖2，端盖内端面设有左右环形导磁板3，在导磁板的内端面设有16块扇形平面永磁体4，永磁体选用钕铁硼材料制成的强磁体，市场有售，永磁体磁极方向是轴向的，按照N、S相互交替的环列方式安装在导磁板上，相邻留有2mm的间隔，间隔内填充粘接剂31，组成左右环形永磁体平面32，左右两边扇形平面永磁体的位置是对称的，极性是相反的。在左右端盖的中部设有外螺纹轴承架46，轴承架内设有左右轮毂轴承14，由上述部件组成轮毂式电机转子。左右轴承的内圆装有左右喇叭形空心半轴19，半轴中心设有出线孔13，其左右半轴的喇叭口之间装有铝合金轮圈式电枢支架5，电枢支架外圈设有线圈槽33，其左右槽边设有15个等分的、左右对称的定位槽36，槽底设有螺孔37，线圈槽内装有15个梯形铁心线圈6，它是组合式电枢的基本单元，线圈设有骨架8，铁心线圈两侧设有梯形平面的铁心齿牙9和骑马螺钉7，螺钉装进定位槽，线圈骨架卡进线圈槽内，骑马螺钉穿过槽底螺孔定位后用螺母10拧紧，将环列安装在线圈槽一周的铁心线圈紧固制成组合式双驱动平面轮式电枢定子，定子左右端面由15个梯形齿牙组成左右环形驱动平面25，与上述的左右环形永磁体平面32构成左右环形平面气隙30，电机转动的作用力就是在这里完成，15个梯形齿牙平面相邻之间设有气隙20，在其中一个环形驱动平面上设有三个位置传感器21、22、23，分别代表a、b、c三相传感器，传感器选用霍尔锁定器，型号为：UGN3075，分别安装在三个位置相差120°的齿牙气隙内，在电枢支架线圈槽底部设有15个引线孔16，引线孔与线圈对应，电枢支架设有内圈34，左右喇叭形空心半轴分别用5个螺钉11固定在内圈两端，内圈里形成接线室35，内圈圆周设有15个连线孔17，与引线孔16对应，内外圈之间设有15个过桥孔38，与连线孔、引线孔相对应，15个铁心线圈等分成A、B、C三相，每相5个线圈是相邻串联，极性相反，三相Y型连接，引出三根线，三个位置传感器引出9根线，分别通过引线孔、过线孔、连线孔到接线室，接线室左端设有环形电路接线板15，所有引线在接线板上集中连接，引出三相电枢线12从半轴左出线孔引出机体外，引出5根传感线18从半轴右出线孔引出机体外。

在图3、图4中，本实用新型所述的梯形铁心线圈是解决现有技术问题的关键部件，它设有工字梯形铁心29，铁心前后两端制成梯形平面的铁心齿牙9，类似传统电机铁心的T形齿牙，齿牙中部设有螺钉槽24，前后槽内装有骑马螺钉7，铁心中部设有线圈内铁心26，铁心截面也是梯形，内铁心左右端是线圈窗口27，类似传统电机铁心的线槽，窗口内设有线圈骨架8，它是由两个半骨架拼成，先将铁心和骑马螺栓钉卡住，再连同铁心一起绕制电枢线圈28，制成与骑马螺钉一体化的梯形铁心线圈。将15个梯形铁心线圈组合成整体制成组合式双驱动平面轮式电枢定子。

在图5中，本实用新型所述的15个电枢线圈28，等分三相，每相5个，每个线圈相邻串联，极性相反，每个线圈都有首线44、尾线45，按照顺时针方向的顺序每相第一线圈的首线设为本电机的三相引出线12，那么尾线就和第二线圈的尾线相接，第二线圈的首线和第三线圈的首线连接，第三线圈尾线和第四线圈的尾线连接，第四线圈的首线第五线圈的首线连接，其它二相线圈也依次类推，12个连接头40设在线圈之间的夹空内，三相线圈的第五线圈尾线由连接线39连接成Y型三相线圈电路。在三相线圈之间的齿牙气隙20内设有位置传感器21、22、23，分别代表A、B、C三相传感器，传感器选用霍尔锁定器，型号为：UGN3075，接线脚41接6V正电源，脚42是接地端，脚43是开关信号输出端，三个传感器的电源端和接地端分别并联，输出端单独引出，由环形电路连接板15连接后引出5根传感控制线18，从左到右分别是C相传感输出线、电源线、接地线、B相传感输出线、A相传感输出线。三相电枢引出线12，从左到右分别是B相、A相、C相。三相线圈与三相位置传感器之间的位置关系是：A相线圈与C相线圈之间的齿牙气隙内装有a相传感器，A、B相线圈之间装b相传感器，B、C相线圈之间装c相传感器。

本实用新型可选用市场现有的任何一种电压、功率参数与本电机一致的通用型无刷电机控制器。

本实用新型利用现有技术对电机控制和换相其控制原理不再详细说明，对于该电机转动的基本原理作简单说明：图2中，以组合电枢其中一个环形驱动平面与环形永磁体平面相对转动为例说明。电枢环形驱动面是由15块梯形齿牙驱动面组成，与16块扇形磁铁平面相对应，因为齿牙和磁铁数目相差1，所以只有一个齿牙和一块磁铁是对准的，与其相邻的两个齿牙和磁铁都接近对准，其余的10个齿牙和磁铁都错开一定位置，电机转动是根据铁心电磁力和永磁体相吸相斥原理转动，只有齿牙和磁铁完全对准时转矩为零，它们的正反方向错开一点位置都会产生正反转矩。由组合电枢驱动面上的三个位置传感器发出位置信号输入到控制器，控制器将直流电源转换成三相电源供给组合电枢线圈，这三相电源在任何转角总是二相供电，一相断电，并且跟随位置信号按照预定的编码顺序有规律地变换极性和相位，15个铁心线圈5个为一相，不管轮毂转子在什么位置，总有5个齿牙驱动面接近对准5块扇形永磁体，而这一相5个铁心线圈正好控制不能电。其余10个梯形齿牙面都和扇形永磁体错开一定位置，10个铁心线圈二相通电产生的推斥转矩都是控制朝同一个方向的，因此，不管轮毂在任何转角，始终保持有10个梯形齿牙面与11个扇形永磁体产生同一方向的转矩，不存在死角。组合电枢另一个驱动面的齿牙和磁铁工作原理与其完全一样，因此获得双动力的效果。

因为本实用新型的永磁体设计在轮毂端盖内端面，强大的轴向磁力将左右端盖紧紧地吸附在毂圈上不容易分离，所以该电机的装配与解体都不象传统电机那样简单，必须使用专用工具来完成，专用工具的结构方案不属于本实用新型的所述范围就不在叙述。

Claims (6)

1、一种轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，主要是由铝合金轮毂圈、铝合金轮毂端盖、轮毂轴承、环形导磁板、扇形平面永磁体、梯形铁心线圈、轮圈式铝合金电枢支架、喇叭形空心半轴、三相位置传感器、环形接线板、三相电枢线圈引出线、三相位置传感器控制引出线、无刷电机控制器等组成，其特征是：本实用新型设有铝合金轮毂圈(1)，该圈是辐条式的，也可以是与车轮圈一体化的，轮毂圈两端设有左右铝合金轮毂端盖(2)，端盖内侧设有左右环形导磁板(3)，导磁板上设有16块扇形平面永磁体(4)，环列组合成左右环形永磁体平面(32)，轮毂端盖中部设有左右外螺纹轴承架(46)，轴承架内设有左右轮毂轴承(14)，轴承内圆装有左右喇叭形空心半轴(19)，两半轴喇叭口之间设有铝合金轮圈式电枢支架(5)，支架外圈是线圈槽(33)，槽内一周环列安装15个梯形铁心线圈(6)，铁心线圈两端设有梯形平面的铁心齿牙(9)和骑马螺钉(7)，梯形铁心线圈设有骨架(8)，铁心线圈骨架装进线圈槽由骑马螺钉定位在线圈槽两边的定位槽孔内，再用螺母(10)紧固，组合成有左右驱动平面的轮式电枢定子，左右驱动平面是由15个梯形齿牙环列的左右环形驱动面(25)，与左右环形永磁体平面构成左右环形平面气隙(30)，在梯形齿牙之间设有气隙(20)，在其中一个环形驱动平面上设有三个位置传感器(21)、(22)、(23)，分别代表a、b、c三相传感器，分别安装在三个位置相差120°的齿牙气隙内，15个铁心线圈等分成A、B、C三相，每相5个线圈是相邻串联，极性相反，Y型三相连接，电枢三相线(12)和三相传感器控制线(18)的引出是经过电枢支架设有的引线孔(16)，过桥孔(38)、连线孔(17)到接线室(35)内的环形电路接线板(15)，集中连接后引线从左右半轴的出线孔(13)里引出机体外，无刷电机控制器选用市场现有的任何一种通用型的电压、功率和本电机一致的合格产品。

2、根据权利要求1所述的轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，其特征在是：左右环形永磁体平面(32)是在环形导磁板上环列安装16块扇形平面永磁体，永磁体选用钕铁硼材料制成的强磁体，磁极方向是轴向的，按照N、S相邻交替的环列方式组合成环形平面，永磁体相邻之间设有2mm的间隔，间隔内填充快干粘接剂(31)，左右环形永磁体平面的安装位置是：左右扇形永磁体的位置对称，极性相反。

3、根据权利要求1所述的轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，其特征是：梯形铁心线圈设有工字型结构的硅钢片铁心(29)，前后设有梯形平面的铁心齿牙(9)，内铁心(26)截面也是梯形，两个梯形齿牙的中部设有螺钉槽(24)，槽内装有骑马螺钉(7)，铁心窗口(27)内设有线圈骨架(8)，它是用两个半骨架将铁心和骑马螺钉卡住，在骨架上绕制电枢线圈(28)，制成与骑马螺栓钉一体化的梯形铁心线圈(6)。

4、根据权利要求1所述的轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，其特征在于：为了满足本实用新型低转速、大转矩的要求，梯形齿牙和扇形永磁体的数目可有两种选择：①齿牙设为15个，那么对应于单面扇形永磁体的数目应是14个或16个：②齿牙设为21个，那么对应于扇形永磁体的数目应是20个或22个，齿牙与永磁体的数目差为1，齿牙数目是能被3整除的奇数，永磁体的数目必须是偶数。

5、根据权利要求1所述的轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，其特征在于：铝合金轮毂式电枢支架(5)的外圈是线圈槽(33)，左右槽边设有15个等分的、左右对称的定位槽(36)，槽底设有螺孔(37)，支架设有内圈(34)，内圈两端设有5个左右半轴固定螺钉(11)，线圈槽底部设有15个引线孔(16)与线圈(28)对应，内外圈之间设有15个过桥孔(38)与引线孔相对应，内圈壁上15个连线孔(17)与过桥孔相对应。

6、根据权利要求1所述的轴向磁路双驱动式无刷无齿直流轮毂电机，其特征在于：15个电枢线圈(28)都有首线(44)、尾线(45)，将其等分成A、B、C三相，每相5个线圈是相邻串联，极性相反，第一线圈的首线设为引出线(12)，尾线与第二线圈的尾线连接，第二线圈的首线与第三线圈的首线连接，第三线圈尾线第四线圈的尾线连接，第四线圈的首线和第四线圈的首线连接，另外，二相也依次类推，三相线圈的第五线圈尾线用连接线(39)连接成Y型三相电路，三个位置传感器(21)、(22)、(23)装在三相线圈之间的铁心齿牙气隙(20)内，分别代表a、b、c三相传感器，传感器选用霍尔锁定器，型号为：UGN3075，传感器三个脚分别是电源正极(41)、接地端(42)、信号输出端(43)，三个传感器的9根线在环形电路接线板(15)上连接后，引出5根传感控制线(18)，通过半轴出线孔引出机体外，5根线分别是电源、接地、a相传感信号、b相传感信号、c相传感信号。三相线圈与三相位置传感器之间的位置关系是：A相线圈与C相线圈之间齿牙隙内装有a相传感器(21)，A、B相线圈之间装b相传感器(22)，B、C相线之间装c相传感器(23)，三相线圈的三根引出线(12)分别是B、A、C三相。

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