CN102064657B - 转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机 - Google Patents

Abstract

一种转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，它通过在轮毂的转子内表面设置两组极性互补的励磁磁源，主磁通源励磁体、副磁通源励磁体分别由多块永磁体极***替配置于转子轭中构成以定子轴为中心的环形，副磁通源励磁体圆周极性分布与主磁通源励磁体错开一个极距，定子与定子轴通过花键配合形成可轴向移动的定子，轮毂左端盖内设置轨道盘与定子上设置的推盘之间设有多个通过离心运动推动定子轴向移动的滚子，它使定子沿轴向移动减少磁通量，来改变电机的扭矩-转速特性，实现变速，既能使永磁变速轮毂电机自身的机械特性提高，又能使永磁变速轮毂电机的全功率调速范围增大，同时又不增大电机体积，节约生产成本。

Description

转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷电机，具体的说是涉及一种为驱动电动车辆设计的一种转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机。

背景技术

现有技术的用于电动两轮车动力装置的永磁无刷电机，通常是采用低速的轮毂电机，它省去了机械传动，无需润滑，低噪音，免维护,在电动两轮车领域得到广泛的使用。但这种低速的轮毂电机因其自身的机械特性原因，只能降速调速，而不能恒功率增速调速，在实际应用爬坡能力差，速度也提不高。电机的机械特性是指电机输出的扭矩和转速的函数关系，附图7是现有1.1千瓦永磁无刷电机的机械特性，具有20Nm的扭力和500转/分的转速。永磁电机本身虽然具有恒扭矩特性，但是没有恒功率特性，由于使用永磁体励磁，电机磁通量难以调整，因此全功率调速范围窄，当用于车辆驱动时，因车辆行驶的工况变化范围大，就导致这种电机需要更多的功率储备，体积增大，结构复杂，这是很不经济的。为了解决这个问题，人们尝试了许多方法，到目前为止，解决此问题的方法主要有三种：

1、电机没有任何变化，为了提高电机的性能，采用高速电机加机械减速***或变档***，即在电机外设置机械式变速机构（包括多档变速或无极变速），利用变速器来扩大调速范围，以此弥补该电机全功率调速范围窄的不足。这种方式必须采用机械式变速箱、离合器等，致使车辆的动力箱结构复杂，体积大，成本高。附图8是上述1.1千瓦电机使用外置机械变速后增加了一个高速档，转速增加了1倍，但特性不连续，变速时存在冲击或动力中断。

2、采用弱磁调速技术

理想的车辆驱动需要的电机特性是，低速时具有恒扭矩输出特性和额定转速以上具有恒功率输出特性。永磁电机本身具有恒扭矩特性而没有恒功率特性。因为恒功率特性需要通过减小磁通来实现，业内称为弱磁调速。简单说明如下:

永磁无刷电机的最高转速即空载转速由下式决定

其中除气隙磁通Φ以外，ΔU为开关器件压降可忽略不计，其余为额定电压U，参数W、K、P等均为常量，设计时已经确定。因此除非调节（减小）气隙磁通量Φ，否则电机的转速便不能提高。如果减小气隙的磁通量，转速将会按反比曲线增加。

另一方面，因为无刷电机的转矩同磁通Φ成正比。

其中W、K、P、等均为转速公式中相同的参数。因此减小气隙磁通量，扭矩成正比下降。

由于电机的输出功率Pw是由转速和扭矩的乘积决定的

Pw=0.105 T*n

所以弱磁的结果并不改变电机的功率，但能在保持功率基本不变的情况下，最大限度的提高电机的转速。

但是目前的弱磁调速通常采用电控弱磁技术，这种电控弱磁技术是通过在控制器中用程序指令控制电机通电相位（矢量控制），产生同主磁通方向相反的磁场分量的方式减弱主磁通φ，从而提高电机的转速。这种技术多用于磁极内嵌的永磁无刷同步电机，如用于普通隐极式永磁无刷电机时，直轴分量电流消耗大而且弱磁效果差，其技术效果有限。而对于磁块贴在表面的外转子轮毂电机，用电子控制器弱磁，电流消耗大，体积大，制作成本增高，势必增加企业的生产成本和加大用户经济负担，实为得不赏失。而且电子控制器的耐寒耐热性能较弱，在冷热不同的环境下工作容易出现故障。

3、通过变换绕组连接，采用复合转子和改变磁通路径的方法。由于采用这种方法的电机结构复杂，导致成本增大等因素，其技术效果同样不能令人满意。

怎样才能使永磁变速轮毂电机自身的机械特性提高，使永磁变速轮毂电机的全功率调速范围增大，一直是本领域难以解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，它通过在轮毂的转子轭中并排设置两组极性互补的励磁磁源，并使定子沿轴向移动减少磁通量，来改变电机的扭矩-转速特性，实现变速，既能使永磁变速轮毂电机自身的机械特性提高，又能使永磁变速轮毂电机的全功率调速范围增大，同时又不增大电机体积，节约生产成本。

本发明的目的是这样实现的：包括轮毂、固定在轮毂内圆的的转子轭，以及位于转子轭内圆中的定子，所述转子轭的内圆设有励磁磁源，所述定子的圆周设置绕组，绕组的铁芯与励磁磁源之间有气隙，定子轴的两端轴段上分别设有轴承，轮毂左右两端的端盖通过轴承支撑于定子轴，所述励磁磁源为两组极性互补的励磁磁源，其中一组为主磁通源励磁体，另一组为副磁通源励磁体，主、副磁通源励磁体并排设置于转子轭中，主磁通源励磁体的轴向长度大于副磁通源励磁体的轴向长度，主、副磁通源励磁体之间设有间隔间隙，所述主磁通源励磁体、副磁通源励磁体分别由多块永磁体极***替配置于转子轭中构成以定子轴为中心的环形，主、副磁通源励磁体的永磁体数量相同，极距长度相同，副磁通源励磁体圆周极性分布与主磁通源励磁体圆周极性分布的错开一个极距，使主、副磁通源励磁体之间轴向对应的极性相反；所述定子与定子轴通过花键配合形成可轴向移动的定子，所述轮毂的靠主磁通源励磁体一边的左端盖内设置轨道盘，定子与左端盖对应的轴向端设置一推盘，轨道盘与推盘之间设有多个通过离心运动推动定子轴向移动的滚子，定子与右端盖对应的轴向端设有回位弹簧，使轮毂在静止状态时，定子处于对应主磁通源励磁体的位置。

所述主磁通源励磁体轴向长度为副磁通源励磁体轴向长度的2倍或2倍以上。

所述主磁通源励磁体的轴向长度与绕组铁芯的轴向长度相同。

主、副磁通源励磁体之间间隙的间距为气隙间距的2～4倍。

定子与定子轴的花键配合采用滚珠花键，该滚珠花键由设于定子上的内花键套、设于定子轴上的花键轴段、用于使内花键套与花键轴段啮合的若干滚珠组成，内花键套和花键轴段的花键均为轴向延伸的圆弧槽，若干滚珠位于内花键套与花键轴段之间，排列在圆弧槽中，定子轴上的花键轴段具有内花键套轴向移动的自由度。

推盘通过推力轴承与定子或内花键套连接，可相对于定子或内花键套转动。

所述推盘为斜面盘腔，使推盘与轨道盘之间形成楔形空间，滚子位于该楔形空间中。

所述轨道盘均布有呈放射状向径向延伸的槽形轨道，各槽形轨道的根部设有容纳滚子的凹陷。

所述回位弹簧空套在定子轴上，回位弹簧的一端限位于定子，另一端限位于定子轴上设置的限位挡板。

一用于位置传感的磁敏传感器安装在定子轴上，与轮毂右端盖上设置的磁环对应。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1.通过在轮毂的转子轭中并排设置两组极性互补的励磁磁源，其中一组为主磁通源励磁体，另一组为副磁通源励磁体，主磁通源励磁体的轴向长度大于副磁通源励磁体的轴向长度，主、副磁通源励磁体之间设有间隔间隙，而且所述主磁通源励磁体、副磁通源励磁体分别由多块永磁体极***替配置于转子轭中构成以定子轴为中心的环形，主、副磁通源励磁体的永磁体数量相同，极距长度相同，副磁通源励磁体圆周极性分布与主磁通源励磁体圆周极性分布的错开一个极距，使主、副磁通源励磁体之间轴向对应的极性相反；并且，将定子通过滚珠花键与定子轴连接配合形成可轴向移动的定子。这样当电机工作过程中，定子沿轴向从主磁通源励磁体向副磁通源励磁体方向移动，带动绕组的铁心同向移动，这时气隙的磁通开始发生变化，气息在主磁通源励磁体下的长度减小，在极性相反的副磁通源励磁体下的长度增加，随着定子逐渐移动，气隙磁通量逐渐减小，电机的转速也逐渐提高，由此实现永磁变速轮毂电机的调速。

2. 所述定子与定子轴通过花键配合，而且采用滚珠花键为定子移动的传动副，使定子轴向移动的摩擦力极小，容易移动，在传递扭矩力的同时，能够确保转矩——转速特性的连续变化。

3. 所述轮毂的靠主磁通源励磁体一边的左端盖内设置轨道盘，定子与左端盖对应的轴向端设置一推盘，轨道盘与推盘之间设有多个通过离心运动推动定子轴向移动的滚子，定子与右端盖对应的轴向端设有回位弹簧，使轮毂在静止状态时，定子处于对应主磁通源励磁体的位置。这样当电机绕组得电后，绕组铁芯与主磁通源励磁体之间形成磁通，转子轭迅速转动，并通过连接在一起的轮毂、端盖、轨道盘带动滚子环绕定子轴旋转，当转速达到设定值后，滚子的离心力大于回位弹簧的弹力，滚子沿推盘与轨道盘之间的楔形空间进行离心运动，且推动推盘带动定子沿定子轴从主磁通源励磁体向副磁通源励磁体方向移动，使气隙的磁通发生变化，逐渐减小，电机的转速也随之逐渐提高，实现调速。

4. 一用于位置传感的半导体的磁敏传感器安装在定子轴上，与轮毂右端盖上设置的磁环对应，用以产生磁通相位信号供磁敏传感器拾取。这样，用于位置传感的磁敏传感器不按通常的结构安装在铁芯上，而是安装在温度较低的定子轴上，使磁敏传感器远离温度较高热源，磁敏传感器的工作更加安全可靠，使用寿命更长。

本发明永磁变速轮毂电机与现有技术相比，没有励磁电流消耗；扭矩——速度特性对工况变化是自动适应的；由于巧妙利用原电机内部空间设置极性互补的励磁磁源和离心机构，结构简单紧凑；而且通过离心机构的机械运动实现弱磁，比电子弱磁***更加耐寒耐热，工作可靠，坚固耐用；特别适用于工况变化范围大的驱动车辆的永磁变速轮毂电机。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明轮毂电机的结构示意图；

图2为本发明轮毂电机的在高速弱磁状态下的示意图；

图3为本发明轮毂电机的转子轭剖面图；

图4为本发明轮毂电机的转子轭的端面图；

图5为本发明轮毂电机的转子立体图；

图6为采用本发明结构的1.1KW电机的扭矩和转速的连续变化关系；

图7为现有1.1KW电机的扭矩和转速的关系；

图8为现有1.1KW电机采用外置机械变速器的扭矩和转速的关系。

附图中，1为滚子，2为推盘，3为轨道盘，4为气隙，5为转子轭，6为轮毂，7为主磁通源励磁体，8为间隙，9为副磁通源励磁体，10为电缆，11a为左端盖，11b为右端盖，12为轴承，13为磁环，14为磁敏传感器，15为回位弹簧，16为定子，17为绕组，18为定子轴，19为滚珠，20为内花键套，21为推力轴承，22为限位挡板，23为凹陷。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机包括轮毂6、固定在轮毂内圆的的转子轭5，以及位于转子轭5内圆中的定子16，所述转子轭5的内圆设有励磁磁源，所述定子16的圆周设置绕组17，绕组17的引出电缆10从定子轴18上的孔中穿出，绕组17的铁芯与励磁磁源之间有气隙4，定子轴18的两端轴段上分别设有轴承12，轮毂6左右两端的端盖通过轴承12支撑于定子轴18，左、右端盖11a、11b分别与轮毂6通过螺钉或/和键周向固定，使端盖随轮毂一起旋转。所述励磁磁源为两组极性互补的励磁磁源，其中一组为主磁通源励磁体7，另一组为副磁通源励磁体9，主、副磁通源励磁体7、9沿轮毂轴向并排设置于转子轭5中，主磁通源励磁体7的轴向长度大于副磁通源励磁体9的轴向长度，主磁通源励磁体7的轴向长度为副磁通源励磁体9的轴向长度的2倍或2倍以上，一般不超过10倍；主、副磁通源励磁体之间设有间隔间隙8，该间隙8的间距为气隙4间距的2～4倍；所述主磁通源励磁体7的轴向长度与绕组17铁芯的轴向长度相同。所述主磁通源励磁体7、副磁通源励磁体9分别由多块永磁体极***替配置于转子轭5中构成以定子轴18为中心的环形，主、副磁通源励磁体的永磁体数量相同，极距τ长度相同，副磁通源励磁体圆周极性分布与主磁通源励磁体圆周极性分布的错开一个极距τ（如图4所示，极距τ指相邻两个异性磁极N-S或S-N的中心距，τ=周长/极对数），使主、副磁通源励磁体之间轴向对应的极性相反，即主磁通源励磁体7上永磁体的N极对应副磁通源励磁体9上永磁体的S极，主磁通源励磁体7上永磁体的S极对应副磁通源励磁体9上永磁体的N极（如图3、图5所示）。所述定子16与定子轴18通过花键配合形成可轴向移动的定子。定子16与定子轴18的花键配合采用滚珠花键，该滚珠花键由设于定子16上的内花键套20、设于定子轴18上的花键轴段、用于使内花键套与花键轴段啮合的若干滚珠19组成，内花键套20和花键轴段的花键均为轴向延伸的圆弧槽，若干滚珠19位于内花键套20与花键轴段之间，排列在圆弧槽中，定子轴18上的花键轴段具有内花键套20轴向移动的自由度。所述内花键套20可为与定子16为一体的设于定子圆心孔的内花键圆弧槽结构，也可为通过固定连接在定子圆心孔中的内花键套。一推盘2通过推力轴承21与定子16或内花键套20连接，推盘2可相对于定子16或内花键套20转动。推盘2设置在定子16与左端盖11a对应的轴向端，内花键套20上通过配合固定连接有推力轴承21，推盘2通过螺钉或铆定或盈配合固定连接在推力轴承21上。所述轮毂6的靠主磁通源励磁体7一边的左端盖11a内设置轨道盘3，所述轨道盘3均布有呈放射状向径向延伸的槽形轨道，轨道盘3与推盘2之间设有多个通过离心运动推动定子16轴向移动的滚子1，所述推盘2为斜面盘腔的碗状推盘，使推盘2与轨道盘3之间形成楔形空间，滚子1位于该楔形空间中。所述轨道盘3的各槽形轨道的根部设有容纳滚子1的凹陷23，当电机停止工作时，各滚子1位于所对应的凹陷23中。所述滚子1可以为圆球形滚子，也可为圆柱形滚子或鼓形滚子，甚至采用滚轮状滚子等，各槽形轨道根部的凹陷23的形状根据滚子1的形状设计，可以为球窝，也可以圆弧凹槽，甚至可以为绕圆心的环形槽，使各个滚子1在离心力没有达到设计转速时，不会从所处的凹陷中移动出。所述定子16与右端盖11b对应的轴向端设有回位弹簧15，回位弹簧15空套在定子轴18上，回位弹簧15的一端套在内花键套20上限位于定子16，另一端限位于定子轴18上设置的限位挡板22。使轮毂6在静止状态时，定子16处于对应主磁通源励磁体7的位置。一用于位置传感的磁敏传感器14安装在定子轴18上，与轮毂6的右端盖11b上设置的磁环13对应，用以产生磁通相位信号供传感器拾取，所述磁环13在极对数和相位上与轮毂6上的磁通源励磁体有确定的关系，磁环4与磁敏传感器14共同组成用于检测转子磁场位置的传感器。所述磁敏传感器14可采用霍尔效应的传感器，也可采用磁阻效应的磁阻元件。本实施例采用霍尔效应的的霍尔集成元件，霍尔集成元件的电路板14a与定子轴18上设置的限位挡板22固定连接。

本发明轮毂电机工作时，电机启动后，绕组电流磁通与主磁通源励磁体的磁通相互作用产生电磁力驱动转子轭迅速转动，并通过连接在一起的轮毂、端盖、轨道盘带动滚子环绕定子轴旋转，推盘也随着旋转，转速迅速提高。当转速达到设定值后，滚子的离心力大于回位弹簧的弹力时，滚子移动出轨道盘上槽形轨道的凹陷，且沿槽形轨道向轨道盘的圆周方向移动，在推盘与轨道盘之间的楔形空间进行离心运动，由于碗状推盘的斜面盘腔受滚子压力，产生轴向分力，并通过推力轴承去除转动力矩，推盘将轴向分力传递给内花键套和定子，推动定子沿定子轴从主磁通源励磁体向副磁通源励磁体方向移动，这时气隙的磁通开始发生变化，气息在主磁通源励磁体下的长度逐渐减小，在极性相反的副磁通源励磁体下的长度逐渐增加，使气隙的磁通发生变化，逐渐减小形成弱磁，电机的转速也随之逐渐提高，实现弱磁调速。其原理为：设定子绕组铁芯沿轴向的长度等于主磁通源励磁体的轴向长度为L，平均磁密为B；副磁通源励磁体轴向长度为L’,极性相反，平均磁密为（-B）；移动距离为Δx，极矩为τ，极下磁通Φ有如下关系：

φ=B·τ·（L-Δx）+（-B）·τ·Δx

=B·τ·（L-2Δx）

转速增加是一个正反馈过程，即：

转速升高→离心力增加→轴向推力增加→定子位移增加→磁通减少→转速升高…,直到由于负载阻力作用，转速不再生高，离心力不再增加时，同弹簧力及摩擦力达到平衡为止。

当增大摩擦力，转速降低，滚子的离心力减小，推盘给予定子的推力也随之减小，定子在回位弹簧的作用下向回移动，磁通逐渐增大，控制转速降低。

当电机断电后，磁通消失，转速逐渐降低直至轮毂停止旋转，定子在回位弹簧的作用下回位。

参见图6，以1.1KW的永磁变速轮毂电机为例，采用本发明结构后，其电机性能发生明显变化：电机特性连续变化，扭矩、转速各增加2倍，总的提高4倍，相当于4.4KW的普通永磁无刷电机的性能。

Claims (10)

1.一种转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，包括轮毂（6）、固定在轮毂内圆的转子轭（5），以及位于转子轭（5）内圆中的定子（16），所述转子轭（5）的内圆设有励磁磁源，所述定子（16）的圆周设置绕组（17），绕组（17）的铁芯与励磁磁源之间有气隙（4），定子轴（18）的两端轴段上分别设有轴承（12），轮毂（6）左右两端的端盖通过轴承（12）支撑于定子轴（18），其特征在于：所述励磁磁源为两组极性互补的励磁磁源，其中一组为主磁通源励磁体（7），另一组为副磁通源励磁体（9），主、副磁通源励磁体并排设置于转子轭（5）中，主磁通源励磁体（7）的轴向长度大于副磁通源励磁体（9）的轴向长度，主、副磁通源励磁体之间设有间隔间隙（8），所述主磁通源励磁体（7）、副磁通源励磁体分别由多块永磁体极***替配置于转子轭（5）中构成以定子轴为中心的环形，主、副磁通源励磁体的永磁体数量相同，极距长度相同，副磁通源励磁体圆周极性分布与主磁通源励磁体圆周极性分布错开一个极距，使主、副磁通源励磁体之间轴向对应的极性相反；所述定子（16）与定子轴（18）通过花键配合形成可轴向移动的定子，所述轮毂的靠主磁通源励磁体（7）一边的左端盖（11a）内设置轨道盘（3），定子（16）与左端盖对应的轴向端设置一推盘（2），轨道盘（3）与推盘（2）之间设有多个通过离心运动推动定子（16）轴向移动的滚子（1），定子（16）与右端盖对应的轴向端设有回位弹簧（15），使轮毂（6）在静止状态时，定子（16）处于对应主磁通源励磁体（7）的位置。

2.根据权利要求1所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：所述主磁通源励磁体轴向长度为副磁通源励磁体轴向长度的2倍或2倍以上。

3.根据权利要求1或2所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：所述主磁通源励磁体（7）的轴向长度与绕组（17）铁芯的轴向长度相同。

4.根据权利要求1所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：主、副磁通源励磁体之间间隙（8）的间距为气隙（4）间距的2～4倍。

5.根据权利要求1所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：定子与定子轴的花键配合采用滚珠花键，该滚珠花键由设于定子上的内花键套、设于定子轴上的花键轴段、用于使内花键套与花键轴段啮合的若干滚珠组成，内花键套和花键轴段的花键均为轴向延伸的圆弧槽，若干滚珠位于内花键套与花键轴段之间，排列在圆弧槽中，定子轴上的花键轴段具有内花键套（20）轴向移动的自由度。

6.根据权利要求5所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：推盘（2）通过推力轴承（21）与定子或内花键套（20）连接，可相对于定子或内花键套转动。

7.根据权利要求1所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：所述推盘（2）为斜面盘腔，使推盘（2）与轨道盘（3）之间形成楔形空间，滚子（1）位于该楔形空间中。

8.根据权利要求1所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：所述轨道盘（3）均布有呈放射状向径向延伸的槽形轨道，各槽形轨道的根部设有容纳滚子的凹陷（23）。

9.根据权利要求1所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：所述回位弹簧（15）空套在定子轴（18）上，回位弹簧（15）的一端限位于定子，另一端限位于定子轴（18）上设置的限位挡板（22）。

10.根据权利要求1或9所述的转子为互补励磁的永磁变速轮毂电机，其特征在于：一用于位置传感的磁敏传感器（14）安装在定子轴（18）上，与轮毂右端盖（11b）上设置的磁环（13）对应。

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