CN103701287A - 混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种电机内的永磁场﹑电励磁磁场﹑电枢反应磁场互相耦合、电枢的各相绕组分成若干独立电/磁通路、定子凸极采用双永磁和转子齿顶的弧度削齿方法的“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”。电励磁绕组分布在电机各凸极永磁顶部内空间，调节励磁电流的方向和幅值，可对永磁气隙磁场有效调节与控制，实现恒转矩区的大转矩、恒功率区的宽调速功能，定子凸极双永磁和转子齿顶弧度削齿方法，两者的协同作用，使电机的齿槽转矩降为最低。该电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑、噪音低﹑自容错性强、功率可调，很高的低速扭距，且当某一电枢绕组发生故障时汽车仍可继续行驶的高可靠性。是新能源汽车电驱动的全创新型汽车轮毂电机。

Description

混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机

技术领域

本发明涉及了一种电机内的永磁场﹑电励磁磁场﹑电枢反应磁场三种磁场互相耦合的“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”， 是纯电动汽车的关键零部件和核心技术。其结构和原理包括双永磁铁心凸极定子、齿顶弧面弧度削齿转子、三相多元电/磁通路的电枢绕组、互相串联连接的电励磁绕组、过电流保险器等主要部分。三相电枢绕组的各相分成若干独立电磁通路，定子铁心凸极采用双永磁，加上转子齿顶弧面的弧度削齿方法，两者的协同作用最终使电机的齿槽转矩降为最低。电励磁绕组分布在电机各凸极双永磁体内空间，调节励磁绕组的电流方向和大小，可对永磁气隙磁场的有效调节与控制，扩宽了调速范围，克服了普通磁通切换型电机调磁困难的缺点，可实现恒转矩区的大转矩、恒功率区的宽调速功能。该电机具有功率密度高、高效能﹑运转平滑、噪音低﹑自容错性强、功率可调﹑有高的低速扭距。且当某一电枢绕组发生故障时汽车仍可继续运行的高可靠性，正常行驶时它是驱动的电动机，当汽车下坡或滑行时转换成发电机，给蓄电池充电，全封闭结构，适宜汽车高速、高温和恶劣环境以及水下使用，是新能源纯电动汽车驱动的全创新型汽车轮毂电机。

背景技术

随着燃油资源紧缺，全球气候变暖，节能减排刻不容缓，特别是2012年至2013年初全国性持续雾霾天气，使环境污染问题更加突出。2012年7月9日，国务院正式发布《节能与新能源汽车产业发展规划》，规划称新能源汽车产业发展将以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车产业化，并明确规定，到2015年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9升/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至5.9升/百公里以下，国内品牌汽车厂家都在千方百计尽快上纯电动汽车或混合动力汽车项目，但相关核心技术仍未能取得突破性进展。汽车轮毂电机是新型纯电动汽车驱动之核心关键技术的零部件，它取代了现有汽车的发动机及附件、变速箱、传动轴、差速器、油箱等主要部件，使整辆汽车结构变得非常简单、稳固，车内空间更加宽阔。但电机的性能必需能适应各种恶劣路况行车，在越沟坑和爬坡时有足够大的扭距，特别是军用越野车，要求电机基点转速等于1：10。近年美、英、法、德等国纷纷将电动轮毂技术应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得了重大成果。例如美国陆战队在“悍马”基础上研制出串联式“影子”新型混合动力越野车，采用了轮毂电机新技术，使战车在纯电动情况下具备了静音、无热痕迹、不易被敌方发现等优异性能，据闻美军已决定停产传统“悍马”车，全部改产新型混合动力轮毂电机驱动的“影子”型军车。这一重要发展趋势，引起各国的高度关注。国内目前在高性能，高可靠性汽车轮毂电机技术，还远远落后于欧美国家。我国的汽车工业急需具有高功率密度（体积小）、高效率（节能）、高可靠性（可带故障运行）、运行平稳（噪声低）、结构坚固、低速扭矩大、能耐受高温高速和恶劣环境等综合性能好的新型汽车轮毂电机。但传统的各类电机都满足不了上述的綜合性能，难实现成为理想的汽车轮毂电机。目前较为先进的永磁类电机，包括“永磁无刷电机BLDC”、“永磁同步电机”PMSM、“无铁心永磁电机”等虽有较高的效率，但由于制造工艺和技术性等原因，一般都采用内转子永磁型结构（无铁心永磁电机则必需釆用转子永磁型结构，而且目前功率只局限于小型电机）。由于转子在运行时温升高、散热条件差，加上高速旋转时产生的离心力和震动力，易使永磁件因高温退磁或因高速产生的离心力和震动力脱落，运行过程中容易造成电机性能逐渐下降，尤其永磁件脱落后产生的踫撞必然会造成整台电机严重损坏而报废。“开关磁阻SPM电机”具有结构简单，鲁棒性好，电/磁路独立性好，具容错性，转子没有永磁，也没有绕组，适应高速、高温运行，但亦存在齿槽转矩脉动大，噪声大，振动大，效率也低于永磁类电机，加上驱动控制***复杂、成本高等缺点，未能广泛推广应用。目前除了开关磁阻电机（但也存在上述的缺点），其他类型电机都会因某绕组发生很小的一点故障，电机即时不能继续运行的致命弊端，可靠性不理想，当汽车行驶途中，一旦电机发生故障会使汽车停驶，甚至会酿成重大的安全事故，在军事上会延误战机。研制一种新型的、高功率密度、高效率、恒转矩的宽调速、鲁棒性好、具有自容错的高可靠性、在恶劣环境具较强耐受性的节能、环保、坚固、耐用的汽车轮毂电机，成为世界各国工程技术人员科研的热点和亟待突破的课题。我司工程技术人员综合分析各类电机的长、短处，尤其对永磁类电机和开关磁阻电机两类电机所具有的优点或潜在的可融性，对此进行分析、对比、借鉴、整合，研制发明一种结构、原理、技术特征全新的“多元电/磁通路、低齿槽转矩磁通切换型电机”，并在此基础上研发专门适合纯电动汽车使用的“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”。我们研发的汽车轮毂电机的特点是具有：恒转矩区的大转矩和恒功率区的宽调速、高功率密度、高效节能、运转平滑、噪音低、自容错性强，、在恶劣路况起步行车和爬坡性能好，更关键是它的高可靠性，不会因电机某绕组故障，永磁件脱落等而中途停驶，同时还因为他的全封闭结构，特别适应汽车工作状态，利用富余动力给蓄电池充电补充能量，廷续汽车行使里程。因此是一种理想的纯电动汽车轮毂电机。该电机以其独具的优越性能和高可靠性，争取尽快纳入国家“863”计划。本发明属自主原创性发明，拥有自主知识产权，将极大提升国内汽车轮毂电机的技术先进性，在电机行业和纯电动汽车领域跻身世界先进行列。

发明内容

在“多元电/磁通路、低齿槽转矩磁通切换型电机”专利技术的基础上，研制发明一种创新型“混合励磁多元磁通切换汽车轮毂电机”。采用由永磁场、电励磁磁场、电枢反应磁场互相耦合的励磁方法，通过调节电励电流的方向和幅值，实现对电机的气隙磁场实行增磁或弱磁，有效扩宽了电机的调速范围，具有恒转矩区的大转矩、恒功率区的宽调速。发明内容如下。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的结构是由带散热肋的外壳、转轴、前/后轴承、弹簧垫圈、双永磁铁心凸极定子、齿顶弧面弧度削齿转子、三相多元电/磁通路电枢绕组﹑电励磁绕组﹑电流过载保险器、绕组引出线、引出线密封组件、前/后端盖、前/后端盖O型密封圈、前端盖转轴密封组件等主要构成。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的齿顶弧面削齿的转子，技术特征是：由硅钢片按要求的尺寸、形状的冲片叠压而成，外圆周均布有偶数个凸齿，凸齿数量根据电机的相数、极数来确定，数量为偶数个，各个凸齿的齿顶弧面均经适度的弧度修削。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的双永磁铁心凸极定子，技术特征是：由硅钢片按要求的尺寸、形状的冲片叠压而成，此有两种方法：方法一，将硅钢片冲成整片后，叠压成一定的厚度而成；方法二，将定子铁心按凸极的数量分成同等份，先按要求的尺寸、形状冲片，再组装叠压成铁心轭部两端有凹凸定位的组件，再组装成整体定子铁心；定子的圆周內均布有偶数铁心凸极，数量是根椐电机的相数、极数来确定，数量为偶数个。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机” 的双永磁铁心凸极，技术特征是：各铁心凸极在沿定子轴向的二槽沟中，均分别各嵌入一片同极性永磁体，即每个凸极中嵌有2片永磁体，构成双永磁铁心凸极，与相邻铁心凸极嵌入的永磁体为异极性；再在定子铁心轭部以上的凸极周边，用玻纤绝缘带包覆、粘结、增强兼作绝缘层。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的三相多元电/磁通路电枢绕组，技术特征是：三相多元电/磁通路电枢绕组，分成A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组，各相序的电枢绕组各自嵌绕在定子圆周内按各相序、各单元电/磁路对应的铁心凸极；各相序的电枢绕组都被分成若干单元电/磁通路；同单元的电/磁通路电枢绕组，分别嵌绕在定子圆周内按电机的极数和电/磁路设计相对应的凸极，串联连接，构成一路独立的电/磁通路。以定子12极、转子10极电机为例：每相在定子中各占有4个铁心凸极，各自分布在定子圆周内相互成90度机械角对应的位置，每2个铁心凸极中的电枢绕组为一单元电/磁通路；如A相电枢绕组A1a-A1b为F1电/磁通路，A2a-A2b为F2电/磁通路；F1电/磁通路电枢绕组的A1a-A1b分别嵌绕在定子圆周内相互成90度机械角分布的铁心凸极，串联连接，构成F1电/磁通路；A2a-A2b嵌绕在定子圆周径向与F1通路绕组相对应的铁心凸极，串联连接，构成F2电/磁通路；F1、F2两路电/磁通路电枢绕组，各自经串接“过载电流保险器”后再并联连接，成为A相具有2单元电/磁通路的电枢绕组，余下B相电枢绕组和C相电枢绕组的嵌绕和连接方式与A相的电枢绕组相同。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机” 的电励磁绕组，技术特征是：在相邻的两个双永磁铁心凸极之间都跨绕有1个电励磁绕组线圈，每个电励磁绕组线圈跨绕在相邻2个双永磁铁心凸极距离最靠近的永磁体顶部槽沟空间中（见图1），每个永磁体顶部槽沟空间中各有1个电励磁线圈边，即每个双永磁铁心凸极分别绕有2个电励磁线圈边，并且串联连接成励磁电流方向和电磁极性相同。

附图说明

共四张图，如下。

图1为“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的径向截面原理图。

转轴（10）、定子双永磁凸极铁心（13）、电枢绕组（14）、电励磁绕组（15）、转子（16）、永磁体（17）、过载电流保险器（22）。

图2为“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的轴向结构剖面示意图。

外壳（1）、散热肋（2）、前端盖（3）、后端盖（4）、O形密封圈（5）、端盖加强肋（6）、弹簧垫圈（7）、转轴密封组件（8）、小端盖（9）、转轴（10）、前轴承（11）、后轴承（12）、定子双永磁凸极铁心（13）、电枢绕组（14）、电励磁绕组（15）、出线孔密封件（18）、引出线（19）、过载电流保险器（22）。

图3为转子凸齿的齿顶弧面弧度削齿示意图（齿顶的虚线部份被削去）。

转子齿顶弧面弧度削齿（16）。

图4为定子铁心分成等份组件的冲片和双永磁铁心凸极组件用玻纤绝缘带包复粘结示意图。

定子铁心分成等份的冲片（20）双永磁铁心凸极玻纤绝缘包覆层（21）。

具体实施方式

为实现上述的目的，本发明采取下列具体的技术实施方式。

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”，包括带散热肋铝合金（或其他金属）外壳（1）、前端盖（3）、后端盖（4）、前/后端盖O形密封圈（5）、转轴（10）、前轴承（11）、后轴承（12）、弹簧垫圈（7）、前端盖转轴密封组件（8）、引出线密封组件（18）、过载电流保险器（22）、齿顶弧面削齿转子（16）、定子双永磁铁心凸极（13）、三相多元电/磁通道电枢绕组（14）、电励磁绕组（15）等主要部份组成。如图2。

带散热肋的外壳和前/后端盖，是由金属材枓通过挤压或压铸或铸造成型后经机加工而成，前/后端盖的内侧端面都有加强肋；外壳与前/后端盖的圆周结合部位有O形密封圈，前端盖的轴孔与转轴之间有密封组件，后端盖的引出线孔有橡胶密封组件，上述的密封器材可根据需要选用耐高温、耐化学剂、耐油材料，防止泥、水及化学物质渗入电机内部；前端盖轴承室内有弹簧垫圈；转轴是根据汽车用途的需要，选用不同牌号、规格的钢材机加工而成。。

齿顶弧面削齿转子：是由硅钢片冲片叠装压成，外圆周均布有偶数个凸齿，数量是根据电机的相数、极数来确定，数量为偶数个，各个齿的齿顶弧面均作适度的弧面修削，这样能减少反电势各次谐波的份量，使反电势波形更加正弦，电磁转矩脉动能有效削减。

双永磁铁心凸极定子，是由硅钢片按要求的尺寸、形状的冲片叠压而成，此有两种方法：方法一，将硅钢片冲成整片后，叠装压成一定的厚度而成；方法二，将定子铁心按凸极的数量分成同等份，按要求的尺寸、形状冲片，叠装成轭部两端带凹凸定位的组件，再组装成整体定子铁心；定子的圆周內均布有偶数铁心凸极，数量是根椐电机的相数、极数来确定，数量为偶数个。

双永磁铁心凸极，各铁心凸极在沿定子轴向的二槽沟中均分别嵌入一片同极性永磁体，即每个凸极中嵌有2片永磁体，嵌入的永磁体可以是铁氧体永磁、或稀土钕铁硼永磁、或稀土钐钴永磁、或铝镍钴永磁，构成双永磁铁心凸极，与相邻铁心凸极嵌入的永磁体为异极性，这样的技术措施能协同转子的弧面弧度削齿方法，对削弱齿槽转矩脉动有相当良好的效果；再在定子铁心轭部以上的凸极周边，用玻纤绝缘带包覆粘结、增强兼作绝缘层。

三相多元电/磁通路电枢绕组，分别嵌绕在定子圆周內各相序、各自单元的电/磁路对应的凸极，方法是：先将同相序电枢绕组分成若干单元电/磁通路，再将同单元的电/磁通路电枢绕组分别嵌绕在定子圆周内按电/磁路设计相互对应的凸极，串联连接，构成一独立单元的电/磁通路；然后将同相的各单元电/磁通路电枢绕组，各自经串接过载电流保险器后并联连接，成为一相具有多单元电/磁通路绕组，例如：图1中的定子12极，转子10极的多元电/磁通路、混合励磁多元磁通切换型电机，A相的A1a与A1b电枢绕组为F1单元电/磁通路，A2a与A2b电枢绕组为F2单元电/磁通路，F1单元电/磁通路电枢绕组的A1a和A1b分别嵌绕在定子铁心圆周内相互成90度机械角分布的凸极，串联连接，构成F1电/磁通路。A2 a和A2 b嵌绕在定子圆周径向与F1通路绕组相对应的凸极，串联连接，构成F2电/磁通路。F1、F2两路电/磁通路电枢绕組，各自经串接过载电流保险器后并联连接，成为A相具有2单元电/磁通路的电枢绕组。余下B相和C相的电磁通路电枢绕组的嵌绕和连接方法与A相电/磁通路电枢绕组相同，如图1。

过载电流保险器，与各电/磁通路电枢绕組的首端串联连接，再与同相的其他电/磁通路电枢绕组并联连接，构成一相具有多单元电/磁通路的电枢绕組，过载电流保险器安装在电机外壳后端的内壁，如图2。

电励磁绕组，在相邻的两个双永磁铁心凸极之间都有一个电励磁绕组线圈，每个电励磁绕组线圈都是跨绕在相邻两个双永磁铁心凸极最靠近的永磁体顶部槽沟空间中，这样每个双永磁铁心凸极有2个电励磁绕组线圈边，即每槽沟各有1个线圈边，并且串联连接成电流方向和电磁极性相同。

上述虽然结合附图对本发明的结构原理、具体实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应该了解，本发明的实施举例并非对发明保护范围的限制，在不脱离本发明结构、原理和技术特征、实施方式范围的基础上，还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于本发明要求的保护范围之内。

本发明的有益效果

“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”，是集各类电机优点而又克服了它们弊端的创新型电机。它既保留了永磁电机的高效率的优点，通过结构改变，攻克了永磁材料不耐高温而容易退磁和易故障的技术难题；也发挥了开关磁阻电机电/磁路独立性好，鲁棒性好，具容错性，可靠性强的特长，克服了存在的齿槽转矩脉动大，噪声大和效率低的缺点；同时也克服了磁通切换型电机的磁场调节困难的缺点，通过增加电励磁绕组，用改变电励磁绕组的电流方向和幅值的方法，实现控制电机磁场的增磁或弱磁，有效地扩宽了电机的调速范围，使轮毂电机具有恒转矩区的大转矩，恒功率区的宽调速，功率密度高，效率高，可靠性高，运转平稳，噪声低的优良特性。该种电机还可根据需要设计成不同的大小功率、相数、极数、转速，既可用作驱动电动机，亦可用作发电机，全密封设计，适用恶劣环境（高温高速、泥水飞溅、尘土飞扬）及水下使用。特别适用于纯电动汽车和混合动力汽车的使用，将极大地推进国内电动汽车工业的发展。

由于各电/磁路的独立性较好，若当某相的某电/磁通路电枢绕组发生故障时，基本不会影响其他非故障电/磁通路的电枢绕组正常工作。因此电机可带故障继续运行，具有高可靠性。

定子铁心凸极采用双永磁，这对齿槽转矩有很好的消弱效果，再加上转子齿顶弧面的弧度削齿方法，两者的协同作用，最终使电机的齿槽转矩降为最低，运转平滑、噪声低，电机效率也会因此提高。

永磁件装嵌在定子，散热条件好，不易因高温退磁，不会因电机转子高速运转时产生的离心力而脱落，这样也增加了电机的可靠性和使用寿命。

各电/磁通路电枢绕组均为集中绕组，端部短，制造工艺简单，节省电磁铜线，故障的检查、维修非常容易。

转子由硅钢片加工叠压而成，既无永磁体，也无绕组，结构简单、坚固，适宜高速、高温运转。

Claims (8)

1.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的结构是由带散热肋的外壳、前/后端盖、前/后端盖O形密封圈、转轴、前/后轴承、弹簧垫圈、前端盖转轴密封组件、引出线孔密封组件、过载电流保险器、三相电枢绕组引出电源线、齿顶弧面削齿的转子、双永磁铁心凸极定子、三相多元电/磁通路的电枢绕组、电励磁绕组等主要构成，技术特征是：带散热肋的外壳和前/后端盖，是由金属材枓成型后经机加工而成，外壳与前/后端盖的圆周连接部位有O形密封圈，前端盖的轴孔与转轴之间有密封组件，前端盖轴承室内有弹簧垫圈，前/后端盖的内端面都有加强肋。

2.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的齿顶弧面削齿的转子，技术特征是：由硅钢片按要求的尺寸、形状的冲片叠压而成，外圆周均布有偶数个凸齿，凸齿数量根据电机的相数、极数来确定，数量为偶数个，各个凸齿的齿顶弧面均经适度的弧度修削。

3.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的双永磁铁心凸极定子，技术特征是：由硅钢片按要求的尺寸、形状的冲片叠压而成，此有两种方法：方法一，将硅钢片冲压成整片后，叠装压成一定的厚度而成；方法二，将定子铁心按凸极的数量分成同等份，按要求的尺寸、形状冲片，叠装成轭部两端带凹凸定位的组件，再组装成整体定子铁心；定子的圆周內均布有偶数个铁心凸极，数量是根椐电机的相数、极数来确定，数量为偶数个。

4.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机” 的双永磁铁心凸极，技术特征是：各个铁心凸极在沿定子轴向的二槽沟中均分别嵌入一片同极性永磁体，即每个凸极中嵌有2片永磁体，嵌入的永磁体可以是铁氧体永磁、或稀土钕铁硼永磁、或稀土钐钴永磁、或铝镍钴永磁，构成双永磁铁心凸极，与相邻铁心凸极嵌入的永磁体为异极性；再在定子铁心轭部以上的凸极周边，用玻纤绝缘带包覆粘结、增强兼作绝缘层。

5.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”的三相多元电/磁通路电枢绕组，技术特征是：三相多元电/磁通路电枢绕组，分成A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组，它们各自分别嵌绕在定子圆周内按各相序、各自单元电/磁路对应的铁心凸极，各相的电枢绕组都被分成若干单元电/磁通路，同单元电/磁通路的电枢绕组，分别嵌绕在定子圆周内按电机的极数和电/磁通路设计所对应的铁心凸极，串联连接，构成一独立的电/磁通路。

6.“混合励磁多元磁通切換型汽车轮毂电机” 的电励磁绕组，技术特征是：在相邻的两个双永磁铁心凸极之间都跨绕有1个电励磁绕组线圈，每个电励磁绕组线圈跨绕在相邻2个双永磁铁心凸极距离最靠近的永磁体顶部槽沟空间中，每个永磁体顶部槽沟空间中各有1个电励磁线圈边，即每个双永磁铁心凸极分别绕有2个电励磁线圈边，并且串联连接成励磁电流方向和电磁极性相同。

7.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”在现有结构、原理、技术特征和具体实施方式基础上进行的各种变化和改进、延伸技术。

8.“混合励磁多元磁通切换型汽车轮毂电机”中文简称命名为混合励磁轮毂电机，英文缩写命名为MEHM。

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