CN204821975U - 磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车 - Google Patents

Abstract

磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，属于电动车技术领域。电机壳体两侧装有端盖，电机轴两端通过轴承安装在端盖上，电机定子与电机轴固定套接在一起，电机转子与壳体紧密连接，电机转子遵循磁通要沿着磁导最大的路劲闭合，产生磁拉力形成转矩，拉动转子旋转即带动车轮旋转起来。同时，电机转子在径向与轴向上均利用磁悬浮技术的磁悬浮力实现径向和轴向的不接触，实现无摩擦无磨损的高速旋转。本实用新型的磁悬浮电机支承驱动***通过磁悬浮技术实现了车轮轮毂与车架之间无摩擦、无磨损支承，并通过电磁转矩直接驱动车轮旋转，缩短了传动链，提高了驱动效率，显著地降低了能耗，改善了电动汽车的动力性能。

Description

磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车

技术领域

本实用新型涉及一种新型的电动自行车的驱动方式，采用磁悬浮开关磁阻电机驱动，具体涉及磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，属于电动车技术领域。

背景技术：

从目前行业内普遍使用情况看，电动自行车主要有两种电机：高效稀土永磁有刷电机与高效稀土永磁无刷电机，目前市场上大多数电动自行车还停留在有刷电机阶段。有刷电机采用机械换向，对控制***的技术要求较低，相对成本低于无刷电机，有刷电机的起动力矩略大于无刷电机。但致命的弱点是：寿命短、噪声大、效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落下齿轮油中，使齿轮油加速干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机使用到一年左右就需要更换内碳刷，而且充电一次行驶的里程不及新车买来时的三分之二，而且爬坡时动力不足，还会烧坏控制器。这是因为电机更换碳刷后，换向器也被磨出了一条凹槽，使碳刷接触面积减少，接触不良的碳刷通电后会产生火花并加快氧化换向器和铜片，导致上述不良现象。

针对现有技术的上述缺陷，需要提供一种新型电机驱动方式的电动自行车。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种新型驱动***的电动自行车-磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车。本实用新型利用磁悬浮磁阻电机将电能有效地转化为机械能，即采用磁悬浮技术给定子绕组和外绕组通电，驱动转子转动和定转子悬浮支承车身，带动车轮旋转，实现无摩擦无磨损。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，包括车轮和置于车轮中的车轮电机***，其特征是，该车轮电机***包括与车轮紧密连接的壳体、电机轴，壳体内设有电机定子、电机转子、功率换向器和控制器、检测器以及左、右磁钢和左、右外绕组，所述检测器包括轴向位移传感器、径向位移传感器和转速传感器；

所述电机定子与电机轴固定套接在一起，电机转子与壳体紧密连接，且置于电机定子外圈，并与电机定子留有间隙；所述左、右磁钢分别置于电机转子左、右两侧端面上，所述左、右外绕组分别固定于壳体内左、右侧壁；所述电机定子端面上固定设置径向位移传感器和转速传感器，壳体内侧壁的外绕组一侧固定设置轴向位移传感器；

所述电机转子是凸极结构，其内圆周壁均匀分布有采用叠片形式的凸极结构，所述电机定子采用凸极结构，其径向外圆周壁均匀分布有凸极结构；所述壳体左、右两侧分别装有左、右端盖，电机轴两端分别通过辅助轴承安装在左、右端盖上。

所述功率换向器包括开关元件、产生的直流电源的电瓶或整流器。

所述控制器是综合位移检测器，由具有较强的信息处理能力的微机或数字逻辑电路及接口电路构成。

所述电机定子上设有集中绕组，电机定子直径方向相对的两个绕组串联成为一相。

所述轴向位移传感器固定在外绕组支架上。

所述电机定子的径向方向上设有一个传感器支架，该支架上放置有沿圆周方向均匀分布的径向位移传感器和转速传感器。

本实用新型中，左、右端盖起到密封固定作用，通过轴承与壳体固定连接，电机轴两端通过辅助轴承安装在端盖上，电机轴起到固定定子支撑车身作用。

本实用新型中的磁悬浮开关磁阻电机是一种外转子内定子电机结构，包括凸极定子、凸极转子，即所谓双凸极型结构，并且定转子级数不同。电机定子采用凸极结构，径向外圆周面均匀分布有凸极结构，定子上有最简单的集中绕组，直径方向相对的两个绕组串联成为一相。电机转子是凸极结构，内圆周一侧均匀分布有凸极结构，采用叠片形式，与轮毂紧密连接，没有任何形式的绕组、换向器和滑环等，电机转子与壳体紧密连接，壳体固定连接车轮，带动车轮共同运动。

磁钢固定在转子两侧端面上，包括左侧磁钢和右侧磁钢，外绕组固定在壳体内侧上，分为左侧绕组和右侧绕组。电机转子遵循磁通要沿着磁导最大的路劲闭合，产生磁拉力形成转矩，拉动转子旋转即带动车轮旋转起来。同时，电机转子在径向与轴向上均利用磁悬浮技术的磁悬浮力实现径向和轴向的不接触，实现无摩擦无磨损的高速旋转。

功率换向器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。因此功率换向器包括由电瓶或整流器所产生的直流电源和开关元件等。

控制器是综合位移检测器，电流检测器提供的电动机转子位置，速度和电流等反馈信息及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向***的功率换向器发出一系列执行命令，进而控制电动机运行，达到控制目的。控制器由具有较强的信息处理能力的微机或数字逻辑电路及接口电路等部分构成。

（位置）检测器是定转子位置及速度等信号的提供者。它及时提供定转子极间实际相对位置的信号和转子运行的速度信号。包括轴向位移传感器和径向位移传感器和转速传感器。

车轮旋转的原理即转子旋转，当控制器接收到位置检测器提供的电动机内各相定子磁极与转子磁极相对位置信息时，即进行判断处理，向功率转换器发出命令，决定定子绕组中哪一相绕组激磁。被激磁相绕组即导通，这时激磁相绕组中有电流流通，产生磁通，由于磁拉力作用转子上，靠近定子激磁相的某对转子磁极就被吸引，使转子转动起来；当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相磁极重合时，磁拉力消失，此时控制器会根据位置检测器的信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率转换器发出命令，断开该激磁相绕组。在这个过程中，控制器还会根据位置检测器提供的其他相的定转子磁极相对位置和电机运行速度等检测信号，在相应的时刻命令导通其他相绕组，使得转子继续产生同方向的转矩，以保证转子连续不断地在一定速度下运行。电流的方向对转矩没有任何影响。只要位置检测器能即时给出定转子极间相对位置信息，控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，开关磁阻电动机就能产生所要求的转矩和转速，以达到最佳运行状态。

悬浮原理：磁路中在不同的磁导率（如空气和铁芯）的磁性物质边界上形成的磁张应力称之为麦克斯韦力，也称为磁阻力。该力的作用方向均垂直于电机定子（转子）的表面。如果电机中的磁通是对称分布的，其麦克斯韦力合力为零。如果转子偏离了电机定子的中心引起电机磁通分布的不均匀，则麦克斯韦力合力就不为零，其作用方向和转子偏心的方向一致，这就是电机理论中的磁张应力，转子的偏离量越大，磁张应力也越大。气隙磁场由主绕组电流和悬浮绕组电流共同作用产生。

在原有电机定子绕组上附加一套悬浮力绕组，打破了原气隙磁场的平衡，产生作用在转子上的悬浮力来实现转子的稳定悬浮，避免了机械磨损，同时具备旋转和悬浮的功能。以A相α轴为例，径向相对的4级绕组串联而成的主绕组产生了偏置磁通，径向相对的两级绕组串联而成的径向力绕组产生的磁通分别对偏置磁通产生增强和削弱的作用，由此产生对转子水平向右的径向悬浮力。径向悬浮力绕组电流反向时，可产生水平向左的径向悬浮力。同时，通过主绕组和与α轴垂直的β轴的径向悬浮力绕组可产生β轴径向力。两个力可以合成所需的任意方向的径向悬浮力。该原理同样适用于B相、C相。三相主绕组轮流导通，根据定子径向位移传感器的负反馈控制，可以产生定子悬浮所需的连续径向悬浮力。

同理，对于轴向方向上的转子悬浮，两侧外绕组通电，当转子从平衡位置往一侧偏移微小距离后，两侧磁钢受到的磁拉力大小由原来的相等变为不等，通过位移检测器检测到距离的变化，相应地改变两侧绕组电流的大小，使得一侧电流变大，一侧电流变小，使得距离远的一侧磁拉力变大，距离近的一侧磁拉力变小，将转子拉回到原来的平衡位置。

在检测控制***控制下，产生支承车身的径向和轴向磁悬浮力和驱动车轮旋转的电磁转矩。

本实用新型的磁悬浮电机支承驱动***通过磁悬浮技术实现了车轮轮毂与车架之间无摩擦、无磨损支承，并通过电磁转矩直接驱动车轮旋转，缩短了传动链，提高了驱动效率，显著地降低了能耗，改善了电动汽车的动力性能。

附图说明

图1为本实用新型中车轮电机***的结构示意图；

图2为图2的侧视图；

图3为图1中A-A向剖视图；

图4为图2中B-B向剖视图；

图5为图1的立体图；

图中：1端盖、2外绕组、3壳体、4磁钢、5辅助轴承、6电机转子、7电机定子、8电机轴、9轴向位移传感器、10径向位移传感器和转速传感器、11功率换向器和控制器。

具体实施方式

磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动自行车提供一种新型的电动自行车的驱动***，利用磁悬浮磁阻电机将电能有效地转化为机械能，即采用磁悬浮技术给定子绕组和外绕组通电，驱动转子转动和定转子悬浮，带动车轮旋转，实现无摩擦无磨损。

磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，包括车轮和置于车轮中的车轮电机***。该车轮电机***包括与车轮紧密连接的壳体3、电机轴8，壳体内设有电机定子7、电机转子6、功率换向器和控制器11、检测器以及左、右磁钢4和左、右外绕组2，检测器包括轴向位移传感器9、径向位移传感器和转速传感器10。

电机定子与电机轴固定套接在一起，电机转子与壳体紧密连接，且置于电机定子外圈，并与电机定子留有间隙。电机转子是凸极结构，其内圆周壁均匀分布有采用叠片形式的凸极结构，电机定子采用凸极结构，其径向外圆周壁均匀分布有凸极结构。

电机定子端面上固定设置径向位移传感器和转速传感器，壳体内侧壁的外绕组一侧固定设置轴向位移传感器。电机定子上设有集中绕组，电机定子直径方向相对的两个绕组串联成为一相。轴向位移传感器固定在外绕组支架上。电机定子的径向方向上设有一个传感器支架，该支架上放置有沿圆周方向均匀分布的径向位移传感器和转速传感器。

左、右磁钢分别置于电机转子左、右两侧端面上，左、右外绕组分别固定在壳体内左、右侧壁。壳体左、右两侧分别装有左、右端盖1，起到密封固定作用，与壳体固定连接。电机轴两端分别通过辅助轴承5安装在左、右端盖上，电机轴穿过电机、端盖、轮毂、定子，起到支撑车身作用。

功率换向器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。因此功率换向器包括由电瓶或整流器所产生的直流电源和开关元件等。

控制器是综合位移检测器，电流检测器提供的电动机转子位置，速度和电流等反馈信息及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向***的功率换向器发出一系列执行命令，进而控制电动机运行，达到控制目的。控制器由具有较强的信息处理能力的微机或数字逻辑电路及接口电路等部分构成。功率换向器和控制器放置在壳体内侧。

（位置）检测器是定转子位置及速度等信号的提供者。它及时提供定转子极间实际相对位置的信号和转子运行的速度信号。包括轴向位移传感器和径向位移传感器和转速传感器。轴向位移传感器固定在外绕组支架上。径向方向上有一个传感器支架，支架上放置有沿圆周方向均匀分布的径向位移传感器和转速传感器。

本驱动***的主要作用是绕组通电产生悬浮力和旋转转矩，转子受到旋转转矩作用旋转起来，径向方向上产生的悬浮力使得定转子极间始终处于一种平衡状态。轴向方向上磁钢和外绕组作用，使得转子轴向上始终处于平衡位置。从而实现径向方向上转子无摩擦转动和轴向方向上的无摩擦悬浮。主要工作原理如下：

驱动***运作起来后，当控制器接收到位置检测器提供的电动机内各相定子磁极与转子磁极相对位置信息时，即进行判断处理，向功率转换器发出命令，决定定子绕组中哪一相绕组激磁。被激磁相绕组即导通，这时激磁相绕组中有电流流通，产生磁通，由于磁拉力作用转子上，靠近定子激磁相的某对转子磁极就被吸引，使转子转动起来；当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相磁极重合时，磁拉力消失，此时控制器会根据位置检测器的信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率转换器发出命令，断开该激磁相绕组。在这个过程中，控制器还会根据位置检测器提供的其他相的定转子磁极相对位置和电机运行速度等检测信号，在相应的时刻命令导通其他相绕组，使得转子继续产生同方向的转矩，以保证转子连续不断地在一定速度下运行。电流的方向对转矩没有任何影响。只要位置检测器能即时给出定转子极间相对位置信息，控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，开关磁阻电动机就能产生所要求的转矩和转速，以达到最佳运行状态。

同时在原有电机定子绕组上附加一套悬浮力绕组，打破了原气隙磁场的平衡，产生作用在转子上的悬浮力来实现转子的稳定悬浮，避免了机械磨损，同时具备旋转和悬浮的功能。以A相α轴为例，径向相对的4级绕组串联而成的主绕组产生了偏置磁通，径向相对的两级绕组串联而成的径向力绕组产生的磁通分别对偏置磁通产生增强和削弱的作用，由此产生对转子水平向右的径向悬浮力。径向悬浮力绕组电流反向时，可产生水平向左的径向悬浮力。同时，通过主绕组和与α轴垂直的β轴的径向悬浮力绕组可产生β轴径向力。两个力可以合成所需的任意方向的径向悬浮力。该原理同样适用于B相，C相。三相主绕组轮流导通，根据定子径向位移传感器的负反馈控制，可以产生定子悬浮所需的连续径向悬浮力。

同理，对于轴向方向上的转子悬浮，两侧外绕组通电，当转子从平衡位置往一侧偏移微小距离后，两侧磁钢受到的磁拉力大小由原来的相等变为不等，通过位移检测器检测到距离的变化，相应地改变两侧绕组电流的大小，使得一侧电流变大，一侧电流变小，使得距离远的一侧磁拉力变大，距离近的一侧磁拉力变小，将转子拉回到轴向的平衡位置。这样，转子可以在磁悬浮作用下旋转起来，同时轴向悬浮，径向上定子悬浮，这样车轮高速旋转起来，实现无摩擦无磨损高速旋转。

通过上述技术方案，本实用新型的磁悬浮电机支承驱动***利用磁悬浮及电机技术将车身悬浮，在检测控制***控制下，使车轮轮毂无摩擦、无磨损地支承电动车身，并驱动车轮轮毂旋转带动车轮沿地面滚动行驶。本实用新型的磁悬浮电动车轮毂电机支承驱动***通过磁悬浮技术实现了车轮轮毂与车架之间无摩擦、无磨损支承，并通过电磁转矩直接驱动车轮轮毂旋转，缩短了传动链，提高了驱动效率，显著地降低了能耗，改善了电动车的动力性能。

Claims (6)

1.一种磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，包括车轮和置于车轮中的车轮电机***，其特征是，该车轮电机***包括与车轮紧密连接的壳体（3）、电机轴（8），壳体内设有电机定子（7）、电机转子（6）、功率换向器和控制器（11）、检测器以及左、右磁钢（4）和左、右外绕组（2），所述检测器包括轴向位移传感器（9）、径向位移传感器和转速传感器（10）；

所述电机定子与电机轴固定套接在一起，电机转子与壳体紧密连接，且置于电机定子外圈，并与电机定子留有间隙；所述左、右磁钢分别置于电机转子左、右两侧端面上，所述左、右外绕组分别固定于壳体内左、右侧壁；所述电机定子端面上固定设置径向位移传感器和转速传感器，壳体内侧壁的外绕组一侧固定设置轴向位移传感器；

所述电机转子是凸极结构，其内圆周壁均匀分布有采用叠片形式的凸极结构，所述电机定子采用凸极结构，其径向外圆周壁均匀分布有凸极结构；所述壳体左、右两侧分别装有左、右端盖（1），电机轴两端分别通过辅助轴承（5）安装在左、右端盖上。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，其特征是，所述功率换向器包括开关元件、产生的直流电源的电瓶或整流器。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，其特征是，所述控制器是综合位移检测器，由具有较强的信息处理能力的微机或数字逻辑电路及接口电路构成。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，其特征是，所述电机定子上设有集中绕组，电机定子直径方向相对的两个绕组串联成为一相。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，其特征是，所述轴向位移传感器固定在外绕组支架上。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机驱动式电动车，其特征是，所述电机定子的径向方向上设有一个传感器支架，该支架上放置有沿圆周方向均匀分布的径向位移传感器和转速传感器。