轉子永磁變頻調速電機及其輪轂電動輪的製作方法

2023-05-25 19:17:26 2

專利名稱：轉子永磁變頻調速電機及其輪轂電動輪的製作方法
所屬領域本發明涉及一種轉子永磁變頻調速電動機及其汽車輪轂電動輪，屬能源技術領域電動汽車專項電機製造業。
本發明所要求保護的技術方案僅限於所屬技術領域及行業。
背景技術：
電力驅動系統是電動車的心臟，國內外採用的技術方案主要有直流電動機系統，感應電動機--變頻器系統，永磁電動機系統和同步磁阻電動機系統等類型，驅動形式為傳動中央橋驅動，輪邊減速電動機驅動，輪輞減速電動輪驅動，輪轂電動輪驅動等，其中中央橋驅動和輪邊減速電動機驅動系統的主要缺點是減速器及電動機以橋或半橋的形式佔據較大得空間做不到整車超低地板，整車高度降不下來進而影響了整車的布局；輪輞減速電動輪雖然能克服上述缺點而且機械減速能帶來較大的紐矩和足夠的轉速範圍，但需開發的行星減速器和大口徑軸承及輪輞對接、大口徑油封等要求加工精度及技術含量高電機有效體積相對小等缺點，所以開發難度較大。
目前電動汽車用驅動電機以開關磁阻電動機和永磁無刷直流電動機為較理想，但它們如果不採用機械減速就無法使其額定功率與額定轉速充分發揮，換句話說電機的有效功率和轉速的利用率低影響了整車的效率；因而現有的電動機無法滿足電動汽車全程行駛要求。本發明的電動輪是一種不用機械減速可全程利用電機轉速及功率的電動機且功率可滿足大中型汽車的驅動及起動轉矩又能滿足高速轎車動力性能的電動機及其電動輪。

發明內容
本發明的目的是提供一種不用機械減速可全程利用電動機轉速及功率的中低速電動機且功率可滿足大中型汽車的驅動及起動轉矩又能滿足高速轎車動力性能的電動機及其電動輪。
本發明的電動機可分單相二衝程和三相三衝程電機，其中單相電機又分轉子永磁極數為繞組凸極數的2倍和轉子永磁極數與定子凸極數相同但繞組數為1/2的電動機；三相電機的轉子永磁極數為8或16極，繞組極數為12極，或轉子與定子極數互成倍數；該電機的電動輪分電動機、車輪和電磁製動器三部分組成的單相或三相電機；三衝程永磁變頻調速電動機電動輪是一種轉子為16極交錯排列於非磁性材料的永磁凸極，定子是用矽鋼片疊制的12個4象限串聯的簡單勵磁繞組凸極型三相變頻調速電機，輪轂電動輪電機是外轉子型，外轉子型電機的冷卻係為內液冷型；該電機是將開關磁阻電機的轉子鐵心凸極改變為永磁凸極型，並把永磁體以N-S-N-順序交錯排列使其具有選擇方向的功能從而可實現多相同時連續工作也可單相工作，轉子載體為非磁性材料鋁合金拆裝邊朝外的單體或聯體輪輞(可以是有輪輻型或無輪輻型)，輪輞內以N-S-N-順序交錯排列鑲嵌有永磁瓦面磁條，該電機因轉子為永磁型所以比同體積的開關磁阻電機繞組負擔小功率大又節能，輪輞的一側是開口供安裝定子用，開口處有端蓋，端蓋中央是軸承外環座孔，並設有軸承蓋；另一側電機端蓋與輪輞為一體，中央留有軸承外環座孔，其外側設有位置檢測器齒盤。定子是由空心軸、水道、導線通道、冷卻室、載體(導熱壁)、鐵心、凸極、繞組構成。車輪由1隻或2隻輪輞聯體澆鑄而成。電磁製動器由制動器架、磁極、磨片、蹄形體、制動環組成。


圖1為本發明的電動輪結構示意圖；圖2為本發明的三相外轉子型電動機結構示意圖；圖3為本發明的單相電動機結構示意圖；其中圖3-1是外轉子型電動機轉子磁極數為繞組凸極數的2倍；圖3-2是內轉子型轉子磁極數與定子凸極數相同但繞組數為1/2的電機結構示意圖；圖中1空心軸、2水道、3感應器、4磁極、5磨片、6制動鼓、7氣嘴、8後端體、9輪輞、10定子繞組、11鐵心、12載體、13冷卻室、14永磁體、15端蓋、16導線、17通道孔、18軸承、19調整器、20軸承蓋。
具體實施例方式
三衝程轉子永磁變頻調速電動機是一種轉子永磁型開關變頻調速三相電動機，其定子和轉子是凸極結構；定子是用矽鋼片疊制，轉子上以N-S-N-的順序交錯排列鑲嵌有瓦面永磁體；其輪轂電動輪的結構如圖1所示電機為外轉子型，定子繞組與電機軸即車輪軸為一體。空心軸1與鐵心11之間設有冷卻室13用良導熱高強鎂鋁合金澆鑄的載體12而成，空心軸壁上對稱有通向冷卻室13的上下水道2，空心軸1上設有若干對經冷卻室壁通向定子繞組10的導線16的通道孔17，鐵心11的凸極上設有簡單集中勵磁繞組10，由繞組10、凸極、鐵心11、載體12、冷卻室13、空心軸1組成定子。轉子是用非磁性材料鎂鋁合金將2隻輪輞9連在一起澆鑄並將轉子磁極(瓦面永磁體)14以N-S-N-的順序交錯鑲嵌在輪輞9瓦面而成。電機殼體非出軸處為開口式，供安裝定子用。出軸處的軸承座與機殼相連的為電機後端體8，其外側設有位置檢測齒盤上的感應器3，制動鼓6安裝在電機後端體或拆裝(單輪電動輪時為非拆裝邊)邊上，電磁製動器是由一個磁極4與制動器架為一體固定在空心軸1上，另一個磁極4與磨片5相接，兩極磁性相同時同性相斥制動器產生漲力磨片5與制動環6發生摩擦起到制動作用。制動器架上設有傳感感應器3，電機的端蓋15外緣與外拆裝邊相接，中央有軸承18外環座並設有軸承蓋20，電機使用可調整的錐型軸承18，靠調整器19調整軸承間隙。電機凸極是16/12結構，轉子上有16個永磁凸極以N-S-N-順序交錯排列，定子上有12個繞組凸極形成4象限串聯繞組轉子永磁3相開關變頻調速電動機。
如圖2所示電機由a-a1-a2-a3繞組、b-b1-b2-b3繞組、c-c1-c2-c3繞組各形成A、B、C三相凸極繞組定子，轉子由n1-s1-...-n8-s8-形成環型N-S-N-凸極永磁轉子。A相與定子N極對齊，定子B相與轉子依次的S極相鄰且大一個電度角(步進角)7.5°而定子C相與轉子依次的N極較遠即大2個電度角15°當向a、b為+a3、b3為-通電時A相和B相凸極都產生N極磁場，而C相凸極受B相和A相凸極根部的S極磁通顯示S性磁場與較近的轉子S極磁性相同與較遠的轉子N極磁性相異，此時a極與n1極(A相與N極)同性相斥產生推力，而b極與較近的s1極(B相與S極)異性相吸產生拉力與較遠的n2(B相與N極)產生弱同性相斥的推力，而c極與較近的s2(C相與S極)同性相斥與較遠的n2(C相與N極)產生弱異性相吸的拉力，這時s1與b(B相與S極)兩極對齊C相與N極相鄰；此時切換電源向b、c為-b3、c3為+供電時B相和C相凸極都產生S極磁場，而A相凸極受C相和B相凸極根部的N極磁通顯示N性磁場與較近的轉子N極磁性相同與較遠的轉子S極磁性相異，這時b極與s1極(B相與S極)同性相斥產生推力，而c極與n2極(C相與N極)異性相吸產生拉力與較遠的s2(C相與S極)產生弱同性相斥的推力，而a極與較近的n1(A相與N極)同性相斥，與較遠的s8(A相與S極)產生弱異性相吸的拉力，這時n2與c(C相與N極)兩極對齊A相與S極相鄰；此時切換電源向c、a為+c3、a3為-供電時C相和A相凸極都產生N極磁場，而B相凸極受A相和C相凸極根部的S極磁通顯示S性磁場與較近的轉子S極磁性相同與較遠的轉子N極磁性相異，這時c極與n2極(C相與N極)同性相斥產生推力，而a極與較近的s8極(A相與S極)異性相吸產生拉力與較遠的n1(A相與N極)產生弱同性相斥的推力；這時s8與a(A相與S極)兩極對齊C相與N極相鄰既完成了三相電機的一個工作循環過程共運轉了3個電度角(步進角)3×7.5°＝22.5°正好是一個轉子凸極角度，反向通電則電機反向運轉；如此以來電機的每前二相是直接工作而後一相則間接工作，即每繞組在每個工作循環中連續工作，轉子的所有永磁凸極同時全方位受力，電機工作平穩效率高功率大又節能，依此類推轉子轉一周需360/7.5＝48次切換電源方向；換句話說如若交流電源的頻率為48Hz時電機每秒轉一周即轉速為60RPM/48Hz；轉子的永磁凸極為4對時步進角為15°，電源頻率24Hz時電機每秒轉一周即轉速為60RPM/24Hz。
單相電機的外轉子型轉子磁極數為繞組凸極數2倍的電動機是繞組線圈將所有的鐵心凸極全部串聯的單相電動機如圖3-1所示；當定子凸極與轉子磁極N極對齊時即a1與n1對齊時若向繞組通電定子凸極上產生N性磁性時a1與n1即N極與定子凸極磁性相同同性相斥而s1與a1即S極與定子凸極磁性相異異性相吸產生拉力，轉子向逆時針方向運轉，S極與定子凸極對齊即；當s1與a1對齊此時改變電流方向使定子凸極產生S性磁性，因S極與定子磁性相同同性相斥產生推力而定子的S性磁性與轉子N極磁性相異異性相吸又產生拉力使轉子繼續向逆時針方向運轉；不斷改變電流方向電機就向逆時針方向繼續運轉；由於轉子永磁體以N-S-N-的順序交錯排列節能效果明顯。單相轉子磁極與定子凸極數相同的內轉子型電動機的工作方式是如圖3-2所示；因定子繞組是每隔一個凸極饒有線圈，所以當向繞組供電時如若定子繞組凸極產生N性磁性時每隔一個的非繞組凸極通過N性磁性的另一端S性磁性的磁通的作用下，形成N性磁性，與相鄰的凸極磁性相異正好與轉子磁極的交錯磁性相同；當轉子磁極與定子凸極對齊時即a1與n1對齊時向繞組供電使繞組產生N性磁性，非繞組凸極形成S性磁性，此時轉子磁性與定子磁性相同同性相斥而相鄰的非繞組凸極的磁性顯示S性磁性磁性相異異性相吸產生拉力，轉子n1向a′1方向運轉，A相與S極對齊即a1與s1對齊；此時改變電流方向使繞組凸極產生S性磁性，非繞組凸極形成N性磁性與轉子磁極磁性相同同性相斥產生推力，與鄰近的轉子磁性相異異性相吸產生拉力使轉子向順時針方向運轉；不斷改變電流方向電機轉子不斷地向順時針方向運轉。因電機繞組凸極隔極饒有線圈而非繞組又能利用繞組凸極的餘磁節能效果比上述電機更顯著。轉子永磁變頻調速電機的轉速與電流頻率成正比，與轉子磁極數成反比。
該電機繼承了開關磁阻電動機和永磁電機的優勢外還克服了它們的缺點，其中三相電機可以單相工作也可以三相同時連續工作(吸衝程、排衝程、間接衝程)，單相電機只有吸衝程和排衝程。電機體積小獨立永磁型轉子，轉矩大功率大效率高運轉平穩全方位工作節能變頻調速；因在非磁性載體的轉子上鑲有N-S-N-順序交錯排列的永磁體，因磁極(凸極)之間無氣隙可降低空氣阻力和噪音，定子凸極與轉子磁極之間互相制約可減少振動和噪音運轉平穩又能節電；每相繞組可連續工作提高了工作效率，三相電機同時工作的三相繞組順序是X相排-間接-吸-...衝程，而Y相是吸-排-間接-...衝程，另外間接工作的Z相是間接-吸-排-...衝程；間接衝程是以較強的排和弱吸衝程同時進行加之轉子是永磁型所以該電機比開關磁阻電機運轉會更加平穩提高轉矩遠大於200％，在此基礎上因三相同時帶動一個轉子所以比開關磁阻電機相對減小了負荷，因電機的一相是間接工作所以可節能33.3％以上，因電機軸是空心且內部液冷所以比同等體積的任何電機相比轉子與定子直徑即氣隙都大；外轉子型電機比內轉子型電機能多安排轉子磁極數所以轉速更低更適合無機械減速的電動輪，冷卻效果更好，相對體積更小，重量更輕，轉矩與功率更大，效率更高，運轉更平穩。獨立永磁外轉子型電機因氣隙大內定子為空心凸極繞組結構所以能夠低轉速大轉矩大功率高效率的工作，因轉子是電機外殼永磁體鑲嵌在外殼瓦面內側所以不會受離心力的作用而脫落；因轉子載體(電機殼)與定子載體(冷卻室壁)為鋁合金材料加之碩大的冷卻室及空心軸空隙所以比任何同體積或同功率的電機相比重量要輕的多，重量一般是同體積開關磁阻電機的80-90％而與同功率開關磁阻電機相比重量只有30％左右。
該電動輪結構簡單緊湊堅固成本低又節能；電機轉速低轉矩大功率大效率高運轉平穩不用任何機械減速都能滿足汽車行駛的全程轉速要求；電機配備了水冷反拖發電和電磁強制緊急制動器等；該電機調速範圍寬廣容易控制是電動汽車理想的驅動電機；因輪轂電動輪結構簡單緊湊堅固無須車橋可完全自由布置整車結構所以可廣泛應用於高檔超低地板大中型電動汽車及高速電動轎車。
本發明的電機也適用於內轉子型和外轉子型的單相或三相電動機與發電機，只要轉子磁極永磁體以N-S-N-順序交錯排列鑲嵌於非磁性材料的轉子載體上形成屏蔽永磁凸極，只要把繞組凸極與定子空心軸用非磁性良導熱材料澆鑄並形成中空冷卻室且引出與外界相通的通道，只要電機的吸衝程與排衝程連續工作，只要制動鼓與輪輞或輪輻相接均屬本發明範圍。
權利要求
1.一種轉子永磁變頻調速電機，由永磁轉子定子和軸組成，可以是單相也可以是三相電機，其特徵在於電機的轉子是在非磁性材料為載體的轉子上以N-S-N-的順序鑲嵌有瓦面永磁體形成屏蔽凸極的永磁轉子，其中單相外轉子型電機的轉子永磁極數是定子繞組凸極數的2倍，內轉子型單相電機的轉子永磁極數與定子凸極數相同。但繞組是每隔一個凸極設有線圈，繞組凸極為轉子永磁極數的1/2，工作方式是連續變頻交錯供電，轉子上的每個永磁極都有吸衝程和排衝程，三相電機的轉子永磁極數為8或16極，定子凸極數為12極，或轉子極數與定子極數互成倍數的4象限串聯的簡單勵磁繞組凸極，工作方式是2個相鄰的繞組同時變頻交錯的遞進供同一方向的電流產生同一種磁場，而第三相凸極受前2相凸極磁場磁通的影響形成另一種磁場使三相凸極同時工作，而且每相繞組都在一個工作循環中連續工作，轉子上的每個永磁磁極都有吸衝程、排衝程和間接衝程。
2.一種用權利要求1所述電機設計的單相或三相外轉子型輪轂電動輪，由車輪、定子、冷卻室、車軸和電磁製動器組成，其特徵在於，車輪即為外轉子型電機的永磁轉子，在鋁合金輪輞瓦面上以N-S-N-順序交錯間隔鑲嵌有瓦面永磁體，定子是在用矽鋼片疊制的鐵心上4象限串聯纏繞線圈的凸極定子，冷卻室是將定子與車軸用鋁合金澆鑄為一體且留有中空冷卻室並由冷卻室壁和空心車軸壁引出與外界相通的上下水道的冷卻室，車軸是中空厚壁鋼結構的電機軸，繞組導線接頭是經電機前端冷卻室壁與空心軸相接的部位設有的導線通道孔經空心軸中空引出，電機設有主軸承和副軸承，主軸承及調整器在電機後端體朝外，電磁製動器設在電機後端，制動器架上設有感應傳感器安裝孔並固定在車軸上，制動鼓安裝在電機後端體或輪輞邊上，感應齒盤安裝在電機後端體上，車輪與電機殼為一體或連為一體成為有輪輻型或無輪輻型，可以是單輪也可以是雙輪聯體式，也可以是電機與輪輞分體式。
全文摘要
本發明公開了一種轉子永磁變頻調速電機及其輪轂電動輪，電機的轉子是將永磁體以N－S－N－的順序交錯間隔排列鑲嵌於非磁性材料為載體的轉子上形成屏蔽凸極磁極，定子是用矽鋼片疊制的簡單勵磁繞組4象限串聯的凸極，單相電機是連續變頻供電只有吸衝程和排衝程，三相電機是鄰近2相同時變頻交錯遞進供同一種電流有吸衝程、排衝程和間接衝程，電機轉速與電流頻率成正比與轉子磁極數成反比；輪轂電動輪是外轉子型單相或三相轉子永磁變頻調速電機，車輪為電機殼，定子是將鐵心與車軸用鋁合金澆鑄形成中空冷卻室並引出與外界相通的上下水道，車軸即是電機軸為空心，制動器架上有傳感器安裝在車軸上，制動鼓安裝在電機後端體，感應齒盤裝在後端體上。
文檔編號H02K1/12GK1564429SQ20041003455
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月18日 優先權日2004年3月14日
發明者金勝虎 申請人:金勝虎