复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机

摘要

复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，涉及轴向磁通电机领域。解决了现有轴向磁通电机弱磁能力差，无法实现高调速范围的问题。本发明同心式磁性联轴机构包括同轴设置、且存在工作间距的内套筒和外套筒，且二者相对的侧壁上均周向设有1号永磁体；内套筒的一个端面上开设有两个滑动槽；两个转子分别设置在同心式磁性联轴机构的两端，定子位于两个转子之间，且套设在外套筒外，并与外套筒存在工作间隙，定子固定在机壳上；第一个转子固定在外套筒上，且第一个转子上的两个限位挡壁分别位于内套筒的两个滑动槽内；第二个转子固定在内套筒上；两个转子的相对应的面上，均周向设置有2号永磁体。本发明主要应用在电动汽车领域。

权利要求

1.复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，包括轴向磁通永磁轮毂电机(1)，其特征在于，还包括同心式磁性联轴机构(2)、两个限位挡壁(3)和机壳；轴向磁通永磁轮毂电机(1)和同心式磁性联轴机构(2)同轴设置，且均位于机壳内；

轴向磁通永磁轮毂电机(1)包括两个转子(1‑1)和一个定子(1‑2)；两个转子(1‑1)均为圆盘形结构；两个限位挡壁(3)设置在第一个转子(1‑1)的内壁上，且二者沿其内壁的周向方向上设置，并指向该第一个转子(1‑1)的轴线；

同心式磁性联轴机构(2)包括同轴设置、且存在工作间距的内套筒(2‑1)和外套筒(2‑

2)，且二者相对的侧壁上均周向设有1号永磁体(2‑3)，且1号永磁体(2‑3)径向充磁；内套筒(2‑1)的一个端面上开设有两个滑动槽(2‑1‑1)；

两个转子(1‑1)分别设置在同心式磁性联轴机构(2)的两端，定子(1‑2)位于两个转子(1‑1)之间，且套设在外套筒(2‑2)外，并与外套筒(2‑2)存在工作间隙，定子(1‑2)固定在机壳上；定子(1‑2)与两个转子(1‑1)间存在间隙；

第一个转子(1‑1)固定在外套筒(2‑2)上，且第一个转子(1‑1)上的两个限位挡壁(3)分别在内套筒(2‑1)的两个滑动槽(2‑1‑1)内；第二个转子(1‑1)固定在内套筒(2‑1)上；两个转子(1‑1)的相对应的面上，均周向设置有2号永磁体(1‑3)，且2号永磁体(1‑3)的充磁方向为轴向充磁；

当第一个转子(1‑1)上的两个限位挡壁(3)分别在内套筒(2‑1)的两个滑动槽(2‑1‑1)内转动的过程中，两个转子(1‑1)分别进行运动，且二者转速不同；

当第一个转子(1‑1)上的两个限位挡壁(3)分别在内套筒(2‑1)的两个滑动槽(2‑1‑1)内转动后，且被所在的滑动槽(2‑1‑1)的壁面遮挡限位时，两个转子(1‑1)同步运动；

利用轴向磁通永磁轮毂电机(1)串联和并联磁路的变换，实现提高电机弱磁能力的目标，通过两个转子(1‑1)之间的同心式磁性联轴机构(2)，实现两个转子(1‑1)之间的磁性连接，同心式磁性联轴机构(2)的内、外套筒之间，由于输出转矩的改变而造成相对位置的改变，输出转矩的变化改变两个转子(1‑1)的相对位置关系，从而改变整机磁路，继而影响定子(1‑2)上绕组合成电动势，实现电机合成电动势从零到最大之间的自主调节，改善电机弱磁能力。

2.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，定子(1‑2)为YASA结构或有轭结构；

定子(1‑2)包括定子铁心和定子绕组，定子绕组设置在定子铁心上，用于注入三相交流电。

3.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，两个转子(1‑1)上的2号永磁体(1‑3)采用表贴式或内置式安装结构。

4.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，内套筒(2‑

1)的外侧壁上的相邻的两个1号永磁体(2‑3)的充磁方向相反；

外套筒(2‑2)的内壁上的相邻的两个1号永磁体(2‑3)的充磁方向相反。

5.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，每个转子(1‑1)上的相邻的两个2号永磁体(1‑3)的充磁方向相反。

6.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，第一个转子(1‑1)与外套筒(2‑2)为一体件；第二个转子(1‑1)与内套筒(2‑1)为一体件。

7.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，依次经由每个转子(1‑1)上的极性为N的2号永磁体(1‑3)、所述转子(1‑1)与定子(1‑2)间的间隙、定子(1‑2)、所述转子(1‑1)与定子(1‑2)间的间隙、所述转子(1‑1)上的极性为S的2号永磁体(1‑

3)间形成闭合磁路。

8.根据权利要求1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，其特征在于，限位挡壁(3)为圆环段，且圆环段的外径与转子(1‑1)的内径相同；

圆环段的外径大于其内径。

说明书

复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机

技术领域

[0001] 本发明涉及轴向磁通电机领域。

背景技术

[0002] 轴向磁通电机扁平的结构，非常契合电动汽车扁平状轮辋空间，采用轮毂电机驱动电动汽车的方式，更易提高车辆操纵性，且可以节省多级传动机械装置，提高整车的空间利用率。此外，轴向磁通电机采用多级结构，不仅可以抵消较大的轴向力，还可以提高整机峰值转矩。但缺点在于弱磁能力差，无法实现高调速范围。因此，充分发挥轴向磁通电机扁平的空间优势和高转矩密度的优势，并开发其弱磁能力具有重要理论意义和实际应用价值。

发明内容

[0003] 本发明目的是为了解决现有轴向磁通电机弱磁能力差，无法实现高调速范围的问题，本发明提供了一种复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机。

[0004] 复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，包括轴向磁通永磁轮毂电机，还包括同心式磁性联轴机构、两个限位挡壁和机壳；轴向磁通永磁轮毂电机和同心式磁性联轴机构同轴设置，且均位于机壳内；

[0005] 轴向磁通永磁轮毂电机包括两个转子和一个定子；两个转子均为圆盘形结构；两个限位挡壁设置在第一个转子的内壁上，且二者沿其内壁的周向方向上设置，并指向该第一个转子的轴线；

[0006] 同心式磁性联轴机构包括同轴设置、且存在工作间距的内套筒和外套筒，且二者相对的侧壁上均周向设有1号永磁体，且1号永磁体径向充磁；内套筒的一个端面上开设有两个滑动槽；

[0007] 两个转子分别设置在同心式磁性联轴机构的两端，定子位于两个转子之间，且套设在外套筒外，并与外套筒存在工作间隙，定子固定在机壳上；定子与两个转子间存在间隙；

[0008] 第一个转子固定在外套筒上，且第一个转子上的两个限位挡壁分别在内套筒的两个滑动槽内；第二个转子固定在内套筒上；两个转子的相对应的面上，均周向设置有2号永磁体，且2号永磁体的充磁方向为轴向充磁；

[0009] 当第一个转子上的两个限位挡壁分别在内套筒的两个滑动槽内转动的过程中，两个转子分别进行运动，且二者转速不同；

[0010] 当第一个转子上的两个限位挡壁分别在内套筒的两个滑动槽内转动后，且被所在的滑动槽的壁面遮挡限位时，两个转子同步运动。

[0011] 优选的是，定子为YASA结构或有轭结构；

[0012] 定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组设置在定子铁心上，用于注入三相交流电。

[0013] 优选的是，两个转子上的2号永磁体采用表贴式或内置式安装结构。

[0014] 优选的是，内套筒的外侧壁上的相邻的两个1号永磁体的充磁方向相反；

[0015] 外套筒的内壁上的相邻的两个1号永磁体的充磁方向相反。

[0016] 优选的是，每个转子上的相邻的两个2号永磁体的充磁方向相反。

[0017] 优选的是，第一个转子与外套筒为一体件；第二个转子与内套筒为一体件。

[0018] 优选的是，依次经由每个转子上的极性为N的2号永磁体、所述转子与定子间的间隙、定子、所述转子与定子间的间隙、所述转子上的极性为S的2号永磁体间形成闭合磁路。

[0019] 优选的是，限位挡壁为圆环段，且圆环段的外径与转子的内径相同；

[0020] 圆环段的外径大于其内径。

[0021] 原理分析：

[0022] 本发明利用轴向磁通电机串联和并联磁路的变换，实现提高电机弱磁能力的目标，通过两个转子之间的同心式磁性联轴机构，实现两个转子之间的磁性连接，同心式磁性联轴机构的内、外套筒之间，由于输出转矩的改变而造成相对位置的改变，即输出转矩的变化可以改变两个转子的相对位置关系，从而改变整机磁路，继而影响定子上绕组合成电动势，实现电机合成电动势从零到最大之间的自主调节，最终改善电机弱磁能力。

[0023] 当轮毂电机的两个转子相对永磁体磁极极性相同时，可视为并联磁路，而磁性联轴机构传递的转矩与其转角存在函数关系，在高速运行范围内，当轮毂电机速度提高时，转矩随之下降，联轴结构的转矩随之下降，从而改变轮毂电机两个转子的相对位置关系，从并联磁路逐渐转化成串联磁路，因此，定子绕组的合成电动势随之下降，电机更易满足高速运行工况。

[0024] 对于本发明以定子有轭结构的电机为例，当轮毂电机的相对的两个永磁体NN极相对时，此时磁通路径为并联，定子绕组可以设计连接方式，使得所产生的合成电动势最大，而当轮毂电机转子发生错位时，NN相对逐渐转化成NS相对，定子绕组的合成电动势随之减小，理想状态下为0，在母线电压的限制下，合成电动势下降，转速有提高的空间。

[0025] 本发明带来的有益效果是：本发明所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，是一种分段式力矩耦合型轴向磁通永磁轮毂电机，适用于汽车扁平状轮辋的空间结构，且在保证轴向磁通电机高转矩密度的同时，通过同心式磁性联轴机构有效提高电机的弱磁能力。本发明将轴向磁通永磁轮毂电机和同心式磁性联轴机构集成在一起，且同心式磁性联轴机构为本发明设计的新型结构。本发明两个转子分别设置在同心式磁性联轴机构的两端，且定子套设在同心式磁性联轴机构上，可节省轴向磁通永磁轮毂电机中间的空间，而轮毂电机的转子可以根据需求，且轴向磁通永磁轮毂电机的输出应与同心式磁性联轴机构的输出相匹配实现自主调节两个转子的相对位置。充分发挥轴向磁通永磁轮毂电机的物理空间和电磁空间的优势，实现轴向磁通永磁轮毂电机与同心式磁性联轴机构之间的高度集成，实现轴向磁通电机兼顾高转矩密度和宽弱磁范围的目标，为轴向磁通电机在电动轮中的应用提供技术预研。

[0026] 本发明包括轴向磁通永磁轮毂电机、同心式磁性联轴机构、两个限位挡壁和机壳，且轮毂电机是双转子、单定子结构，定子可以采用有轭结构或者YASA结构，绕组形式为传统的三相或多相绕组结构，本发明电机同负载端通过磁性联轴机构相连，第一个转子与同心式磁性联轴机构的外套筒相连，作为耦合端，而第二个转子与同心式磁性联轴机构的内套筒相连，作为直连端；当同心式磁性联轴机构未被刚性挡壁限位时，耦合端与直连端通过同心式磁性联轴机构的内、外套筒上的1号永磁体相互作用传递转矩，而当同心式磁性联轴机构被刚性挡壁限位时，此时，磁性连接转换成刚性连接，来传递转矩。

[0027] 通过传递转矩的大小来改同心式磁性联轴机构内、外套筒的相对位置，进而改变轮毂电机中两个转子之间的相对角度，最终影响定子上合成电动势的大小，实现弱磁扩速的目标，而现在技术中由于母线电压限制，导致于定子上合成电动势的限制，最终导致速度的限制；反电势与转速和磁密的乘积成正比，而本发明在电机整体结构上进行改进，利用同心式磁性联轴机构，改变轮毂电机的两个转子之间的相对位置关系，从而改变轮毂电机的磁路变化，也即以降低磁密的方式，在母线电压的限制之下，提高电机的转速。

附图说明

[0028] 图1为复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机轴向剖视图；

[0029] 图2为同心式磁性联轴机构2结构示意图；其中，图2a为同心式磁性联轴机构2三维结构示意图；图2b为同心式磁性联轴机构2的径向剖视图；

[0030] 图3是复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机的三维结构示意图；

[0031] 图4是去除定子1‑2后的合式轴向磁通永磁同步轮毂电机的三维结构示意图；

[0032] 图5是定子1‑2的三维结构示意图；

[0033] 图6是第一个转子1‑1与外套筒2‑2之间的相对位置关系图；

[0034] 图7是第二个转子1‑1与内套筒2‑1之间的相对位置关系图；

[0035] 图8是两个转子1‑1相对位置变化磁路及合成电动势相量示意图；其中，图8a为两个转子1‑1的相对位置关系图，图8b为定子1‑2上的绕组中合成电动势相量示意图。

[0036] α为两个的转子1‑1的错位角度，A+为A相绕组电流流入方向，A‑为A相绕组电流流出方向，B+为B相绕组电流流入方向，B‑为B相绕组电流流出方向，C+为C相绕组电流流入方向，C‑为C相绕组电流流出方向， 为定子1‑2上左侧气隙所对应绕组的电动势， 为定子1‑2上右侧气隙所对应绕组的电动势， 为合成电动势。

具体实施方式

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0039] 实施例1:

[0040] 参见图1至图7说明本实施例，本实施例1所述的复合式轴向磁通永磁同步轮毂电机，包括轴向磁通永磁轮毂电机1，还包括同心式磁性联轴机构2、两个限位挡壁3和机壳；轴向磁通永磁轮毂电机1和同心式磁性联轴机构2同轴设置，且均位于机壳内；

[0041] 轴向磁通永磁轮毂电机1包括两个转子1‑1和一个定子1‑2；两个转子1‑1均为圆盘形结构；两个限位挡壁3设置在第一个转子1‑1的内壁上，且二者沿其内壁的周向方向上设置，并指向该第一个转子1‑1的轴线；

[0042] 同心式磁性联轴机构2包括同轴设置、且存在工作间距的内套筒2‑1和外套筒2‑2，且二者相对的侧壁上均周向设有1号永磁体2‑3，且1号永磁体2‑3径向充磁；内套筒2‑1的一个端面上开设有两个滑动槽2‑1‑1；

[0043] 两个转子1‑1分别设置在同心式磁性联轴机构2的两端，定子1‑2位于两个转子1‑1之间，且套设在外套筒2‑2外，并与外套筒2‑2存在工作间隙，定子1‑2固定在机壳上；定子1‑2与两个转子1‑1间存在间隙；

[0044] 第一个转子1‑1固定在外套筒2‑2上，且第一个转子1‑1上的两个限位挡壁3分别在内套筒2‑1的两个滑动槽2‑1‑1内；第二个转子1‑1固定在内套筒2‑1上；两个转子1‑1的相对应的面上，均周向设置有2号永磁体1‑3，且2号永磁体1‑3的充磁方向为轴向充磁；

[0045] 当第一个转子1‑1上的两个限位挡壁3分别在内套筒2‑1的两个滑动槽2‑1‑1内转动的过程中，两个转子1‑1分别进行运动，且二者转速不同；

[0046] 当第一个转子1‑1上的两个限位挡壁3分别在内套筒2‑1的两个滑动槽2‑1‑1内转动后，且被所在的滑动槽2‑1‑1的壁面遮挡限位时，两个转子1‑1同步运动。

[0047] 本实施方式中，同心式磁性联轴机构2的作用有两个，第一个作用是传递电磁转矩，内、外套筒上的1号永磁体2‑3相互发生磁性作用，将轴向磁通永磁轮毂电机1的两个转子1‑1上的2号永磁体1‑3和定子1‑2的绕组通入三相电流后产生的磁场相互作用，产生的电磁转矩传递到负载上；第二个作用是改变轮毂电机磁路，实现电机弱磁扩速的功能，同心式磁性联轴机构2的内套筒2‑1与第二个转子1‑1相连，当内、外套筒转矩发生变化时，同心式磁性联轴机构2会带动第一个转子1‑1转动，且第一个转子1‑1与第二个转子1‑1产生错位，从而改变绕组合成电动势的大小，合成电动势的降低，有助于提高电机的最大转速，实现弱磁扩速的功能。

[0048] 结合图2说明，由于同心式磁性联轴机构2传递的转矩大小与内、外套筒的半径、轴向长度、永磁体磁化方向长度、永磁体剩余磁化强度、内与外套筒上布设的永磁体之间的工作气隙、气隙长度和内、外套筒的相对转角等相关，且为保证同心式磁性联轴机构2传递最大转矩时轴向磁通永磁轮毂电机1也处于最大转矩输出位置，因此，需要对同心式磁性联轴机构2的最大转角进行设计、设置机械限位，且该机械限位为限位挡壁3；限位挡壁3保证在电机运行在最大转矩位置时发挥限位的作用，可以实现，电机在过载运行状态下的磁性连接转化为机械刚性连接，可以更好地发挥电机的过载能力。

[0049] 更进一步的，定子1‑2为YASA结构或有轭结构；

[0050] 定子1‑2包括定子铁心和定子绕组，定子绕组设置在定子铁心上，用于注入三相交流电。

[0051] 更进一步的，参见图3、4和6，两个转子1‑1上的2号永磁体1‑3采用表贴式或内置式安装结构。

[0052] 更进一步的，内套筒2‑1的外侧壁上的相邻的两个1号永磁体2‑3的充磁方向相反；

[0053] 外套筒2‑2的内壁上的相邻的两个1号永磁体2‑3的充磁方向相反。

[0054] 更进一步的，参见图3、4和6，每个转子1‑1上的相邻的两个2号永磁体1‑3的充磁方向相反。

[0055] 更进一步的，第一个转子1‑1与外套筒2‑2为一体件；第二个转子1‑1与内套筒2‑1为一体件。

[0056] 更进一步的，依次经由每个转子1‑1上的极性为N的2号永磁体1‑3、所述转子1‑1与定子1‑2间的间隙、定子1‑2、所述转子1‑1与定子1‑2间的间隙、所述转子1‑1上的极性为S的2号永磁体1‑3间形成闭合磁路。

[0057] 更进一步的，限位挡壁3为圆环段，且圆环段的外径与转子1‑1的内径相同；圆环段的外径大于其内径。

[0058] 磁路变化对合成电动势影响的原理：结合图8说明，当两个转子1‑1之间错开一定角度时，电机在并联磁路(N‑N)(即：第一个转子1‑1上的任意一个2号永磁体1‑3与第二个转子1‑1上的所对应的2号永磁体1‑3的极性均为N极)和串联磁路(N‑S)(即：第一个转子1‑1上的任意一个2号永磁体1‑3与第二个转子1‑1上的所对应的2号永磁体1‑3的极性相反，一个N极、另一个为S极)之间转换，由于定子1‑2上绕组的连接方式不变，因此，两个转子1‑1上相对设置的2号永磁体1‑3，均为N‑N对齐时，两侧绕组的合成电动势最大，而两个转子1‑1错开180°电角度时，N‑S对齐，两侧绕组的合成电动势为0。

[0059] 图8中，以有轭定子结构的轴向磁通电机的磁路为例来描述轮毂电机的弱磁原理：对于有轭定子结构的电机而言，当两个转子1‑1上相对设置的永磁体N‑N相对时，此时磁通路径定义为并联磁路，详细描述为：从第一个转子1‑1上极性为N的永磁体作为起始，磁通经过左侧工作气隙，进入定子齿，然后经过定子轭部后，流经左侧工作气隙，进入第一个转子
1‑1上极性为S的永磁体，然后流经第一个转子1‑1的轭部后回到第一个转子1‑1的起始N极，形成闭合回路；

[0060] 而当轮毂电机的两个转子1‑1错位至相对设置的永磁体N‑S相对时，此时磁路可以称为串联磁路，详细描述为，参见图8a，从第一个转子1‑1上极性为N的永磁体作为起始，磁通经过左侧工作气隙，进入定子，然后流经定子齿部、轭部和齿部后，经过右侧工作气隙进入第二个转子1‑1的S极，然后流经第二个转子1‑1的轭部后进入第二个转子1‑1的N极，之后磁通接连流经右侧工作气隙、定子齿、定子轭、定子齿、左侧工作气隙后，进入第一个转子1‑1的S极，然后流经第一个转子1‑1的轭部后回到第一个转子1‑1的起始极性为N的永磁体，形成闭合回路。

[0061] 从图8b来看，对本电机而言，左侧绕组产生的电动势为 右侧绕组产生的电动势为 当轮毂电机的两个转子1‑1上相对设置的永磁体是NN相对时(也即：N极与N极相对)，和 同向，α＝0°，此时合成电动势 最大；而当轮毂电机的两个转子1‑1发生错位时，此时NN相对磁极之间存在α的错位角，存在α＝α0的角度差，此时合成电动势 减少；而当NS相对时，α＝180°， 和 反向，合成电动势为0。合成电动势降低可以提高电机运行速度范围。

[0062] 轴向磁通轮毂电机原理：结合图2说明，两个转子通过磁性联轴器磁性连接而不再是通过机械轴刚性连接，中间定子采用传统的绕组结构，分别与两个转子作用产生电磁转矩，且左侧子电机与磁性联轴器的外转子相连，而右侧子电机与磁性联轴器的内转子相连，而右侧子电机的轴与负载端相连，左侧子电机通过磁性耦合，与右侧子电机共同将转矩传递给负载端。

[0063] 虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。