专利名称：无霍尔无磁钢电动车用电机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机械驱动装置技术领域，具体涉及一种无霍尔无磁钢电动车用电机系统。
背景技术：
目前，电动自行车、电动摩托车和电动汽车等多采用无刷直流电机驱动。无刷直流电动机的转子主要元件是磁钢，检测磁钢位置的传感器是磁敏元件霍尔。磁钢的主要成分是“工业黄金”，即稀土中的铷铁棚。由于稀土作为战略物资通常被国家管控和限制开采，因而稀土材料价格高。而电动车对其电机中的霍尔质量要求也很高，所以霍尔价格也高。这就决定了目前电动车电机的生产成本很高。其次，电动车的续行里程和电机的扭矩一直是人们追求的目标，电机的运行效率高低直接决定了电动车续行里程的长短。另外，由于电动车的使用环境比较复杂，霍尔很容易受静电及电机内部的高温影响而损伤。磁钢在使用一段时间后会退磁而影响电机的效率。这两点大大缩短了电机的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种无霍尔无磁钢电动车用电机系统，与现有技术相比，能为电动车提供良好的运行性能，且成本低，故障率低，使用寿命长。本发明所米用的技术方案是，一种无霍尔无磁钢电动车用电机系统，包括电机轴以及转动安装在电机轴上的轮辋，电机轴和轮辋构成电动车驱动轮轮体的主体部分，其特征在于，还包括由硅钢片叠压而成的圆环形定子和圆环形转子，定子固定安装在电机轴上，转子固定安装在轮辋的内侧表面上，转子位于定子的外侧且转子的内表面与定子的外表面不接触，电机轴、轮辋、定子和转子为同一中轴线；定子上周向均匀缠绕有线圈，线圈连接有电机相线，转子的内部周向分布、均匀镶嵌有多个导条，多个导条相互平行且均与电机轴的中轴线成一定角度设置，在转子的左右两侧表面分别固定有短路环，各导条的两个端部分别与对应侧的短路环相连接；还包括控制器，控制器与电机相线相连接，并用于向线圈输出产生旋转磁场的电压信号。还包括速度跟踪器，速度跟踪器安装在电动车驱动轮上，速度跟踪器的信号输出端与控制器相连接，速度跟踪器用于将获得该电动车驱动轮的实时速度传输给控制器，控制器还用于根据速度跟踪器的速度信号调整其输出驱动电压的周期。控制器包括CPU，CPU的输入端连接有电压变换电路、电动车调速电路以及电流检测与保护电路，CPU的输出端连接有驱动控制电路，驱动控制电路的输出端连接有MOS驱动电路，MOS驱动电路的输出端作为控制器的输出端用于和电机相线相连接，MOS驱动电路与电流检测与保护电路相连接，电压变换电路与驱动控制电路相连接，还包括控制器电源，控制器电源与电压变换电路以及MOS驱动电路相连接。速度跟踪器的信号输出端与CPU相连接。速度跟踪器为非接触式光电传感器或者霍尔传感器，霍尔传感器包括霍尔元件和多个磁钢，霍尔元件固定安装在电机轴上，多个磁钢均匀且轴向分布在电动车驱动轮上且随轮辋同步转动。轮辋上固定有转子固定片，转子固定片上设置有转子固定卡槽，转子固定在转子固定卡槽上。电机轴上固定安装有定子固定架，定子固定架上设置有定子固定卡槽，定子、固定在定子固定卡槽上。电机轴上位于定子的两侧各安装有一轴承，轴承的外部连接有竖直方向的用于防止灰尘进入的边盖，边盖与轮辋通过螺钉固定连接。电机轴上位于两个轴承的外侧各安装一油封。定子上开有多个线圈槽，线圈设置在线圈槽内。本发明无霍尔无磁钢电动车用电机系统的有益效果是I、转子不使用磁钢，定子上无霍尔元件，节约了稀土资源，且相对于现有电动车电机成本低，大大降低因霍尔而产生的电机故障，以及因磁钢退磁而降低电机性能的情况出现，结构简单，制造工艺简化，故障率低、大幅度提高了产品使用寿命。2、为了满足电动车在骑行过程中路况及负载不断变化的特点，设置速度跟踪器来感知其路况和负载变化，将信息传递给控制器，控制器对驱动波频率进行实时调整，使电动车在整个骑行过程中始终保持最高效率和转矩。
图I是本发明无霍尔无磁钢电动车用电机系统的结构示意图；图2是图I的局部放大图；图3是本发明的控制器的结构框图。其中，I.转子固定片，2.转子固定卡槽，3.导条，4.短路环，5.线圈，6.线圈槽，
7.定子固定卡槽，8.定子，9.定子固定架，10.速度跟踪器，10-1.磁钢，10-2.霍尔元件，
11.控制器，11-1. CPU，11-2.电压变换电路，11-3.电动车调速电路，11-4.电流检测与保护电路，11-5.支撑臂，11-6. MOS驱动电路，11-7.控制器电源，12.轴承，13.电机轴，14.边盖，15.螺钉，16.电机相线，17.信号输出端，18.转子，19.轮辋。
具体实施例方式如图I和图2所不，本发明一种无霍尔无磁钢电动车用电机系统,包括电机轴13 以及转动安装在电机轴13上的轮辋19，电机轴13和轮辋19构成电动车驱动轮轮体的主体部分。还包括由硅钢片叠压而成的圆环形定子8和圆环形转子18，定子8固定安装在电机轴13上，转子18固定安装在轮辋19的内侧表面上。转子18位于定子8的外侧，且转子 18的内表面与定子8的外表面不接触，电机轴13、轮辋19、定子8和转子18为同一中轴线。 轮辋19上固定有转子固定片1，转子固定片I上设置有转子固定卡槽2，转子18固定在转子固定卡槽2上。电机轴13上固定安装有定子固定架9,定子固定架9上设置有定子固定卡槽7，定子8固定在定子固定卡槽7上。定子8上周向均匀缠绕有线圈5。其中，定子8上开有多个线圈槽6，线圈5缠绕设置在线圈槽6内。线圈5连接有电机相线16，转子18的内部周向分布、均匀镶嵌有多个铝制导条3，多个导条3相互平行且均与电机轴13的中轴线成一定角度的倾斜设置，在转子 8的左右两侧表面分别固定有短路环4，各导条3的两个端部分别与对应侧的短路环4焊接连接。电机轴13上且位于定子8的两侧各安装有一轴承12，轴承12的外部连接有竖直方向的用于防止灰尘进入的边盖14，边盖14与轮辋19通过螺钉15固定连接。电机轴13 上位于两个轴承12的外侧各安装一油封12。速度跟踪器10安装在电动车驱动轮上，速度跟踪器10的信号输出端17与控制器 11相连接，速度跟踪器10用于将获得该电动车驱动轮的实时速度传输给控制器11。速度跟踪器10为非接触式光电传感器或者霍尔传感器。本实施例中，速度跟踪器为霍尔传感器，该霍尔传感器包括霍尔元件10-2和多个磁钢10-1，霍尔元件10-2固定安装在电机轴13上，多个磁钢10-1均匀且轴向分布在电动车驱动轮上且随轮辋19同步转动， 本实施例中，磁钢10-1均安装在边盖14上。如图3所示，还包括控制器11，控制器11与电机相线16相连接，并用于向线圈5 输出产生旋转磁场的电压信号，控制器11还用于根据速度跟踪器10传输的速度信号调整其输出驱动电压的周期。控制器11包括CPU11-1，CPUll-I的输入端连接有电压变换电路 11-2、电动车调速电路11-3以及电流检测与保护电路11-4，CPUll-I的输出端连接有驱动控制电路11-5，驱动控制电路11-5的输出端连接有MOS驱动电路11-6，MOS驱动电路11_6 的输出端作为控制器11的输出端与电机相线16相连接，还包括控制器电源11-7，控制器电源11-7为电池，且其与电压变换电路11-2以及MOS驱动电路11-6相连接。MOS驱动电路11-6与电流检测与保护电路11-4相连接，电压变换电路11-2与驱动控制电路11-5相连接。速度跟踪器10的信号输出端17与CPUll-I相连接。电机相线16和信号输出端17 随电机轴13的线槽引出。本发明的工作过程是本发明控制器11生成互成120度三相正弦交流电压，其中， CPUll-I为驱动控制电路11-5提供类似于互成120度的三相交流电压方波信号，方波积分后与正弦波等同，此时高次谐波很少，效率高；驱动控制电路11-5再相应控制MOS驱动电路 11-6的对应上下桥臂MOS开关管的打开与关闭，电机相线16接受这样的电压后通过线圈5 产生旋转磁场，此旋转磁场再感应转子18中的导条3，导条3会受到电磁力的作用而驱动转子18旋转，继而带动轮辋19旋转，驱动电动车运动。与普通交流电机不同的是，电动车在骑行过程中，电机转速要人为控制，骑行者通过转动电动车调速把，电动车调速把通过电动车调速电路11-3为控制器11提供相应的调速模拟电压，此电压在CPUll-I中经过A/D转换后，控制器11以此电压为依据来调整驱动电机的方波的周期，从而达到调控电电动车转速的目的。电流检测与保护电路11-4是用于测试本发明电机的驱动电流便于控制器控制其磁通以实现矢量控制并防止本发明电机长时启动或上坡等情况下，电机长时间过载运转和堵转而损坏电机和MOS驱动电路11-6，保证提供给电机的电流不能超过系统最大设定值。 当超过该系统最大设定值后，CPUll-I会降低驱动波的占空比，从而调整输出电压来降低电流，这样保证电机不在长时间的超载情况下工作。为了保证电动车在骑行过程中，本发明始终保持理想的转矩和效率，在电动车驱动轮上安装了速度跟踪器10。速度跟踪器10用于将获得该电动车驱动轮的实时速度，以本实施例选用的霍尔传感器为例，多个磁钢10-1(磁钢的数量根据电机的最高转数确定)固定在边盖14的外壁上，电动车在骑行时，边盖14和转子18同步转动，当磁钢10-1经过霍尔元件10-2表面时，霍尔元件10-2就感应出一组反映电动车实时转速信息的脉冲信号送A CPUl 1-1，CPUll-I据此信息做不同的处理I、保证电动车有较大的启动转矩电动车的启动转矩和最大转矩是电动车性能的一个主要指标，根据交流电机的机械特性T = f(s)曲线可知电动车的转矩会随着转差率的变化而变化，只有保证转差率在一个合适值范围，电机的转矩才会接近最大值。当电动车起步时，速度由0开始缓慢变化，这时，速度跟踪器10感知后，CPUll-I会将本发明电机的驱动波形频率进行实时调整，使之与转差率匹配，使电机有一个最大启动转矩和良好起步特性。2、保证电动车在骑行过程中良好的效率性能电动车在行驶过程中，往往调速把的位置不会经常变化，但道路的凹凸不平或负载均会经常变化，而且这些均会影响到电动车电机的转速。也就是说，电机转速的快慢反映了电动车骑行路面的平坦度和负载的变化。速度跟踪器10感知本发明电机的转速变化后，CPUll-I及时调整驱动波形的电压和频率，使其工作在特定频率对应的额定负载下。根据交流电机的T型等效电路及工作特性曲线在电压和频率一定时，电机在额定转矩附近有最高效率和功率因数，在电压一定但频率不同情况下也有相对应的不同工作特性曲线。为了追求电动车在整体骑行过程中本发明电机的最高效率和良好骑行性能，CPUll-I根据速度跟踪器10对转速的感知(也就是对负载变化的感知)，不仅调整驱动波的频率，而且在同一频率下调整驱动波的电压(也就调整了驱动电流和磁通)从而保证了电动车在整个骑行过程中的最高效率和功率因数。3、实现骑行过程中的“人机”匹配电动车在骑行过程中，速度依赖人为通过电动车调速把控制，但电动车在不平坦的路面上行驶时，骑行者想要得到的速度与电动车行驶实际速度往往是不一致的。此时，速度跟踪器10将实际速度信息反馈给控制器 CPUl 1-1，CPUll-I首先将调整驱动波频率使之与电动车实时速度相匹配，以保证有较高的效率，同时，CPU11-1不断将期望速度和实际速度进行比较，捕捉速度的变化，最终将二者一致，也就达到了骑行者控制车速的目的。也就是通过速度传感器10实现了电动车实时速度的“人机”匹配。
权利要求
1.一种无霍尔无磁钢电动车用电机系统，包括电机轴(13)以及转动安装在所述电机轴(13)上的轮辋(19)，所述电机轴(13)和轮辋(19)构成电动车驱动轮轮体的主体部分， 其特征在于，还包括由硅钢片叠压而成的圆环形定子(8)和圆环形转子(18)，所述定子(8) 固定安装在电机轴(13)上，所述转子(18)固定安装在轮辋(19)的内侧表面上，所述转子(18)位于定子(8)的外侧且转子(18)的内表面与定子(8)的外表面不接触，所述电机轴(13)、轮辋(19)、定子(8)和转子(18)为同一中轴线；所述定子(8)上周向均匀缠绕有线圈(5)，所述线圈(5)连接有电机相线(16)，所述转子(18)的内部周向分布、均匀镶嵌有多个导条(3)，所述多个导条(3)相互平行且均与电机轴(13)的中轴线成一定角度设置，在所述转子(8)的左右两侧表面分别固定有短路环(4)， 所述各导条(3)的两个端部分别与对应侧的短路环(4)相连接；还包括控制器(11)，所述控制器(11)与电机相线(16)相连接，并用于向线圈(5)输出产生旋转磁场的电压信号。
2.按照权利要求I所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，还包括速度跟踪器(10)，所述速度跟踪器(10)安装在电动车驱动轮上，所述速度跟踪器(10)的信号输出端(17)与控制器(11)相连接，所述速度跟踪器(10)用于将获得该电动车驱动轮的实时速度传输给控制器(11)，所述控制器(11)还用于根据速度跟踪器(10)的速度信号调整其输出驱动电压的周期。
3.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述控制器(11)包括CPU (11-1)，所述CPU (11-1)的输入端连接有电压变换电路(11-2)、电动车调速电路(11-3)以及电流检测与保护电路(11-4)，所述CPU(11-1)的输出端连接有驱动控制电路(11-5)，所述驱动控制电路(11-5)的输出端连接有MOS驱动电路(11-6)，所述MOS驱动电路(11-6)的输出端作为控制器(11)的输出端用于和电机相线(16)相连接,所述MOS 驱动电路(11-6)与电流检测与保护电路(11-4)相连接，所述电压变换电路(11-2)与驱动控制电路(11-5)相连接，还包括控制器电源(11-7)，所述控制器电源(11-7)与电压变换电路(11-2)以及MOS驱动电路(11-6)相连接。
4.按照权利要求3所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述速度跟踪器(10)的信号输出端(17)与CPU(Il-I)相连接。
5.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述速度跟踪器(10)为非接触式光电传感器或者霍尔传感器，所述霍尔传感器包括霍尔元件 (10-2)和多个磁钢(10-1)，所述霍尔元件(10-2)固定安装在电机轴(13)上，所述多个磁钢(10-1)均匀且轴向分布在电动车驱动轮上且随轮辋(19)同步转动。
6.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述轮辋(19)上固定有转子固定片(I)，所述转子固定片(I)上设置有转子固定卡槽(2)，所述转子(18)固定在转子固定卡槽(2)上。
7.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述电机轴(13)上固定安装有定子固定架(9)，所述定子固定架(9)上设置有定子固定卡槽(7)，所述定子(8)固定在定子固定卡槽(X)上。
8.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述电机轴(13)上且位于定子(8)的两侧各安装有一轴承(12)，所述轴承(12)的外部连接有竖直方向的用于防止灰尘进入的边盖(14)，所述边盖(14)与轮辋(19)通过螺钉(15)固定连接。
9.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述电机轴(13)上位于两个轴承(12)的外侧各安装一油封(12)。
10.按照权利要求I或2所述的无霍尔无磁钢电动车用电机系统，其特征在于，所述定子(8)上开有多个线圈槽(6)，所述线圈(5)设置在线圈槽(6)内。
全文摘要
本发明公开了一种无霍尔无磁钢电动车用电机系统，包括电机轴和轮辋，还包括定子和转子，定子固定安装在电机轴上，转子固定安装在轮辋的内侧表面上，定子上缠绕有线圈，线圈上接有电机相线，转子的内部镶嵌有多个导条，在转子的左右两侧表面分别固定有短路环，各导条的两个端部分别与对应侧的短路环相连接；还包括控制器，控制器与电机相线相连接。本发明与现有技术相比，能为电动车提供良好的运行性能，且成本低，故障率低，使用寿命长。
文档编号B60K7/00GK102616129SQ20121007547
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者寸晓鱼 申请人:寸晓鱼