齿槽式轮毂电机的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种齿槽式轮毂电机，包括：圆环形的转子，所述转子的内侧壁上具有多个转子齿；位于所述转子限定的容纳空间中的定子，所述定子的外侧壁上具有多个定子齿，所述多个定子齿与所述多个转子齿之间具有气隙；缠绕在所述多个定子齿上的励磁绕组；以及缠绕在所述多个定子齿上的电枢绕组。本实用新型的齿槽式轮毂电机省去了机械式齿轮系统，电机结构简单，且能够提供高扭矩和低扭矩输出。
【专利说明】
齿槽式轮穀电机
技术领域
[0001]本实用新型涉及电机领域，具体涉及轮毂电机。
【背景技术】
[0002]电动汽车在不同情况下需要不同的动力，例如在启动时，需要低转速高扭矩，而在高速运行中，则需要高转速低扭矩。现有的电动汽车的动力装置采用单一的低转速高扭矩电机或高转速低扭矩电机，为了能够在不同运行情况下提供高扭矩和低扭矩输出，通常利用机械式齿轮系统(例如齿轮箱)中的机械齿轮传递扭矩。机械齿轮的缺点是需要润滑和定期维修，而且齿轮的机械磨损快、寿命短、噪音大。
【实用新型内容】
[0003]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种齿槽式轮毂电机，包括:
[0004]圆环形的转子，所述转子的内侧壁上具有多个转子齿；
[0005]位于所述转子限定的容纳空间中的定子，所述定子的外侧壁上具有多个定子齿，所述多个定子齿与所述多个转子齿之间具有气隙；
[0006]缠绕在所述多个定子齿上的励磁绕组；以及
[0007]缠绕在所述多个定子齿上的电枢绕组。
[0008]优选的，所述转子齿的数目为偶数，所述定子齿的数目为偶数。
[0009]优选的，所述转子齿的数目不等于所述定子齿的数目。
[0010]优选的，所述转子齿的数目与所述定子齿的数目的差值的绝对值为2。
[0011]优选的，所述多个转子齿沿所述转子的内侧壁的周向均匀分布。
[0012]优选的，所述多个定子齿沿所述定子的外侧壁的周向均匀分布。
[0013]优选的，所述励磁绕组为集中式绕组。
[0014]优选的，所述电枢绕组为集中式绕组。
[0015]优选的，所述多个定子齿中任意相邻的两个定子齿限定了定子凹槽，所述励磁绕组缠绕在所述定子凹槽的底部。
[0016]优选的，所述电枢绕组缠绕在所述多个定子齿的端部。
[0017]优选的，所述定子具有呈柱状的定子轴，所述定子与所述转子同轴设置。
[0018]优选的，所述齿槽式轮毂电机还包括与所述励磁绕组相连的多个第一开关装置，以及与所述电枢绕组相连的多个第二开关装置，所述多个第一开关装置和多个第二开关装置被控制为使得所述励磁绕组形成的磁场极对数与所述电枢绕组形成的磁场极对数满足如下关系式:
[0019]|Ns±eNr| = |Pa±ePf I 关 Pa^Pf^2Pa^2Pf
[0020]其中，Ns为所述多个定子齿的数目，Nr为所述多个转子齿的数目，Pa为所述电枢绕组形成的磁场极对数，Pf为所述励磁绕组形成的磁场极对数，ε为正整数。
[0021]本实用新型的齿槽式轮毂电机省去了机械式齿轮系统，电机结构简单，且能够根据需要提供高扭矩和低扭矩输出。同时电机可由非永磁材料制造，提高了机械强度，同时降低了损耗和制造成本。
【附图说明】
[0022]以下参照附图对本实用新型实施例作进一步说明，其中:
[0023]图1是根据本实用新型较佳实施例的齿槽式轮毂电机的示意图。
[0024]图2是图1所示的齿槽式轮毂电机中的转子的示意图。
[0025]图3是图1所示的齿槽式轮毂电机中的定子的示意图。
[0026]图4是图1所示的齿槽式轮毂电机中的励磁绕组和电枢绕组缠绕在定子齿上的示意图。
[0027]图5是图1所示的齿槽式轮毂电机中的转子、定子和电枢绕组的示意图。
[0028]图6是图1所示的齿槽式轮毂电机在两种不同操作模式下的扭矩曲线图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。
[0030]图1是根据本实用新型较佳实施例的齿槽式轮毂电机的示意图。如图1所示，齿槽式轮毂电机I包括圆环形的转子11，以及位于转子11限定的容纳空间中的定子12，其中定子12与转子11同轴设置。
[0031]图2是转子11的示意图。如图1和2所示，转子11的内侧壁的周向均匀分布有50个转子齿111，任意相邻的两个转子齿111之间限定了一个转子凹槽112，从而转子11呈齿槽式结构(或凸极结构)。转子11上无绕组，其可以采用非永磁材料制造。例如由硅钢片冲压形成齿槽，然后叠压而成，制造成本低、机械强度大、可用于超高速运转。
[0032]图3是定子12的示意图。如图1和3所示，定子12的中心具有呈圆柱状的定子轴122，定子12的外侧壁的周向均匀分布有48个定子齿121，任意相邻的两个定子齿121之间限定了一个定子凹槽123，从而定子12呈凹槽式结构(或凸极结构)。定子齿121和转子齿111之间具有气隙，气隙确保了转子11自由转动，同时避免发生“扫膛”现象。
[0033]图4是缠绕在定子齿121上的绕组的示意图。如图4所示，齿槽式轮毂电机10还包括缠绕在定子齿121上的励磁绕组131，以及缠绕在定子齿121上的电枢绕组132。电枢绕组132中的每一个绕组缠绕在一个定子齿121的端部，励磁绕组131中的每一个绕组缠绕在相邻的四个定子齿121上，且励磁绕组131位于定子凹槽123的底部。
[0034]根据本发明的其他实施例，定子齿121的数目Ns= 2.m.i(本实施例中Ns为48，m为电机相数，i为正整数)，转子齿111的数目Nr = Ns±2.j(本实施例中Nr为50，j为正整数)。因此图5所示的转子11、定子12以及电枢绕组可看作一个开关磁阻电机。
[0035]本领域的技术人员可知，开关磁阻电机的运行原理是磁阻最小原理。即磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，即一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合。
[0036]在图5所示的开关磁阻电机中，电枢绕组132中所有径向相对的绕组分别串联起来形成一相绕组，例如径向相对的绕组1321、1321’串联起来形成一相绕组，径向相对的绕组13213、13213’串联起来形成一相绕组，径向相对的绕组13224、13224’串联起来形成一相绕组，因此电枢绕组132共形成24相绕组。控制器(图5未示出)依次给电枢绕组132中的每相绕组通电，例如按绕组1321、1321’-……-绕组13213、13213’-……-绕组13224、13224’-绕组1321、1321’的顺序通电，从而使得转子11逆励磁顺序方向(在图5中是逆时针)连续旋转。改变电枢绕组132中的每相绕组的通电顺序，即可改变转子11的转向。
[0037]假定电枢绕组132中每相绕组的开关频率(即电源输出频率)为f，齿槽式轮毂电机I的转速(r/min) = (60.f)/(m.Nr)。因此，控制器控制每相绕组以较高频率(例如几千赫兹?100千赫兹)依次导通，此时齿槽式轮毂电机I即作为高速电动机，从而具有高转速低扭矩的功能，并且速度连续可调、调速范围宽、效率高。
[0038]齿槽式轮毂电机I中的48个定子齿121沿定子12的周向均匀分布，且50个转子齿111沿着转子11的周向均匀分布，从而避免单边磁拉力，使得转子11能够顺利、连续旋转。
[0039]根据本发明的其他实施例，定子齿121的数目和转子齿111的数目应尽可能相近，两者差值的绝对值最好为2，这样可以增加定子12上的相绕组电感随转角的平均变化率，从而提高电机的输出力。
[0040]本领域的技术人员可知电机相数m越大，则步距角越小，越有利于减小转矩脉动，但成本越高。本实用新型并不意欲对电机相数m进行限定，可以根据实际情况综合考虑从而设定电机相数m的数值。
[0041]当电动汽车在启动或爬坡时，由于励磁绕组131和电枢绕组132都为集中式绕组，控制器能方便地控制与励磁绕组131相连的继电器(图1未示出)以及与电枢绕组132相连的继电器(图1未示出)的开关状态，从而使得电枢绕组132形成的磁场极对数Pa和励磁绕组131形成的磁场极对数Pf满足如下关系式:
[0042]Ns±eNr| = |Pa±ePf| 关pa^pf^2P#2Pf，其中ε为正整数。
[0043]例如使得励磁绕组131形成磁场极对数Pf为6，电枢绕组132形成磁场极对数Pa*8。由于Pa^Pf，且定子齿121的数目Ns不等于转子齿111的数目Nr，基于游标电机的游标效应(转子转动很小的机械角度，转子磁场的轴线相应变化很大的角度，从而与定子产生的高速磁场相匹配)，从物理模型来看，定子产生的高速旋转磁场是通过一个虚拟的齿轮箱减速传递到转子，转子磁场低速旋转，定子旋转磁场与转子磁场相互作用以带动转子旋转运动，从而产生高扭矩。
[0044]例如当电枢绕组132接入电流频率ω3为50取的交流电，且励磁绕组131中使用直流励磁时，则转子11的转速=(60.ua)/Nr = 60r/min。此时齿槽式轮毂电机I作为低速电动机，从而具有低转速高扭矩的功能。
[0045]图6是图1所示的齿槽式轮毂电机I在两种不同操作模式下的扭矩曲线图。从图6可以看出，齿槽式轮毂电机I作为游标电机使用时，能稳定提供大约950牛?米(N.m)的扭矩，从而使得电动汽车具有非常快的启动能力。齿槽式轮毂电机I中的一部分作为开关磁阻电机使用时，能稳定提供大约42N.m的扭矩，从而使得电动汽车高速行驶。
[0046]本实用新型的齿槽式轮毂电机I能分别提供低扭矩和高扭矩输出，且不具有机械齿轮系统。另外定子和转子都可以由非永磁材料制造，避免了采用永磁材料在特定环境中失磁的问题。降低了制造成本、散热和功率损耗。
[0047]虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
【主权项】
1.一种齿槽式轮毂电机，其特征在于，包括: 圆环形的转子，所述转子的内侧壁上具有多个转子齿； 位于所述转子限定的容纳空间中的定子，所述定子的外侧壁上具有多个定子齿，所述多个定子齿与所述多个转子齿之间具有气隙； 缠绕在所述多个定子齿上的励磁绕组；以及 缠绕在所述多个定子齿上的电枢绕组。2.根据权利要求1所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述转子齿的数目为偶数，所述定子齿的数目为偶数。3.根据权利要求2所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述转子齿的数目不等于所述定子齿的数目。4.根据权利要求3所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述转子齿的数目与所述定子齿的数目的差值的绝对值为2。5.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述多个转子齿沿所述转子的内侧壁的周向均匀分布。6.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述多个定子齿沿所述定子的外侧壁的周向均匀分布。7.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述励磁绕组为集中式绕组。8.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述电枢绕组为集中式绕组。9.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述多个定子齿中任意相邻的两个定子齿限定了定子凹槽，所述励磁绕组缠绕在所述定子凹槽的底部。10.根据权利要求9所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述电枢绕组缠绕在所述多个定子齿的端部。11.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述定子具有呈柱状的定子轴，所述定子与所述转子同轴设置。12.根据权利要求1至4中任一项所述的齿槽式轮毂电机，其特征在于，所述齿槽式轮毂电机还包括与所述励磁绕组相连的多个第一开关装置，以及与所述电枢绕组相连的多个第二开关装置，所述多个第一开关装置和多个第二开关装置被控制为使得所述励磁绕组形成的磁场极对数与所述电枢绕组形成的磁场极对数满足如下关系式:I Ns± εΝι.I = I Pa土 ePf | 关Pa关Pf 关 2Pa关 2Pf 其中，Ns为所述多个定子齿的数目，Nr为所述多个转子齿的数目，pa为所述电枢绕组形成的磁场极对数，Pf为所述励磁绕组形成的磁场极对数，ε为正整数。
【文档编号】H02K1/16GK205489842SQ201620293387
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】李浩天, 郑国棠
【申请人】香港大学深圳研究院