齒槽式輪轂電機的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種齒槽式輪轂電機，包括：圓環(huán)形的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)側壁上具有多個轉(zhuǎn)子齒；位于所述轉(zhuǎn)子限定的容納空間中的定子，所述定子的外側壁上具有多個定子齒，所述多個定子齒與所述多個轉(zhuǎn)子齒之間具有氣隙；纏繞在所述多個定子齒上的勵磁繞組；以及纏繞在所述多個定子齒上的電樞繞組。本實用新型的齒槽式輪轂電機省去了機械式齒輪系統(tǒng)，電機結構簡單，且能夠提供高扭矩和低扭矩輸出。
【專利說明】
齒槽式輪穀電機
技術領域
[0001]本實用新型涉及電機領域，具體涉及輪轂電機。
【背景技術】
[0002]電動汽車在不同情況下需要不同的動力，例如在啟動時，需要低轉(zhuǎn)速高扭矩，而在高速運行中，則需要高轉(zhuǎn)速低扭矩?，F(xiàn)有的電動汽車的動力裝置采用單一的低轉(zhuǎn)速高扭矩電機或高轉(zhuǎn)速低扭矩電機，為了能夠在不同運行情況下提供高扭矩和低扭矩輸出，通常利用機械式齒輪系統(tǒng)(例如齒輪箱)中的機械齒輪傳遞扭矩。機械齒輪的缺點是需要潤滑和定期維修，而且齒輪的機械磨損快、壽命短、噪音大。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種齒槽式輪轂電機，包括:
[0004]圓環(huán)形的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)側壁上具有多個轉(zhuǎn)子齒；
[0005]位于所述轉(zhuǎn)子限定的容納空間中的定子，所述定子的外側壁上具有多個定子齒，所述多個定子齒與所述多個轉(zhuǎn)子齒之間具有氣隙；
[0006]纏繞在所述多個定子齒上的勵磁繞組；以及
[0007]纏繞在所述多個定子齒上的電樞繞組。
[0008]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目為偶數(shù)，所述定子齒的數(shù)目為偶數(shù)。
[0009]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目不等于所述定子齒的數(shù)目。
[0010]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目與所述定子齒的數(shù)目的差值的絕對值為2。
[0011]優(yōu)選的，所述多個轉(zhuǎn)子齒沿所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)側壁的周向均勻分布。
[0012]優(yōu)選的，所述多個定子齒沿所述定子的外側壁的周向均勻分布。
[0013]優(yōu)選的，所述勵磁繞組為集中式繞組。
[0014]優(yōu)選的，所述電樞繞組為集中式繞組。
[0015]優(yōu)選的，所述多個定子齒中任意相鄰的兩個定子齒限定了定子凹槽，所述勵磁繞組纏繞在所述定子凹槽的底部。
[0016]優(yōu)選的，所述電樞繞組纏繞在所述多個定子齒的端部。
[0017]優(yōu)選的，所述定子具有呈柱狀的定子軸，所述定子與所述轉(zhuǎn)子同軸設置。
[0018]優(yōu)選的，所述齒槽式輪轂電機還包括與所述勵磁繞組相連的多個第一開關裝置，以及與所述電樞繞組相連的多個第二開關裝置，所述多個第一開關裝置和多個第二開關裝置被控制為使得所述勵磁繞組形成的磁場極對數(shù)與所述電樞繞組形成的磁場極對數(shù)滿足如下關系式:
[0019]|Ns±eNr| = |Pa±ePf I 關 Pa^Pf^2Pa^2Pf
[0020]其中，Ns為所述多個定子齒的數(shù)目，Nr為所述多個轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目，Pa為所述電樞繞組形成的磁場極對數(shù)，Pf為所述勵磁繞組形成的磁場極對數(shù)，ε為正整數(shù)。
[0021]本實用新型的齒槽式輪轂電機省去了機械式齒輪系統(tǒng)，電機結構簡單，且能夠根據(jù)需要提供高扭矩和低扭矩輸出。同時電機可由非永磁材料制造，提高了機械強度，同時降低了損耗和制造成本。
【附圖說明】
[0022]以下參照附圖對本實用新型實施例作進一步說明，其中:
[0023]圖1是根據(jù)本實用新型較佳實施例的齒槽式輪轂電機的示意圖。
[0024]圖2是圖1所示的齒槽式輪轂電機中的轉(zhuǎn)子的示意圖。
[0025]圖3是圖1所示的齒槽式輪轂電機中的定子的示意圖。
[0026]圖4是圖1所示的齒槽式輪轂電機中的勵磁繞組和電樞繞組纏繞在定子齒上的示意圖。
[0027]圖5是圖1所示的齒槽式輪轂電機中的轉(zhuǎn)子、定子和電樞繞組的示意圖。
[0028]圖6是圖1所示的齒槽式輪轂電機在兩種不同操作模式下的扭矩曲線圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖通過具體實施例對本實用新型進一步詳細說明。
[0030]圖1是根據(jù)本實用新型較佳實施例的齒槽式輪轂電機的示意圖。如圖1所示，齒槽式輪轂電機I包括圓環(huán)形的轉(zhuǎn)子11，以及位于轉(zhuǎn)子11限定的容納空間中的定子12，其中定子12與轉(zhuǎn)子11同軸設置。
[0031]圖2是轉(zhuǎn)子11的示意圖。如圖1和2所示，轉(zhuǎn)子11的內(nèi)側壁的周向均勻分布有50個轉(zhuǎn)子齒111，任意相鄰的兩個轉(zhuǎn)子齒111之間限定了一個轉(zhuǎn)子凹槽112，從而轉(zhuǎn)子11呈齒槽式結構(或凸極結構)。轉(zhuǎn)子11上無繞組，其可以采用非永磁材料制造。例如由硅鋼片沖壓形成齒槽，然后疊壓而成，制造成本低、機械強度大、可用于超高速運轉(zhuǎn)。
[0032]圖3是定子12的示意圖。如圖1和3所示，定子12的中心具有呈圓柱狀的定子軸122，定子12的外側壁的周向均勻分布有48個定子齒121，任意相鄰的兩個定子齒121之間限定了一個定子凹槽123，從而定子12呈凹槽式結構(或凸極結構)。定子齒121和轉(zhuǎn)子齒111之間具有氣隙，氣隙確保了轉(zhuǎn)子11自由轉(zhuǎn)動，同時避免發(fā)生“掃膛”現(xiàn)象。
[0033]圖4是纏繞在定子齒121上的繞組的示意圖。如圖4所示，齒槽式輪轂電機10還包括纏繞在定子齒121上的勵磁繞組131，以及纏繞在定子齒121上的電樞繞組132。電樞繞組132中的每一個繞組纏繞在一個定子齒121的端部，勵磁繞組131中的每一個繞組纏繞在相鄰的四個定子齒121上，且勵磁繞組131位于定子凹槽123的底部。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，定子齒121的數(shù)目Ns= 2.m.i(本實施例中Ns為48，m為電機相數(shù)，i為正整數(shù))，轉(zhuǎn)子齒111的數(shù)目Nr = Ns±2.j(本實施例中Nr為50，j為正整數(shù))。因此圖5所示的轉(zhuǎn)子11、定子12以及電樞繞組可看作一個開關磁阻電機。
[0035]本領域的技術人員可知，開關磁阻電機的運行原理是磁阻最小原理。即磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，即一定形狀的鐵芯在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合。
[0036]在圖5所示的開關磁阻電機中，電樞繞組132中所有徑向相對的繞組分別串聯(lián)起來形成一相繞組，例如徑向相對的繞組1321、1321’串聯(lián)起來形成一相繞組，徑向相對的繞組13213、13213’串聯(lián)起來形成一相繞組，徑向相對的繞組13224、13224’串聯(lián)起來形成一相繞組，因此電樞繞組132共形成24相繞組?？刂破?圖5未示出)依次給電樞繞組132中的每相繞組通電，例如按繞組1321、1321’-……-繞組13213、13213’-……-繞組13224、13224’-繞組1321、1321’的順序通電，從而使得轉(zhuǎn)子11逆勵磁順序方向(在圖5中是逆時針)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變電樞繞組132中的每相繞組的通電順序，即可改變轉(zhuǎn)子11的轉(zhuǎn)向。
[0037]假定電樞繞組132中每相繞組的開關頻率(即電源輸出頻率)為f，齒槽式輪轂電機I的轉(zhuǎn)速(r/min) = (60.f)/(m.Nr)。因此，控制器控制每相繞組以較高頻率(例如幾千赫茲?100千赫茲)依次導通，此時齒槽式輪轂電機I即作為高速電動機，從而具有高轉(zhuǎn)速低扭矩的功能，并且速度連續(xù)可調(diào)、調(diào)速范圍寬、效率高。
[0038]齒槽式輪轂電機I中的48個定子齒121沿定子12的周向均勻分布，且50個轉(zhuǎn)子齒111沿著轉(zhuǎn)子11的周向均勻分布，從而避免單邊磁拉力，使得轉(zhuǎn)子11能夠順利、連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，定子齒121的數(shù)目和轉(zhuǎn)子齒111的數(shù)目應盡可能相近，兩者差值的絕對值最好為2，這樣可以增加定子12上的相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，從而提高電機的輸出力。
[0040]本領域的技術人員可知電機相數(shù)m越大，則步距角越小，越有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但成本越高。本實用新型并不意欲對電機相數(shù)m進行限定，可以根據(jù)實際情況綜合考慮從而設定電機相數(shù)m的數(shù)值。
[0041]當電動汽車在啟動或爬坡時，由于勵磁繞組131和電樞繞組132都為集中式繞組，控制器能方便地控制與勵磁繞組131相連的繼電器(圖1未示出)以及與電樞繞組132相連的繼電器(圖1未示出)的開關狀態(tài)，從而使得電樞繞組132形成的磁場極對數(shù)Pa和勵磁繞組131形成的磁場極對數(shù)Pf滿足如下關系式:
[0042]Ns±eNr| = |Pa±ePf| 關pa^pf^2P#2Pf，其中ε為正整數(shù)。
[0043]例如使得勵磁繞組131形成磁場極對數(shù)Pf為6，電樞繞組132形成磁場極對數(shù)Pa*8。由于Pa^Pf，且定子齒121的數(shù)目Ns不等于轉(zhuǎn)子齒111的數(shù)目Nr，基于游標電機的游標效應(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動很小的機械角度，轉(zhuǎn)子磁場的軸線相應變化很大的角度，從而與定子產(chǎn)生的高速磁場相匹配)，從物理模型來看，定子產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)磁場是通過一個虛擬的齒輪箱減速傳遞到轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁場低速旋轉(zhuǎn)，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用以帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生高扭矩。
[0044]例如當電樞繞組132接入電流頻率ω3為50取的交流電，且勵磁繞組131中使用直流勵磁時，則轉(zhuǎn)子11的轉(zhuǎn)速=(60.ua)/Nr = 60r/min。此時齒槽式輪轂電機I作為低速電動機，從而具有低轉(zhuǎn)速高扭矩的功能。
[0045]圖6是圖1所示的齒槽式輪轂電機I在兩種不同操作模式下的扭矩曲線圖。從圖6可以看出，齒槽式輪轂電機I作為游標電機使用時，能穩(wěn)定提供大約950牛?米(N.m)的扭矩，從而使得電動汽車具有非?？斓膯幽芰Α｝X槽式輪轂電機I中的一部分作為開關磁阻電機使用時，能穩(wěn)定提供大約42N.m的扭矩，從而使得電動汽車高速行駛。
[0046]本實用新型的齒槽式輪轂電機I能分別提供低扭矩和高扭矩輸出，且不具有機械齒輪系統(tǒng)。另外定子和轉(zhuǎn)子都可以由非永磁材料制造，避免了采用永磁材料在特定環(huán)境中失磁的問題。降低了制造成本、散熱和功率損耗。
[0047]雖然本實用新型已經(jīng)通過優(yōu)選實施例進行了描述，然而本實用新型并非局限于這里所描述的實施例，在不脫離本實用新型范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。
【主權項】
1.一種齒槽式輪轂電機，其特征在于，包括: 圓環(huán)形的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)側壁上具有多個轉(zhuǎn)子齒； 位于所述轉(zhuǎn)子限定的容納空間中的定子，所述定子的外側壁上具有多個定子齒，所述多個定子齒與所述多個轉(zhuǎn)子齒之間具有氣隙； 纏繞在所述多個定子齒上的勵磁繞組；以及 纏繞在所述多個定子齒上的電樞繞組。2.根據(jù)權利要求1所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目為偶數(shù)，所述定子齒的數(shù)目為偶數(shù)。3.根據(jù)權利要求2所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目不等于所述定子齒的數(shù)目。4.根據(jù)權利要求3所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目與所述定子齒的數(shù)目的差值的絕對值為2。5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述多個轉(zhuǎn)子齒沿所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)側壁的周向均勻分布。6.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述多個定子齒沿所述定子的外側壁的周向均勻分布。7.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述勵磁繞組為集中式繞組。8.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述電樞繞組為集中式繞組。9.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述多個定子齒中任意相鄰的兩個定子齒限定了定子凹槽，所述勵磁繞組纏繞在所述定子凹槽的底部。10.根據(jù)權利要求9所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述電樞繞組纏繞在所述多個定子齒的端部。11.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述定子具有呈柱狀的定子軸，所述定子與所述轉(zhuǎn)子同軸設置。12.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的齒槽式輪轂電機，其特征在于，所述齒槽式輪轂電機還包括與所述勵磁繞組相連的多個第一開關裝置，以及與所述電樞繞組相連的多個第二開關裝置，所述多個第一開關裝置和多個第二開關裝置被控制為使得所述勵磁繞組形成的磁場極對數(shù)與所述電樞繞組形成的磁場極對數(shù)滿足如下關系式:I Ns± εΝι.I = I Pa土 ePf | 關Pa關Pf 關 2Pa關 2Pf 其中，Ns為所述多個定子齒的數(shù)目，Nr為所述多個轉(zhuǎn)子齒的數(shù)目，pa為所述電樞繞組形成的磁場極對數(shù)，Pf為所述勵磁繞組形成的磁場極對數(shù)，ε為正整數(shù)。
【文檔編號】H02K1/16GK205489842SQ201620293387
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】李浩天, 鄭國棠
【申請人】香港大學深圳研究院