专利名称：永磁转刷轮毂电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁转刷轮毂电机。(以下简称为本电机)本电机所采用的技术属于机械、电机设计制造技术领域。本电机特别适用于各种型式的电动车辆的驱动应用，如电动自行车、电动汽车和电动轮椅车等。本发明可以减小驱动用轮毂电机的体积、重量和生产成本，并提高其性能。其应用分类属于车辆和交通工具的驱动技术。
目前采用现有技术的中小功率轮毂电机，可分为直流无刷电机和直流有刷电机两大类。直流无刷电机为了减小整数极槽数引起的反应力矩，和弥补因换向次数少引起的严重转矩脉动，需要使用斜槽技术，引起有效材料的利用率下降和电机效率与扭矩的降低。而且由于控制器的复杂性和控制器与电机的不可分割性，导致成本提高和可靠性降低。
直流有刷电机可以采用与极数不存在公约数的电枢槽数，和加大换向器片数以实现频密换向的技术，从而有效地避免了无刷电机的以上两项缺点。但是采用电枢外转子结构的现有技术有刷轮毂电机，由于以径向厚度较大的电枢为外转子，使得电机气隙的直径与电机外径的比值减小，引起电机的计算功率减小。为了使电机具有所要求的功率，就需要增大电机的外径，使有效材料的消耗量增加。因此相同功率的有刷轮毂电机与无刷轮毂电机相比，在电机的体积、重量和所有的技术经济指标项目上并无优势，或者还稍有差距。其总体的价格优势仅仅体现于有刷控制器的价格大大低于无刷控制器，此外还因为有刷控制器的电路简单、元器件较少因而可靠性较高。
直流有刷轮毂电机本来是一种坚固、耐用和可靠的设备。但是由于存在上述的体积、重量、材料消耗量和成本方面的问题，使得其固有的优点不能充分的发挥。本发明很好地解决了以上的所有关键问题，在电机制造中可以大幅度地节省材料和成本，在使用中可以使电机变得较为轻便，更加紧凑，还可以有更高的效率。
发明内容
与
本发明“永磁转刷轮毂电机”的构成为在心轴1上套固有铝轮毂2，铝轮毂2上压装有硅钢片叠片3，叠片3的槽中绕有电机绕组4。电机的外围是园环形磁轭5，磁轭通过螺钉6与两个端盖7相固定。端盖通过两个轴承8支承在心轴1上。在磁轭5的内侧面胶结固定有稀土磁块9，因而磁块9、磁轭5和端盖7可以围绕心轴1旋转。
绕组4的各个线圈线端连接到环形换向器10，换向器10压装胶结到铝轮毂2的端部。在一侧的端盖上通过螺钉12安装有碳刷架11，碳刷架上分别在不同的轴向位置安装有换向器碳刷13和滑环碳刷15。在心轴1上还套装有集电滑环14。
由于碳刷架11是固定在端盖7上，所以碳刷架11和换向器碳刷13、滑环碳刷15是随同磁轭6、稀土磁块9以及端盖7一同旋转的，而换向器10、滑环14是随同叠片3、电机绕组4和铝轮毂2固定在静止不动的心轴1上的。在集电滑环14的正、负极上施加电机的工作电源，通过滑环碳刷15的引导，将电源传送给旋转中的换向器碳刷13，通过换向器碳刷13与换向器10的相对旋转运动，从而将电源引接到换向器和电机绕组，并在随同电机旋转时完成所需的换向过程。
本发明的永磁转刷轮毂电机采用了稀土磁场外转子和旋转碳刷架布局，使得电枢和换向器变为固定不动，在电机气隙直径和轴向长度不变的前提下，显著地减小了外转子的径向厚度，在保持电机相同功率、相同转速和扭矩，以及相同电磁负荷强度的条件下，电机的外径可以减小12％左右，重量减轻20％左右。且由于电机的关键部件-----电枢从外围的转子变为内芯部位的定子，叠片铁心的外径大大减小，重量明显减轻，硅钢片的消耗量减少40％以上。在电机的极距保持不变时，由于筒形绕组的平均直径大大减小，使得绕组线圈的端部跨距明显缩短，绕组的铜导线消耗量减小，绕组的直流电阻和内部电压降损耗也明显减小。
由于电枢布局从外环变为内芯，各个电枢槽的开口是向四周敞开的，不象现有技术有刷轮毂电机中的电枢槽口是开向环形电枢内侧的，因此电机绕组的下线装配工艺条件大大改善，可以明显提高下线工艺的工作效率，减少导线在下线工序中损伤绝缘层的危险，提高产品的成品率和提高可靠性。
本电机具有与无刷电机相近的工艺性和结构紧凑性，但是由于可以采用没有公约数的极数与槽数配合，所以电机固有的位置反应力矩很小，不需要采用进一步的技术措施来减小反应力矩，不需要采用会引起磁通互相抵消的斜槽技术，因而有效材料尤其是磁性材料的利用率得以提高。
与现有技术的直流有刷轮毂电机相比，本电机的结构和布局更加合理和紧凑，电机的材料费用和制造成本降低20％左右，电机的总损耗减小5％左右，电机的效率明显提高。充电一次的行驶里程也相应增加。
与现有技术的直流永磁有刷轮毂电机相比，本发明的永磁转刷轮毂电机需要增加一对滑环和一对滑环碳刷。由于滑环安装于心轴，直径小体积小，滑环碳刷围绕滑环旋转，滑动线速度很低，所以引起的附加机械损耗很小。由于滑环碳刷不存在换向过程，线速度又很低，所以与换向器和换向器碳刷相比，滑环和滑环碳刷的磨损很小，寿命很长，几乎不需要进行维护和更换。
合理选择滑环碳刷的电流密度和型号，可以做到一对滑环碳刷的电压降小于0.3V，对于额定电压为24V至36V的轮毂电机而言，由于增加了滑环和滑环碳刷所引起的总损耗约为电源功率的1％，与由于电机绕组端部跨越的缩短因而损耗减小的数值相抵，本电机在效率的提高方面仍有明显的收益。以上比较是在电机的功率相同，气隙直径和长度相同，导线直径相同，气隙磁通密度相同和线负载相同的可比条件下。
换向器、碳刷架、碳刷和滑环的布置基本上是利用了电机铝轮毂的端部和内腔的剩余空间，不需要为了布置以上部件而增加电机的直径和轴向长度。
电枢绕组的接法采用波绕组，因而换向器碳刷的布置可以自由地按照电机的额定电流、碳刷的电流密度和碳刷的截面等参数，采用1对、2对或更多对数的碳刷。滑环碳刷的布置同样可以依据相应的参数，采用1对、2对或更多对数的碳刷。加大两种碳刷的布置对数、降低电流密度可以稍稍提高大电流工况下的扭矩和效率，但是会稍稍降低小电流工况下的效率。本电机在中等电流工况下，碳刷布置的对数和电流密度对电机性能几乎没有影响。
因而，永磁转刷轮毂电机的体积、重量和效率大体相当或稍优于同功率的无刷轮毂电机，而明显优于同功率的有刷电机。而在配套的控制器方面，又不需要采用高成本而可靠性较低和损耗较大的无刷控制器。本发明永磁转刷轮毂电机在系统成本、体积、重量、系统效率和可靠性方面，与现有技术的无刷轮毂电机和有刷轮毂电机相比，具有显著的优越性，在电动车辆的驱动应用方面具有明显的竞争力。
附图为本电机的纵剖面和横断剖面图。
权利要求
1.永磁转刷轮毂电机，其特征为换向器碳刷和滑环碳刷安装于旋转的碳刷架上。
2.基于权利要求1，该电机的电枢通过铝轮毂固定安装在静止的心轴上。而外围的环状磁轭和固定于其上的磁块，连同端盖围绕心轴旋转。
3.基于权利要求1，该电机的环形换向器和集电滑环是随同心轴和电枢静止不转动的。
4.基于权利要求1，该电机的磁极数和电枢槽数之间不存在公约数。
全文摘要
本发明涉及一种永磁转刷轮毂电机，其构造为在心轴上套有铝毂，压装有硅钢片叠片，叠片槽中有电机绕组。电机外围是圆筒形磁轭，磁轭与两个端盖相固定。端盖通过轴承支承在心轴上。磁轭内侧固定有稀土磁块，因而磁块、磁轭和端盖可以围绕心轴旋转。绕组的各线端连接到环形换向器，换向器固定在铝毂的端部。在本电机一侧的端盖上安装有碳刷架，碳刷架上分别在不同的轴向位置安装有换向器碳刷和滑环碳刷。在心轴上还套装有集电滑环。碳刷架和换向器碳刷、滑环碳刷随同磁轭、稀土磁块以及端盖一同旋转，而换向器、滑环随同叠片、电机绕组和铝毂固定在静止不动的心轴上。本发明显著减小了低速有刷轮毂电机的外径和重量，材料节省，损耗减小，工艺性改善，效率提高。特别适用于各种电动自行车和电动轮椅车。
文档编号H02K23/00GK1457133SQ0311262
公开日2003年11月19日 申请日期2003年1月7日 优先权日2003年1月7日
发明者钱梦非 申请人:钱梦非