一种储能轮毂电机的制作方法

1.本实用新型涉及电机技术领域，具体涉及一种储能轮毂电机。


背景技术：

2.电机、电控、电池是新能源汽车的三大核心部件。轮毂电机是汽车驱动模式的颠覆性变革，近年来受到了业内的广泛关注。轮毂电机技术是将汽车的“动力、传动、制动”系统整合成为一套电机，直接植入汽车轮毂里驱动车轮，从而省去了减速箱、传动轴、差速器等大部分传动部件，显著地提升了传动效率，节约了用电量，降低了整车的重量。更加高效、节能、轻量化、小型化等优点，使轮毂电机技术成为全球汽车产业的发展方向，同时也将促进新能源汽车在智能化、动力传动、续航里程等领域的全面突破。
3.为了提高径向轮毂电机的转子的转动惯量，通常期望将转子的铁芯设置为尽可能靠近转子的外缘区域。但是，由于径向电机的转子相较于轴向电机，厚度更薄、直径更大，转子高速旋转过程中，其外缘容易产生振动，并且铁芯越接近转子的外缘，外缘的振动的幅度越大。过大的振幅将导致转子外缘摩擦、撞击定子的外缘，降低轮毂电机的可靠性。
4.因此，现有技术中转子的铁芯通常位于转子的内缘或者中心区域，牺牲一定的转动惯量来提高轮毂电机的可靠性；或者，增大转子和定子之间的气隙，但增大的气隙会降低磁场效率，导致电机效率降低，而且该方式无法从根源上解决转子振动的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种储能轮毂电机，以解决现有技术中将径向轮毂电机的转子铁芯设置于转子外缘附近来增大转动惯量的方式将造成转子高速转动过程中出现振动，进而造成的转动惯量低，气隙大、电机效率低的问题。
6.本实用新型通过下述技术方案实现：
7.一种储能轮毂电机，包括机壳，所述机壳内固定有主轴，所述主轴上旋转设置有转子，所述转子的两个端面上均安装有第一环形磁铁，所述转子的轴向两侧设置有固定于机壳上的第一支架和第二支架，所述第一支架上设置有第二环形磁铁和第一定子，所述第二支架上设置有第三环形磁铁和第二定子，所述第二环形磁铁、第三环形磁铁关于所述转子对称设置，且第二环形磁铁与对应的第一环形磁铁的相邻面的磁极相同，第三环形磁铁与对应的第一环形磁铁的相邻面的磁极相同。
8.本技术方案中，轮毂电机为径向轮毂电机。径向电机由于沿轴向方向的厚度更薄，结构更加紧凑，成为了轮毂电机的一种主要结构。
9.与现有技术相同的是，本技术方案也包括机壳，以及容纳于机壳中的主轴、定子和转子，在定子的线圈通电后，转子围绕主轴旋转。
10.本技术方案在现有技术的基础上设置了轴向磁悬浮结构以稳定转子、减少转子沿轴向的振动，进而允许转子的铁芯设置在转子的外缘区域，形成转子中心更轻、外缘更重的重量分布，使得转子能够安全地、稳定地保持高转动惯量。
11.具体地，本技术方案中，在转子沿轴向的两个端面上分别设置有至少一个第一环形磁铁，第一环形磁铁沿转子的周向延伸形成环状结构，且其中轴线与转子的中轴线共线。
12.在转子的轴向两侧还对称设置有第二环形磁铁、第三环形磁铁，其中，第二环形磁铁固定安装于第一支架上，第三环形磁铁固定安装于第二支架上，第一支架、第二支架均可拆卸地安装于机壳的内壁上。第二环形磁铁的位置、数量可以与第一环形磁铁的位置、数量相同，也可以不同。第三环形磁铁的位置、数量可以与第一环形磁铁的位置、数量相同，也可以不同。优选地，转子面向第二环形磁铁的端面上设置的第一环形磁铁的数量与第二环形磁铁的数量相同，转子面向第三环形磁铁的端面上设置的第一环形磁铁的数量与第三环形磁铁的数量相同，同时，第二环形磁铁的位置与第一环形磁铁的位置相对应，第三环形磁铁的位置与第一环形磁铁的位置相对应。由于第二环形磁铁面向第一环形磁铁的面的磁极与第一环形磁铁面向第二环形磁铁的面的磁极相同，同时，第三环形磁铁面向第一环形磁铁的面的磁极与第一环形磁铁面向第三环形磁铁的面的磁极也相同，使得转子在转动过程中，第二环形磁铁、第三环形磁铁始终与第一环形磁铁相互排斥，由于两侧第二环形磁铁、第三环形磁铁的位置、数量与第一环形磁铁相匹配，故两侧的排斥力相等，因此转子受到的轴向排斥力相互抵消，解决了转动过程中不平衡轴向力的问题。
13.通过上述设置，转子上的第一环形磁铁和轴向两侧的第二、第三环形磁铁形成轴向磁悬浮结构，使得转子在旋转过程中受到的轴向排斥力相互抵消，从根源上解决了转动过程中轴向力不平衡的问题，进而大幅降低了转子旋转过程中外缘与定子碰撞的几率，提高了电机转子在高速旋转时运行的可靠性，从而允许转子的铁芯布置在转子的外缘，增大了转子的转动惯量和储能密度，同时，轴向磁悬浮结构还减小了转子与主轴之间的轴承的承受力，延长了轴承的使用寿命。
14.不仅如此，机壳内固定的对称设置于所述转子两侧的第一支架和第二支架上均设置有定子，第一支架上的第一定子、以及第二支架上的第二定子不仅可以通过支架进行散热，避免定子上出现局部过热，而且第一、第二定子构成的双定子结构使得转子沿定子旋转，而不是在定子的内部转动，因此飞轮转子的直径能够进一步增大。在轮毂电机处于驱动状态下时，两个定子上的有功电流所产生的电磁转矩共同作用于转子做机械功，因为扭矩等于力乘以半径，轴向磁通电机可以在相同的力下获得更大的扭矩，输出转矩大、输出功率高；在轮毂电机处于储能状态下时，转子在旋转过程中，两个定子能够同时输出感应电压、输出效率高。此外，双定子结构、转子磁铁、环形磁铁在电机内部形成轴向磁通，使得轴向磁通电机相对传统的径向电机可以提供30％的扭矩密度优势。
15.进一步地，所述转子包括靠近转子外缘的转子铁芯，所述转子铁芯上开设有第一凹槽，所述第一凹槽内卡接有转子磁铁。由于采用了轴向磁悬浮结构，可以将转子铁芯设置在靠近转子外缘的区域，以使得转子沿径向方向形成内轻外重的重量分布，进而提高转子的转动惯量，在储能过程中亦能增加其储能密度。在一个或多个实施例中，转子自身可以采用重量更轻的碳纤维复合材料制成。在一个或多个实施例中，转子铁芯上开设有若干第一凹槽，若干第一凹槽优选沿转子的周向均匀分布。
16.进一步地，所述第一凹槽的宽度由外至内逐渐增大。转子磁铁从转子铁芯的径向安装后，第一凹槽的缩口结构能够提高转子磁铁在转子旋转过程中的稳定性。
17.进一步地，所述第一环形磁铁的直径为所述转子的直径的0.90～0.98倍。所述第
一环形磁铁的内径大于所述转子铁芯的外径。通过将第一环形磁铁设置在转子铁芯的外侧，能够进一步降低转子边缘在转动过程中的振动，提高转子旋转的稳定性。
18.进一步地，所述第一定子包括第一定子铁芯，所述第一定子铁芯上设置有第一定子绕组，第一定子铁芯安装于所述第一支架上开设的第二凹槽中。优选地，若干第二凹槽优选沿定子的周向均匀分布。设置有第一定子绕组的第一定子铁芯与第一凹槽内的转子磁铁的位置相对应，以使得第一定子绕组通入电流后，转子能够围绕主轴旋转。
19.进一步地，所述第二定子包括第二定子铁芯，所述第二定子铁芯上设置有第二定子绕组，所述第二定子铁芯安装于所述第二支架上开设的第三凹槽中。优选地，若干第三凹槽优选沿定子的周向均匀分布。设置有第二定子绕组的第二定子铁芯与第三凹槽内的转子磁铁的位置相对应，以使得第二定子绕组通入电流后，转子能够围绕主轴旋转。
20.进一步地，所述第二环形磁铁、第三环形磁铁的位置、排列方式与第一环形磁铁的位置、排列方式相匹配。
21.进一步地，所述第二环形磁铁面向所述第一环形磁铁的端面为凹面，所述第三环形磁铁面向所述第一环形磁铁的端面为凹面，所述第一环形磁铁面向第二环形磁铁或第三环形磁铁的端面为凸面。相匹配的凸面和凹面使得转子的受力更加集中，转子的左右、上下受力对称，进一步抑制了转子转动过程中外缘的振动，提高了转子旋转的稳定性，同时进一步减小了转子轴承的承受力。
22.进一步地，所述凹面、凸面的截面为v字形。
23.进一步地，所述转子上直接或间接地连接有轮毂安装盘。在部分实施例中，所述电机还包括离合器组件，所述离合器组件包括从内至外依次套装在所述主轴上的第四定子、第二从动转子、主动转子、第三定子和第一从动转子，其中，所述主动转子固定连接至所述转子，所述第一从动转子用于在所述第三定子通电时与所述主动转子同步转动，所述第二从动转子用于在所述第四定子通电时与所述主动转子同步转动。
24.本技术方案中，当第一定子、第二定子通电驱动转子旋转时，第三定子绕组也通电，使得主动转子和第一从动转子吸合，由于主动转子与转子固定连接，因此在转子的旋转驱动下，第一从动转子随主动转子同步转动，而第二从动转子空转，此时离合器组件处于第一联动状态，第一从动转子通过变速装置的行星齿轮组驱动齿圈、轮毂安装盘转动，轮毂电机处于驱动状态。当定子线圈不通电时，第三定子绕组断电，第四定子绕组通电，使得主动转子和第二从动转子吸合，惯性转动的齿圈将通过变速装置的行星齿轮组提高传动比后驱动第二从动转子转动，主动转子随第二从动转子同步转动，而第一从动转子空转，此时离合器组件处于第二联动状态，轮毂电机处于储能状态，此时转子高速旋转储能，当存储的能量超过飞轮转子的储能密度后，飞轮转子持续高速旋转，电机第一定子、第二定子上产生高效电能经逆变器转变成直流电后回充给动力电池。
25.在储能状态过程中，车轮转动的机械能经齿圈、离合装置传递给转子，整个过程属于机械能到机械能的转变，且在驱动状态下转子便处于高速旋转状态下，因而其能够更快地超过其储能密度，能量转化过程的损耗小，能量转化效率高，彻底解决了传统能量回收系统在向储能状态转变时存在的定子铁芯的剩余磁场造成的发电延迟的问题；不仅如此，由储能状态切换到驱动状态时，由于转子始终处于高速转动的过程中，因而能够首先利用转子的转动能量驱动齿圈，实现了起步助力的功能，有效地提高了电动车的续航能力。
26.在部分实施例中，所述轮毂电机还包括变速器组件，所述变速器组件包括套设于所述主轴上的行星架，所述行星架上从外至内依次设置有第一行星轮组、第二行星轮组和第三行星轮组，其中：所述第一行星轮组包括第一行星轮，所述第一行星轮与齿圈啮合，所述齿圈上连接有轮毂安装盘，第一行星轮上连接有第一转动轴，所述第一转动轴活动贯穿所述行星架且连接有第二行星轮，所述第二行星轮的直径大于所述第一行星轮的直径；所述第二行星轮组包括与所述第二行星轮啮合的第三行星轮，所述第三行星轮上连接有第二转动轴，所述第二转动轴活动贯穿所述行星架且连接有第四行星轮，所述第四行星轮的直径大于所述第三行星轮的直径，第二转动轴上还设置有与所述第三行星轮同步转动的太阳轮，所述太阳轮与所述第一从动转子啮合；所述第三行星轮组包括与所述第四行星轮啮合的第五行星轮，所述第五行星轮上连接有第三转动轴，所述第三转动轴活动贯穿所述行星架且连接有第六行星轮，所述第六行星轮的直径大于所述第五行星轮的直径，所述第六行星轮与所述第二从动转子啮合。
27.轮毂电机在驱动状态下，第一从动转子随主动转子转动过程中，通过相啮合的太阳齿轮带动第二行星轮组转动，第二行星轮组传动至第一行星轮组，第一行星轮组带动齿圈转动，此时第二行星轮组传动至第三行星轮组，第三行星轮组带动第二从动转子空转。
28.轮毂电机在储能状态下，齿圈带动第一行星轮组转动，第一行星轮组带动第二行星轮组转动，第二行星轮组带动第三行星轮组转动，第三行星轮组通过第二从动转子上的齿圈带动第二从动转子转动，主动转子随第二从动转子同步转动，此时，第二行星轮组传动至太阳齿轮，所述太阳齿轮带动第一从动转子空转。
29.本技术方案采用双向多级变速器组件，电机在驱动输出时改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，在能量回收时增加输入传动比以大幅提高飞轮转子的转速，提高能量回收效率；同时，该变速装置的调速范围宽，能够满足电动车快速启动、加速、负荷爬坡等要求，高速运行输出恒定功率，有较大的调速范围，满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。
30.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
31.1、本实用新型的转子上的第一环形磁铁和轴向两侧的第二、第三环形磁铁形成轴向磁悬浮结构，使得转子在旋转过程中受到的轴向排斥力相互抵消，从根源上解决了转动过程中轴向力不平衡的问题，进而大幅降低了转子旋转过程中外缘与定子碰撞的几率，提高了电机转子在高速旋转时运行的可靠性，从而允许转子的铁芯布置在转子的外缘，增大了转子的转动惯量和储能密度，同时，轴向磁悬浮结构还减小了转子与主轴之间的轴承的承受力，延长了轴承的使用寿命；
32.2、本实用新型的双定子结构使得转子沿定子旋转，而不是在定子的内部转动，因此飞轮转子的直径能够进一步增大。在轮毂电机处于驱动状态下时，两个定子上的有功电流所产生的电磁转矩共同作用于转子做机械功，因为扭矩等于力乘以半径，轴向磁通电机可以在相同的力下获得更大的扭矩，输出转矩大、输出功率高；在轮毂电机处于储能状态下时，转子在旋转过程中，两个定子能够同时输出感应电压、输出效率高。此外，双定子结构、转子磁铁、环形磁铁在电机内部形成轴向磁通，使得轴向磁通电机相对传统的径向电机可以提供30％的扭矩密度优势；
33.3、本实用新型通过将环形磁铁的作用端面设置为凹面或凸面，使得转子的受力更
加集中，转子的左右、上下受力对称，进一步抑制了转子转动过程中外缘的振动，提高了转子旋转的稳定性，同时进一步减小了转子轴承的承受力。
34.4、本实用新型的轴向磁通轮毂电机具有可靠性高、精度高、响应快、加速度大、转矩波动小、过载能力高、机械集成度高等优点，在实际生产中有很高的使用价值。
附图说明
35.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
36.图1为本实用新型具体实施例中轮毂电机的剖面结构示意图；
37.图2为本实用新型具体实施例中转子的端面结构示意图；
38.图3为本实用新型具体实施例中第一定子的端面结构示意图；
39.图4为本实用新型具体实施例中离合器组件的剖面结构示意图；
40.图5为本实用新型具体实施例中变速器组件的剖面结构示意图；
41.图6为本实用新型具体实施例中轮毂电机的磁路结构图。
42.附图中标记及对应的零部件名称：
43.1-机壳，2-主轴，3-转子，4-转子铁芯，5-转子磁铁，6-第一环形磁铁，7-第一支架，8-第二支架，9-第二环形磁铁，10-第三环形磁铁，11-第一定子铁芯，12-第一定子绕组，13-第二定子铁芯，14-第二定子绕组，15-齿圈，16-轮毂安装盘，17-行星架；
44.201-主动转子，202-第一从动转子，203-第二从动转子，204-稀土磁铁，205-第三定子铁芯，206-第三励磁线圈，207-第四定子铁芯，208-第四励磁线圈，209-第一轴承；
45.301-太阳轮，302-第一行星轮，303-第二行星轮，304-第三行星轮，305-第四行星轮，306-第五行星轮，307-第六行星轮，308-第二转动轴，309-第二轴承，310-第一转动轴，311-第三轴承，312-第四轴承，313-第五轴承，314-第三转动轴。
具体实施方式
46.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
47.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
48.实施例1：
49.如图1至图3所示的一种轮毂电机，包括机壳1，所述机壳1内固定有主轴2，所述主轴2上旋转设置有转子3，所述转子3的两个端面上均安装有第一环形磁铁6，所述转子3的轴向两侧设置有固定于机壳1上的第一支架7和第二支架8，所述第一支架7上设置有第二环形磁铁9和第一定子，所述第二支架8上设置有第三环形磁铁10和第二定子，所述第二环形磁铁9、第三环形磁铁10关于所述转子3对称设置，且第二环形磁铁9与对应的第一环形磁铁6
的相邻面的磁极相同，第三环形磁铁10与对应的第一环形磁铁6的相邻面的磁极相同；所述转子3包括靠近转子3外缘的转子铁芯4，所述转子铁芯4上开设有第一凹槽，所述第一凹槽内卡接有转子磁铁5；所述第一定子包括第一定子铁芯11，所述第一定子铁芯11上设置有第一定子绕组12，第一定子铁芯11安装于所述第一支架7上开设的第二凹槽中；所述第二定子包括第二定子铁芯13，所述第二定子铁芯13上设置有第二定子绕组14，所述第二定子铁芯13安装于所述第二支架8上开设的第三凹槽中。
50.在部分实施例中，所述第一凹槽的宽度由外至内逐渐增大。
51.在部分实施例中，所述第一环形磁铁6的直径为所述转子3的直径的0.90～0.98倍。
52.在部分实施例中，所述第二环形磁铁9、第三环形磁铁10的位置、排列方式与第一环形磁铁6的位置、排列方式相匹配。
53.在一个或多个实施例中，所述第二环形磁铁9面向所述第一环形磁铁6的端面为凹面，所述第三环形磁铁10面向所述第一环形磁铁6的端面为凹面，所述第一环形磁铁6面向第二环形磁铁9或第三环形磁铁10的端面为凸面。在部分优选实施例中，如图1所示，所述凹面、凸面的截面为v字形。
54.本实施例中，转子上的第一环形磁铁和轴向两侧的第二环形磁铁形成轴向磁悬浮结构，使得转子在旋转过程中受到的轴向排斥力相互抵消，从根源上解决了转动过程中轴向力不平衡的问题，进而大幅降低了转子旋转过程中外缘与定子碰撞的几率，提高了电机转子在高速旋转时运行的可靠性，从而允许转子的铁芯布置在转子的外缘，增大了转子的转动惯量和储能密度，同时，轴向磁悬浮结构还减小了转子与主轴之间的轴承的承受力，延长了轴承的使用寿命。此外，双定子结构使得转子沿定子旋转，而不是在定子的内部转动，因此飞轮转子的直径能够进一步增大。在轮毂电机处于驱动状态下时，两个定子上的有功电流所产生的电磁转矩共同作用于转子做机械功，因为扭矩等于力乘以半径，轴向磁通电机可以在相同的力下获得更大的扭矩，输出转矩大、输出功率高；在轮毂电机处于储能状态下时，转子在旋转过程中，两个定子能够同时输出感应电压、输出效率高。
55.不仅如此，如图6所示，双定子结构、转子磁铁、第一环形磁铁和第二环形磁铁在电机内部形成轴向磁通，这种轴向磁通使得轮毂电机相对传统的径向电机可以提供30％的扭矩密度优势。
56.实施例2：
57.在实施例1的基础上，所述转子3上直接或间接地连接有轮毂安装盘16。如图4所示，所述轮毂电机还包括离合器组件，所述离合器组件包括从内至外依次套装在所述主轴2上的第四定子、第二从动转子203、主动转子201、第三定子和第一从动转子202，其中，所述主动转子201固定连接至所述转子3，所述第一从动转子202用于在所述第三定子通电时与所述主动转子201同步转动，所述第二从动转子203用于在所述第四定子通电时与所述主动转子201同步转动。
58.在储能状态过程中，车轮转动的机械能经齿圈、离合装置传递给转子，整个过程属于机械能到机械能的转变，且在驱动状态下转子便处于高速旋转状态下，因而其能够更快地超过其储能密度，能量转化过程的损耗小，能量转化效率高，彻底解决了传统能量回收系统在向储能状态转变时存在的定子铁芯的剩余磁场造成的发电延迟的问题；不仅如此，由
储能状态切换到驱动状态时，由于转子始终处于高速转动的过程中，因而能够首先利用转子的转动能量驱动齿圈，实现了起步助力的功能，有效地提高了电动车的续航能力。
59.实施例3：
60.在上述实施例的基础上，如图5所示，所述轮毂电机还包括变速器组件，所述变速器组件包括套设于所述主轴2上的行星架17，所述行星架17上从外至内依次设置有第一行星轮组、第二行星轮组和第三行星轮组，其中：
61.所述第一行星轮组包括第一行星轮302，所述第一行星轮302与齿圈15啮合，所述齿圈15上连接有轮毂安装盘16，第一行星轮302上连接有第一转动轴310，所述第一转动轴310活动贯穿所述行星架17且连接有第二行星轮303，所述第二行星轮303的直径大于所述第一行星轮302的直径；
62.所述第二行星轮组包括与所述第二行星轮303啮合的第三行星轮304，所述第三行星轮304上连接有第二转动轴308，所述第二转动轴308活动贯穿所述行星架17且连接有第四行星轮305，所述第四行星轮305的直径大于所述第三行星轮304的直径，第二转动轴308上还设置有与所述第三行星轮304同步转动的太阳轮301，所述太阳轮301与所述第一从动转子202啮合；
63.所述第三行星轮组包括与所述第四行星轮305啮合的第五行星轮306，所述第五行星轮306上连接有第三转动轴314，所述第三转动轴314活动贯穿所述行星架17且连接有第六行星轮307，所述第六行星轮307的直径大于所述第五行星轮306的直径，所述第六行星轮307与所述第二从动转子203啮合。
64.轮毂电机在驱动状态下，第一从动转子随主动转子转动过程中，通过相啮合的太阳齿轮带动第二行星轮组的转动，通过第三行星轮304和第二行星轮303的啮合，第二行星轮组和传动至第一行星轮组，第一行星轮组的第一行星轮302带动齿圈15转动，与此同时，通过第四行星轮305和第五行星轮306的啮合，第二行星轮组传动至第三行星轮组，第三行星轮组的第六行星轮307带动第二从动转子空转。
65.轮毂电机在储能状态下，齿圈15带动第一行星轮组的第一行星轮302转动，通过第二行星轮303和第三行星轮304的啮合，第一行星轮组带动第二行星轮组转动，通过第四行星轮305和第五行星轮306的啮合，第二行星轮组带动第三行星轮组转动，第三行星轮组的第六行星轮307通过第二从动转子上的齿圈带动第二从动转子转动，主动转子随第二从动转子同步转动，与此同时，第二转动轴上连接的太阳轮301带动第一从动转子空转。
66.本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等(例如第一定子、第二定子、第三定子、第四定子，第一从动转子、第二从动转子等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
67.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。