專利名稱：永磁無刷輪轂電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機電領域中的旋轉電機，尤指一種應用于電機電動車輛新型結構的車輪直接驅動的永磁無刷輪轂電機。
背景技術：
隨著經濟發展和人民生活水平的提高，環境保護問題已經引起高度重視，以環保為主題來發展其他相關產業已成為世界趨勢。由于城市車輛廢氣排放問題日益突出，城市交通中的電動助力車、電動自行車、電動摩托車、小型電動車、電動轎車、電動大巴車已被城市列入首選交通工具。燃料電池的普遍應用是必然的，而作為燃料電池用的電機電動車輛用電機，關鍵部件高效稀土永磁同步電機更需要同時開發生產，才能確?？萍歼M步和稀土永磁電機的開發產業化。
永磁電動機最大優點是無需勵磁電流建立氣隙磁場，永磁體的儲能就可以在電動機的工作氣隙建立起氣隙磁場。不僅使電機的結構簡單化，也減少了電機的勵磁損耗，從而在小功率電機中，永磁電動機產品得到不斷的開發和極其廣泛的應用。
稀土永磁電機的應用和發展非常迅速，它和電力電子技術、控制技術緊密結合的、可調速的稀土永磁同步電動機及無刷直流電動機是最有代表性、最典型的高新技術產品。
車用驅動電機的運行特點是，電機由蓄電池供電，有限的能量能夠行駛最長的里程，這是與驅動電機性能緊密相關的。因此電機的起動轉矩、電機的過載能力、電機的運行效率、電機的重量和體積是對車用電機綜合評價的主要指標，也將影響到對電動車的技術性能及其技術指標。
現有電機存在著如下缺點在同等重量、同等輪速情況下功率小、效率低、起動轉矩小、電流大、特性軟及能耗高等缺點。

發明內容
為了克服上述不足之處，本實用新型的主要目的旨在提供一種采用了新型電磁結構的電機，用于車輪100-500轉/分范圍的低速直接驅動，效率達86％以上；較傳統結構設計的電機具有體積小、效率高、過載能力強等特點。
本實用新型的另一主要目的是車輪直接驅動，省去了減速機構，提高了整體效率，把車用高效多極無刷直流電動機設計成輪轂型外轉子電機，以便和車輪裝配成一整體。
本實用新型要解決的技術問題是要解決電機的磁極和槽的配合數問題；要保證技術性能采取的技術措施；要降低對工藝精度的要求；要解決永磁電機中普遍存在的定位轉矩較大問題；解決電機繞組電流的電樞反應要大大減弱，也就是電機的直軸電抗、交軸電抗參數要有所減少。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是該裝置由電機定子、電機轉子、軸和軸承等部件組成，電機為輪轂型外轉子及三相繞組結構，中間依次順序安裝有定子沖片、繞組、磁鋼和輪轂，外側有半沉頭螺釘固定，軸用擋圈與軸承連接，軸通過O型密封圈與側蓋連接固定。
所述的永磁無刷輪轂電機的電機轉子磁路由永磁體和轉子磁軛組成，在外轉子上布置為16塊瓦形永磁體，形成16個N、S交替排列的磁極，其布置為面向氣隙的結構。
所述的永磁無刷輪轂電機的永磁體安裝在轉子磁軛圓筒內表面的槽內，其極弧系數為1，徑向厚度為3mm，材料為釹鐵硼磁極。
所述的永磁無刷輪轂電機的電機定子磁路由沖片疊壓而成，用鉚釘固定，定子沖片有18個均勻分布的槽，放置定子繞組；另有6個均勻分布的、固定的鉚釘孔，疊好的定子套裝在鋁合金支撐架上。
所述的永磁無刷輪轂電機的疊好的定子由兩段槽口寬度不同的沖片疊成，其槽口寬度大的一段沖片長度為6mm，安排靠近鐵芯端部，寬槽口部位放置霍爾位置傳感器元件。
所述的永磁無刷輪轂電機的繞組由若干個相位差為|nπ±θ|的線圈串聯起來構成分布繞組，每相繞組，在空間上互相相差2nπ±2π/3，繞組線圈的節距為短距。
所述的永磁無刷輪轂電機的外轉子結構，或為內轉子結構。
車用高效多極無刷直流電動機的電磁機構與普通永磁直流無刷電機不同。
車用高效多極無刷直流電動機的結構特點如下車用高效多極無刷直流電動機外轉子上布置了16塊磁體均布的結構，永磁體材料為釹鐵硼(NdFeB)，形成16個N、S交替排列的磁極。故電機的極對數為8(P＝8)，而內定子有18槽，定子的齒槽用于安放繞組的。電機的q(每極每相槽數)如式(1)所示。
q=Z2mP----(1)]]>
式(1)中m為電機相數，Z為電機定子槽數，P為電機的極對數。將電機現在的參數代入后，明顯得到的q值小于1，一般傳統永磁無刷直流q≥1。這是最大的不同之處。
q=Z2mP=182×3×8=38]]>電機定子槽數明顯少于一般傳統電機。
電機定子有18槽，轉子16塊永磁體形成16個磁極，是電機的最大特征；這種“多極少槽”的永磁直流無刷電機結構，或可稱為新型“多極”永磁直流無刷電機。
該新型電機“多極少槽”概念，其包含兩重意思其一，車用高效多極無刷直流電動機為低速運行，極對數一般多于傳統電機，該電機的極對數P一般大于或等于8；其二，而新型電機定子槽數Z的數值，比傳統電機(兩者極對數P相同)所對應的槽的槽數要少。
新型電機電機極數、槽數的確定原則，完全不同于傳統交流電機的設計規則。其原則是首先按驅動系統要求的轉速和電機的運行頻率，來確定極對數；然后再考慮繞組的對稱性和降低單邊磁拉力情況下，按Z＝2mk(式中K取自然數，m為電機的相數)選取電機定子槽數。
又因為繞組線圈的節距和槽距角有直接關系，K的數值必須滿足式(2)關系(2π-θ)≥2PπZ≥θ]]>或(2π-θ)≥2Pπ2mK≥θ]]>(式中K取自然數)(2)
式(2)中，(2π-θ)、θ實際上就是定子的槽距角。槽距角過小，會影響繞組系數。定子的槽距角可以取數值，如8π/9、10π/9等等。按上式來確定新型電機定子槽數Z，必然會有每極每相槽數q＜1為真分數。這里q的數值，僅僅是一個計算值，是這類新型結構電機的一個表征；按所確定的磁極數和定子槽數，定子的槽距角為為160°。
車用高效多極無刷直流電動機這種結構，分析定子槽距角構成的空間相量(用電角度表示)，也是電機繞組元件每個邊的電勢相量圖。從電機繞組每個元件邊“電勢相量”所組成的電勢星形圖來分析，在2nπ電角度范圍是對稱的。通過將各元件邊的合理聯接，來構成電機三相繞組；并保證三相電機的繞組在空間分布上和結構上是對稱的。
1.車用高效多極無刷直流電動機繞組結構其特點為每相繞組，在空間上互相相差2nπ±2π/3(用電角度表示)；結構上的特點使繞組線圈的節距必須為短距(或長距)；每相繞組的構成是由若干個相位差為|nπ±θ|(電角度表示，θ為用電角度表示的槽距角)的線圈串聯起來。在某種意義上可近似認為是分布繞組(原分布繞組這個概念是在一對極的范圍內討論的)。
2.車用高效多極無刷直流電動機磁路結構特點車用高效多極無刷直流電動機轉子磁路結構特點車用高效多極無刷直流電動機，新型永磁三相交流電機采用高磁能積的釹鐵硼永磁體為磁極；轉子磁路由永磁體和轉子磁軛組成。
A.磁極的永磁體為瓦形，布置為面向氣隙的結構，極弧系數為1；
B.磁極的永磁體的極弧系數α接近于1；永磁體的徑向厚度為3mm；C.磁極的永磁體安放在作為轉子磁軛的圓筒的內表面的淺槽內，磁體的軸向定位依靠兩端的臺階，磁體和磁軛固定方式用膠粘接。
車用高效多極無刷直流電動機定子磁路結構特點為定子磁路由沖片疊壓而成，用鉚釘固定；定子沖片外徑135mm，沖片有18個均勻分布的槽用來放置定子繞組；另有6個均勻分布的，用來固定的鉚釘孔。
電機定子槽的槽口尺寸設計，可適當調整，以減少槽漏抗及諧波轉矩；疊好的定子套裝在鋁合金支撐架上；疊好的定子有兩段槽口寬度不同的沖片槽型，其槽口寬度較大的一段沖片長度約6mm，安排靠近鐵芯端部。寬槽口這一段鐵芯的槽口部位將放置霍爾位置傳感器元件，電機位置傳感器的特征是和電機融為一體，可以非常準確的測定磁極的位置，確保功率器件的通電時間；電機合理地采用較大的工作氣隙。
新型永磁直流無刷電機的電樞反應電機的電樞反應是電機中客觀存在的必然現象。對交流永磁同步電機來說，常用直軸電抗和交軸電抗參數來描述。
新型永磁電機合理地采用較大的工作氣隙，永磁體布置又為面向氣隙的結構。這樣的結構特點，使得電機繞組電流的電樞反應大大減弱。
對于原傳統永磁交流電機來說，繞組電流的電樞反應是考慮在一對極下三相繞組電流的合成磁勢對氣隙磁場的影響；而現在新型結構電機一對極下只有一相繞組的線圈，電樞反應僅由一對極下的一相繞組線圈電流產生，二者有本質區別。也就是電機的直軸電抗、交軸電抗參數有所減少。在永磁體磁極徑向厚度不變的情況下，電樞反應影響減少，電機的過載能力大大增加。
電樞反應的大小，不僅會影響電機工作特性，也會影響磁極的永磁體的工作點和電機永磁體總用量的多少；而永磁體的用量又是和電機的成本是直接相關的，永磁體的成本在電機成本占有較大的比例。
本實用新型的有益效果是該裝置是車輪直接驅動，省去了減速機構，提高了整體效率，并設計成輪轂型外轉子電機，以便和車輪裝配成一整體；本設計中由于電機工作氣隙的增大，解決了永磁電機中普遍存在的定位轉矩較大問題；電機起動轉矩大、起動速度快、輸出功率大、特性硬，特別是能耗低，效率高達90％，解決了無刷電機普遍存在的轉矩脈動大的難題；具有電機電感參數小及電機電樞反應較弱特點，使電機有較大的過載能力；同樣體積，出力大，效率高；磁體的用量可減少，電機成本會相應降低；與傳統的電勵磁電機相比，具有結構簡單，運行可靠；體積小，重量輕；損耗小，效率高的特點和優勢，因為高效及體積小，新型永磁電機是理想的用電池供電車用驅動電機。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
附

圖1為本實用新型的整體結構示意圖；附圖2為本實用新型電機外轉子結構的主視圖；附圖3為本實用新型電機外轉子結構的俯視圖；附圖4為本實用新型電機內定子沖片的主視圖；
附圖5為本實用新型電機內定子沖片的槽型結構示意圖；附圖6為本實用新型16極、18槽電機槽距角構成的空間向量圖；附圖7為本實用新型實施例的電機系統效率示意圖；附圖中標號說明1-軸；8-繞組；2-側蓋； 9-軸用擋圈；3-O型密封圈； 10-軸承；4-半沉頭螺釘；11-轉子磁軛；5-輪轂； 12-釹鐵硼磁極；6-磁鋼； 13-16塊磁體均布；7-定子沖片； 14-槽型；具體實施方式
請參閱附圖1所示，本實用新型由電機定子、電機轉子、軸1和軸承10等部件組成，電機為輪轂型外轉子及三相繞組結構，中間依次順序安裝有定子沖片7、繞組8、磁鋼6和輪轂5等部件，外側有半沉頭螺釘4固定，軸用擋圈9與軸承10連接，軸1通過O型密封圈3與側蓋2連接固定。
請參閱附圖2、3所示，所述的永磁無刷輪轂電機的電機轉子磁路由永磁體和轉子磁軛組成，在外轉子上布置為16塊瓦形永磁體，形成16個N、S交替排列的磁極，其布置為面向氣隙的結構。
請參閱附圖6所示，本實用新型的16極、18槽電機槽距角構成的空間向量，車用高效多極無刷直流電動機外轉子上布置了16塊磁體均布13的結構，永磁體材料為釹鐵硼(NdFeB)，形成16個N、S交替排列的磁極。故電機的極對數為8(P＝8)，而內定子有18槽，定子的齒槽用于安放繞組的。
所述的永磁無刷輪轂電機的永磁體安裝在轉子磁軛11圓筒內表面的槽內，其極弧系數為1，徑向厚度為3mm，材料為釹鐵硼磁極12。
請參閱附圖4、5所示，所述的永磁無刷輪轂電機的電機定子磁路由沖片疊壓而成，用鉚釘固定，定子沖片有18個均勻分布的槽，放置定子繞組；另有6個均勻分布的、固定的鉚釘孔，疊好的定子套裝在鋁合金支撐架上。
所述的永磁無刷輪轂電機的疊好的定子由兩段槽口寬度不同的沖片疊成，其槽口寬度大的一段沖片長度為6mm，安排靠近鐵芯端部，寬槽口部位放置霍爾位置傳感器元件。
所述的永磁無刷輪轂電機的繞組由若干個相位差為|nπ±θ|的線圈串聯起來構成分布繞組，每相繞組，在空間上互相相差2nπ±2π/3，繞組線圈的節距為短距。
所述的永磁無刷輪轂電機的外轉子結構，或為內轉子結構。
本實用新型為車輪直接驅動，省去了減速機構，提高了整體效率。把車用高效多極無刷直流電動機設計成輪轂型外轉子電機，以便和車輪裝配成一整體。
請參閱附圖7所示，本實用新型中的車用高效多極無刷直流電動機由于采用了與傳統電機不同的新型電磁結構設計，因此提高了運行效率和電機的過載能力。電機的額定工作點245W時，效率可達到86％以上，如圖7所示，從100W到250W電機的運行效率都高于86％。
車用高效多極無刷直流電動機的電磁機構與普通永磁直流無刷電機不同。
新型電機電機極數、槽數的確定原則，完全不同于傳統交流電機的設計規則。
首先按驅動系統要求的轉速和電機的運行頻率，來確定極對數；然后再考慮繞組的對稱性和降低單邊磁拉力情況下，按Z＝2mk(式中K取自然數，m為電機的相數)選取電機定子槽數。
車用高效多極無刷直流電動機這種結構，分析定子槽距角構成的空間相量(用電角度表示)，也是電機繞組元件每個邊的電勢相量圖。從電機繞組每個元件邊“電勢相量”所組成的電勢星形圖來分析，在2nπ電角度范圍是對稱的。通過將各元件邊的合理聯接，來構成電機三相繞組；并保證三相電機的繞組在空間分布上和結構上是對稱的。
1.車用高效多極無刷直流電動機繞組結構其特點為每相繞組，在空間上互相相差2nπ±2π/3(用電角度表示)；結構上的特點使繞組線圈的節距必須為短距(或長距)；每相繞組的構成是由若干個相位差為|nπ±θ|(電角度表示，θ為用電角度表示的槽距角)的線圈串聯起來。在某種意義上可近似認為是分布繞組(原分布繞組這個概念是在一對極的范圍內討論的)。
2.車用高效多極無刷直流電動機磁路結構特點車用高效多極無刷直流電動機轉子磁路結構特點車用高效多極無刷直流電動機，新型永磁三相交流電機采用高磁能積的釹鐵硼永磁體為磁極；轉子磁路由永磁體和轉子磁軛組成。
A.磁極的永磁體為瓦形，布置為面向氣隙的結構，極弧系數為1；B.磁極的永磁體的極弧系數α接近于1；永磁體的徑向厚度為3mm；
C.磁極的永磁體安放在作為轉子磁軛的圓筒的內表面的淺槽內，磁體的軸向定位依靠兩端的臺階，磁體和磁軛固定方式用膠粘接。
車用高效多極無刷直流電動機定子磁路結構特點為定子磁路由沖片疊壓而成，用鉚釘固定；定子沖片外徑135mm，沖片有18個均勻分布的槽用來放置定子繞組；另有6個均勻分布的，用來固定的鉚釘孔。
電機定子槽的槽口尺寸設計，可適當調整，以減少槽漏抗及諧波轉矩；疊好的定子套裝在鋁合金支撐架上。
請參閱附圖5所示，疊好的定子有兩段槽口寬度不同的沖片槽型14，其槽口寬度較大的一段沖片長度約6mm，安排靠近鐵芯端部。寬槽口這一段鐵芯的槽口部位將放置霍爾位置傳感器元件，電機位置傳感器的特征是和電機融為一體，具有準確、無須調整的優點，可以非常準確的測定磁極的位置，確保功率器件的通電時間。
電機合理地采用較大的工作氣隙。
新型永磁直流無刷電機的電樞反應電機的電樞反應是電機中客觀存在的必然現象。對交流永磁同步電機來說，常用直軸電抗和交軸電抗參數來描述。
新型永磁電機合理地采用較大的工作氣隙，永磁體布置又為面向氣隙的結構。這樣的結構特點，使得電機繞組電流的電樞反應大大減弱。
對于原傳統永磁交流電機來說，繞組電流的電樞反應是考慮在一對極下三相繞組電流的合成磁勢對氣隙磁場的影響；
而現在新型結構電機一對極下只有一相繞組的線圈，電樞反應僅由一對極下的一相繞組線圈電流產生，二者有本質區別。也就是電機的直軸電抗、交軸電抗參數有所減少；在永磁體磁極徑向厚度不變的情況下，電樞反應影響減少，電機的過載能力大大增加。
電樞反應的大小，不僅會影響電機工作特性，也會影響磁極的永磁體的工作點和電機永磁體總用量的多少；而永磁體的用量又是和電機的成本是直接相關的，永磁體的成本在電機成本占有較大的比例。
設計新型電機時，釹鐵硼永磁體的磁極徑向厚度比傳統結構的電機永磁體為磁極徑向厚度減少約25％；從電機成本的角度來說，永磁體的用量減少，電機成本就會得到相應降低。
新型永磁三相交流電機的電、磁負荷在傳統交流電機設計中，不同容量的電機，其電、磁負荷都有一定的取值范圍。一般小功率電機的電負荷取值范圍為30A/cm到120A/cm；磁負荷可以取到5000-6500GS(還與電機工作頻率有關)。電、磁負荷取得高，電機的體積小，會使效率降低；如果電、磁負荷取得過低，電機的體積大，效率將有所提高，但是有效材料利用率降低，往往不能滿足應用的要求，尤其是要求電機體積小的場合。
新型永磁三相交流電機在保證體積、效率的前提下，電、磁負荷可以取得較高。如小功率電機的電負荷可以取到180A/cm；磁負荷可以取到6500GS。相比之下，電負荷提高大約50％。因此，新型永磁三相交流電機單位體積的容量提高了很多。
按現有的一些廠商提供的產品資料，容量100~250W左右的電機(包括車用驅動稀土永磁電機)，大部分電機效率為0.75左右，甚至低于0.75。而采用新結構設計的新型車用稀土永磁電機其驅動效率可以達到0.86以上。
新型永磁三相交流電機技術性能優勢為新型永磁三相交流電機的電勢新型永磁三相交流電機因以上繞組結構特點，在電機正常運行時，繞組的相電勢、線電勢近似為正弦波，且互差120°電角度。
新型永磁三相交流電機可用于正弦波變頻驅動。這對于高性能的轉速控制系統是極其重要的。為了簡化控制系統，也可以采用和無刷直流電機一樣的方波驅動方式。
新型永磁三相交流電機技術優勢電機繞組的端部長度也因繞組結構特點變短，其帶來優勢有二A.電機繞組的端部長度變短，減少銅耗，電機效率提高；B.電機繞組的端部長度變短，電機的軸向結構尺寸減少，電機長度變短，相應電機體積減?。籆.電機設計時，結合對效率指標的要求，電負荷允許取較高數值；體積可進一步減??；D.新型電機允許電流有較大的過載能力；新型永磁直流無刷電機綜合優勢新型永磁直流無刷電機的磁路結構特點是電機電感參數小及電機電樞反應較弱特點，使電機有較大的過載能力；同時，電機也具有較大的起動轉矩能力。這對車用稀土永磁電機顯得格外有用和重要。
本實用新型在同樣體積情況下，出力大，效率高。
本實用新型的磁體的用量可減少，電機成本會相應降低。
用于輪轂電機的結構圖見圖1所示。
以上充分體現了新型永磁電機技術的性能優勢。因為高效及體積小，本實用新型即新型永磁電機是理想的用電池供電車用驅動電機。
權利要求1.一種永磁無刷輪轂電機，該裝置有電機定子、轉子、軸和軸承，其特征在于電機為輪轂型外轉子及三相繞組結構，中間依次順序安裝有定子沖片、繞組、磁鋼和輪轂，外側有半沉頭螺釘固定，軸用擋圈與軸承連接，軸通過O型密封圈與側蓋連接固定。
2.根據權利要求1所述的永磁無刷輪轂電機，其特征在于所述的電機轉子磁路由永磁體和轉子磁軛組成，在外轉子上布置為16塊瓦形永磁體，形成16個N、S交替排列的磁極，其布置為面向氣隙的結構。
3.根據權利要求2所述的永磁無刷輪轂電機，其特征在于所述的永磁體安裝在轉子磁軛圓筒內表面的槽內，其極弧系數為1，徑向厚度為3mm，材料為釹鐵硼磁極。
4.根據權利要求1所述的永磁無刷輪轂電機，其特征在于所述的電機定子磁路由沖片疊壓而成，用鉚釘固定，定子沖片有18個均勻分布的槽，放置定子繞組；另有6個均勻分布的、固定的鉚釘孔，疊好的定子套裝在鋁合金支撐架上。
5.根據權利要求4所述的永磁無刷輪轂電機，其特征在于所述的疊好的定子由兩段槽口寬度不同的沖片疊成，其槽口寬度大的一段沖片長度為6mm，安排靠近鐵芯端部，寬槽口部位放置霍爾位置傳感器元件。
6.根據權利要求4所述的永磁無刷輪轂電機，其特征在于所述的繞組由若干個相位差為|nπ±θ|的線圈串聯起來構成分布繞組，每相繞組，在空間上互相相差2nπ±2π/3，繞組線圈的節距為短距。
7.根據權利要求1所述的永磁無刷輪轂電機，其特征在于所述電機的外轉子結構，或為內轉子結構。
專利摘要一種涉及機電領域中的旋轉電機，尤指一種應用于電機電動車輛新型結構的車輪直接驅動的永磁無刷輪轂電機。該裝置由電機定子、電機轉子、軸和軸承等部件組成，電機為輪轂型外轉子及三相繞組結構，采用了三相繞組結構，其電磁結構特征是轉子16極，定子18槽的配合，磁極為瓦形，面向氣隙布置，電機可以是外轉子結構，也可以是內轉子結構，電機定子的鐵芯特征是由兩段槽口不同的沖片疊成。本實用新型的優點該裝置是車輪直接驅動，省去了減速機構，提高了整體效率，電機起動轉矩大、起動速度快、輸出功率大、特性硬，特別是能耗低，同樣體積，出力大，效率高，運行可靠和體積小，有較大的過載能力。
文檔編號H02K21/22GK2686202SQ20042002090
公開日2005年3月16日 申請日期2004年3月15日 優先權日2004年3月15日
發明者戴連江, 戴慶玲, 唐飛軍, 張敬華, 董宏亮 申請人:上海乾清電子科技有限公司