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CN110481305A - 对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机 - Google Patents

对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电动汽车的驱动传动系统，具体涉及一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机，包括中心轴、第一盘式电机、第二盘式电机以及行星差动轮系；所述中心轴一端通过第一轴承可旋转的支撑有轮毂，中心轴另一端与转向节固联，轮毂上固定安装有轮胎，转向节上固定安装有制动器；第一盘式电机设置在中心轴上靠近轮毂处，第二盘式电机设置在中心轴上靠近转向节处；行星差动轮系设置在中心轴上，位于轮毂和第一盘式电机之间。本发明可以在驱动系统低速起动时提供大转矩，又能够实现较宽速度范围内高效率运行，从而适应车辆多变的行驶工况，有效提高系统驱动效率，延长行驶里程。

Description

对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机
技术领域
本发明涉及电动汽车的驱动传动系统，具体涉及一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机。
背景技术
随着环境问题与能源消耗问题的日益加重，电动汽车技术日渐重要，其发展日益加速。其中，轮毂电机驱动的电动汽车在车辆总布置结构、底盘主动控制以及操控方便性方面的技术优势使其受到了工业界和学术界的普遍关注，许多著名的汽车企业及研究机构相继推出轮毂电机驱动的概念汽车。
驱动电机技术是电动汽车的最主要的核心技术之一，轮毂电机则是其中重要的一种。轮毂电机技术是将驱动电机和轮毂集成在一起的技术，动力系统、传动系统和制动装置与轮毂及驱动电机的高度集成化是该技术的主要特点，因此纯电动汽车的机械传动部分可以最大限度的简化，大大增加车内空间。采用轮毂电机可以直接获取电能而使能量损耗降到最低，提高整车效率，并能够立即产生驱动力，减少了加速时间。
目前乘用车上的轮毂电机多采用径向磁场内转子电机加减速装置或者径向磁场外转子电机直接驱动的结构方式，一般采用四轮驱动或双轮驱动。由于每个驱动轮由独立的轮毂电机驱动，可以对每个车轮进行单独控制，也可以对多个车轮进行控制，提高了控制自由度，从而可以轻松达到控制车身稳定等动力学控制，同时也容易实现整车的电气制动和制动能量回收。
虽然轮毂电机具有如此多的优点，但是目前的轮毂电机驱动技术仍存在着一些需要解决问题：
(1)为满足不同运行条件下对汽车动力系统的需求，要求驱动系统具有低速时大扭矩、高速时高功率的输出性能且具有大的调速范围和转矩变化范围。同时为了提高整车续航里程，这又要求电机要实现在较宽的调速范围下高效率运行，单个电机很难同时满足这些要求；
(2)由于轮毂的空间尺寸限制，以及电动车辆对轮毂电机功率和转矩要求，导致采用一个轮毂电机设计、制造难度增大，也不适合依据不同路况采用分散多动力的驱动新方式；
(3)轮毂电机集成在轮毂内，会增加簧下质量，从而影响驾驶舒适性，这要求轮毂电机具有高的功率和转矩密度以降低质量，而目前普遍采用的径向磁场电机存在轴向尺寸大、质量重、低速性能差、难以提高轮内空间利用率等缺点。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机，其可以在驱动系统低速起动时提供大转矩，又能够实现较宽速度范围内高效率运行，从而适应车辆多变的行驶工况，有效提高系统驱动效率，延长行驶里程。
本发明实现上述功能的技术方案是：一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机，其特殊之处在于：
包括中心轴、第一盘式电机、第二盘式电机以及行星差动轮系；
所述中心轴一端通过第一轴承可旋转的支撑有轮毂，中心轴另一端与转向节固联，轮毂上固定安装有轮胎，转向节上固定安装有制动器；第一盘式电机设置在中心轴上靠近轮毂处，第二盘式电机设置在中心轴上靠近转向节处；行星差动轮系设置在中心轴上，位于轮毂和第一盘式电机之间；
所述第一盘式电机包括第一盘式电机定子与第一盘式电机转子，第二盘式电机包括第二盘式电机定子与第二盘式电机转子，第一盘式电机定子和第二盘式电机定子均与中心轴固联，第一盘式电机转子通过第二轴承可旋转地支承于中心轴上，第二盘式电机转子通过第三轴承可旋转地支承于中心轴上，第一盘式电机转子与第一盘式电机定子之间存在间隙，第二盘式电机转子与第二盘式电机定子之间存在间隙，第一盘式电机定子与第二盘式电机定子之间存在间隙；
所述行星差动轮系包括太阳轮、行星轮、行星架和齿圈；太阳轮与第一盘式电机转子固联并可通过第二轴承绕中心轴转动，行星轮与太阳轮啮合并通过第四轴承可旋转的支撑于行星架上，行星架与轮毂固联并通过第一轴承可旋转地支撑于中心轴上，齿圈通过转动外壳与第二盘式电机转子固联从而可以通过第三轴承与第二盘式电机转子一起绕中心轴转动；制动盘与第二盘式电机转子固联，并与制动器配合。
进一步地，上述中心轴靠近转向节的一端开有走线孔，用于对第一盘式电机、第二盘式电机供电。
本发明的优点：
(1)本发明所提出的轮毂电机装置拥有多种驱动工作模式，更能适应城市车辆多变的行驶工况，有效提高系统驱动效率，从而延长电动汽车行驶里程；
(2)本发明采用两个盘式电机作为动力源，将一个需求性能指标高的大功率电机转化为两个需求性能指标相对较低的中小功率电机，尤其是在轮毂的空间对电机尺寸限制的条件下，可以有效降低电机的设计、制造难度；
(3)本发明使用轴向磁通盘式电机作为轮毂电机系统的驱动电机，从而使轮毂电机具有高的功率和转矩密度，更小的轴向尺寸，两个轴向磁通盘式电机采用对称布置结构，从而有效抵消了轴向磁通盘式电机的轴向磁拉力；此外，两个轴向磁通盘式电机的额定功率、额定转速和额定转矩并不相同，第一盘式电机额定功率低，额定转速低，额定转矩大，负责车辆低速或者爬坡时提供大扭矩动力；而第二盘式电机额定转速较高，功率大，可以在车辆高速行驶时，提供大功率输出，进一步提高轮毂电机性能和工作效率。
附图说明
图1是本发明的纵向剖视图；
图2是本发明从内侧观察的视图；
图3是本发明结构的等轴测剖切立体图；
图4是现有的单电机或单电机与减速器的轮毂电机系统高效工作区域图；
图5是本发明对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机高效工作区域示意图。
图中标号说明：1、中心轴；2、第一轴承；3、轮毂；4、转向节；5、轮胎；6、制动器；7、第一盘式电机；71、第一盘式电机定子；72、第一盘式电机转子；8、第二盘式电机；81、第二盘式电机定子；82、第二盘式电机转子；9、行星差动轮系；91、太阳轮；92、行星轮；93、行星架；94、齿圈；10、走线孔；11、第二轴承；12、第三轴承；13、第四轴承；14、转动外壳；15、制动盘。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
参见图1至3，一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机，包括电机中心轴1，中心轴1一端通过第一轴承2可旋转的支撑有轮毂3，中心轴1另一端与转向节4固联，轮毂3上固定安装有轮胎5，转向节4上固定安装有制动器6，中心轴1中间分别安装有第一盘式电机7、第二盘式电机8以及行星差动轮系9。
所述中心轴1靠近转向节4的一端开有走线孔10，用于第一盘式电机7、第二盘式电机8的绕组供电。
所述第一盘式电机7包括第一盘式电机定子71与第一盘式电机转子72，第二盘式电机8包括第二盘式电机定子81与第二盘式电机转子82，第一盘式电机定子71和第二盘式电机定子81均与中心轴1固联，第一盘式电机转子72通过第二轴承11可旋转地支承于中心轴1上，第二盘式电机转子82通过第三轴承12可旋转地支承于中心轴1上，第一盘式电机转子72与第一盘式电机定子71之间形成气隙，第二盘式电机转子82与第二盘式电机定子81之间形成气隙，第一盘式电机定子71与第二盘式电机定子81之间由空气隔开，防止其磁场互相影响。
所述行星差动轮系9包括太阳轮91、行星轮92、行星架93和齿圈94，太阳轮91与第一盘式电机转子72固联并可通过第二轴承11绕中心轴1转动，行星轮92与太阳轮91啮合并通过第四轴承13可旋转的支撑于行星架93上，行星架93与轮毂3固联并通过第一轴承2可旋转地支撑于中心轴1上，齿圈94通过转动外壳14与第二盘式电机转子82固联从而可以通过第三轴承12与第二盘式电机转子82一起绕中心轴1转动，制动盘15与第二盘式电机转子82固联，并与制动器6配合。
本发明的工作原理为：
(1)本发明所提出的轮毂电机装置拥有多种驱动工作模式的原理为：
行星差动轮系9的太阳轮91与第一盘式电机转子72固联并可通过第二轴承11绕中心轴1转动；齿圈94通过转动外壳14与第二盘式电机转子82固联从而可以通过第三轴承12与第二盘式电机转子82一起绕中心轴1转动；同时制动盘15与第二盘式电机转子82固联，并与制动器6配合。
①当制动器6工作制动，从而齿圈94固定，第一盘式电机7单独工作，此时本发明的轮毂电机差动轮系转化为单自由度的行星轮系，动力由第一盘式电机7经太阳轮91输入，由行星架93输出到轮毂3。
此时系统减速比为：
取uo＝Zb/Za
输出扭矩：TH＝i·Ta
输出转速：nH＝na/i
式中，na：太阳轮91的转速(即第一盘式电机7转速)
nH：行星架93的转速(即轮毂3转速)
Za：太阳轮91的齿数
Zb：齿圈94的齿数
Ta：第一盘式电机7输出转矩
②当制动器6松开，第一盘式电机7与第二盘式电机8同时工作，此时轮毂电机装置处于转速耦合工作模式，轮毂电机动力分别由第一盘式电机7通过太阳轮91输入和第二盘式电机8经转动外壳14通过齿圈94输入，由行星架94输出到轮毂3。
此时取uo＝Zb/Za，有：
输出扭矩：TH＝-(1+uo)·Ta＝-(1+uo)·Tb/uo
输出转速：
式中，na：太阳轮91的转速(即第一盘式电机7转速)
nb：齿圈94的转速(即第二盘式电机8转速)
nH：行星架93的转速(即轮毂3转速)
Ta：第一盘式电机7的输出转矩
Tb：第二盘式电机8的输出转矩
Za：太阳轮91的齿数
Zb：齿圈94的齿数
特殊地，当第一盘式电机7转速na为0时，系统减速比为：
特殊地，当第一盘式电机7与第二盘式电机8转速相等时，有
nH＝na＝nb
此时可以认为轮毂电机系统减速比等于1。
综上，本发明所提出的轮毂电机装置拥有多种驱动工作模式。
(2)本发明所提出的轮毂电机装置可以提高驱动效率的原理为：
电机的高效率工作区域由电机的额定转速和额定转矩决定，对于单电机或单电机与减速器的轮毂电机系统，其高效工作区域如图4所示：
本发明所提出的轮毂电机装置与单电机或单电机加减速器的轮毂电机系统最大区别在于，拥有多种驱动工作模式，从而拓宽了整个动力传动系统的高效区域，更能适应车辆多变的行驶工况，有效提高系统驱动效率，延长续驶里程。本发明所提出的对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机高效工作区域如图5所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本领域的技术人员其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行调节，或者对其中部分技术特征进行等同替换。所以，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机，其特征在于：
包括中心轴(1)、第一盘式电机(7)、第二盘式电机(8)以及行星差动轮系(9)；
所述中心轴(1)一端通过第一轴承(2)可旋转的支撑有轮毂(3)，中心轴(1)另一端与转向节(4)固联，轮毂(3)上固定安装有轮胎(5)，转向节(4)上固定安装有制动器(6)；第一盘式电机(7)设置在中心轴(1)上靠近轮毂(3)处，第二盘式电机(8)设置在中心轴(1)上靠近转向节(4)处；行星差动轮系(9)设置在中心轴(1)上，位于轮毂(3)和第一盘式电机(7)之间；
所述第一盘式电机(7)包括第一盘式电机定子(71)与第一盘式电机转子(72)，第二盘式电机(8)包括第二盘式电机定子(81)与第二盘式电机转子(82)，第一盘式电机定子(71)和第二盘式电机定子(81)均与中心轴(1)固联，第一盘式电机转子(72)通过第二轴承(11)可旋转地支承于中心轴(1)上，第二盘式电机转子(82)通过第三轴承(12)可旋转地支承于中心轴(1)上，第一盘式电机转子(72)与第一盘式电机定子(71)之间存在间隙，第二盘式电机转子(82)与第二盘式电机定子(81)之间存在间隙，第一盘式电机定子(71)与第二盘式电机定子(81)之间存在间隙；
所述行星差动轮系(9)包括太阳轮(91)、行星轮(92)、行星架(93)和齿圈(94)；太阳轮(91)与第一盘式电机转子(72)固联并可通过第二轴承(11)绕中心轴(1)转动，行星轮(92)与太阳轮(91)啮合并通过第四轴承(13)可旋转的支撑于行星架(93)上，行星架(93)与轮毂(3)固联并通过第一轴承(2)可旋转地支撑于中心轴(1)上，齿圈(94)通过转动外壳(14)与第二盘式电机转子(82)固联从而可以通过第三轴承(12)与第二盘式电机转子(82)一起绕中心轴(1)转动；制动盘(15)与第二盘式电机转子(82)固联，并与制动器(6)配合。
2.根据权利要求1所述的一种对称布置新型盘式电机差动轮系复合驱动的汽车轮毂电机，其特征在于：所述中心轴(1)靠近转向节(4)的一端开有走线孔(10)，用于对第一盘式电机(7)、第二盘式电机(8)供电。
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