技术领域
[0001] 本
发明涉及城轨动车车轮用动
力装置，同时涉及特种稀土永磁无刷直流
电机领域。
背景技术
[0002] 现今国内外城轨列车是由直流
电网作为供电电源。其动车组的驱动方式，大都是采用直流有刷电动机吊装于车辆
转向架，并通过轮对车轴的支承(设计有抱轴轴瓦)以及减速
齿轮对，才能将电动机发出的
扭矩传递至车轮，实现列车的运行。为保证列车平稳运行，减小振动，车辆走行部的转向架与车轮转动部件之间设置有
弹簧系统机构。这种传统的驱动方式，由于有刷直流电动机庞大的体积和无法减轻的重量，再加上
减速齿轮对效率的损耗，人们希望一种能直接驱动车轮的轮毂电动机出现。
[0003] 稀土永磁无刷直流电动机的快速发展，已经可以设计制作出大功率的车用轮毂电动机。为了同时能够达到大扭矩直接驱动动轮，又能够提高列车的运行速度，运行的安全性和平稳性，业内专家提出，希望尽可能的减轻车辆簧下重量，以消除转动部件过大的重量给列车提高运行速度带来的限制，最好将能将轮毂电动机的大部分重量，转移安装在转向架上。对于这样的要求，电动机全部转移安装到转向架后，又必须采用较大减速比的减速机构，才能将电动机的扭矩传递给车轮。这又回到了列车原有的动车驱动方式，失去了轮毂电动机的一切优势。采用轮毂电动机，要将电动机的
转子部件与车轮直接连接传递大的扭矩，电动机的
定子合同所有固定部件安装在列车转向架上，列车在运行中必然产生的振动，将迫使电动机的定子与转子相互间发生位移，电动机赖以工作的气隙会发生很大地变动。这是所有，任何内、外转子结构的圆柱形电动机都绝不允许的。
[0004] 本发明宗旨在于追求尽可能满足业内专家的这一要求，寻求设计一款新型的直接驱动动车车轮的轮毂电动机，将转子部件能与车轮轮芯直接连接传递大扭矩，定子及其全部固定部件安装在车辆转向架上。当列车在高速运行时必然产生剧烈震动，定、转子之间发生位移时，其间的气隙厚度保持不变，电动机仍旧能够正常工作。
[0005] 本发明设计的圆盘
驱动轮毂电动机，其特点是转子圆盘与定子电枢圆盘之间形成的工作气隙，是垂直于转子磁极圆盘转动轴线的径向平面气隙。在定、转子部件发生径向位移时，电动机定、转子的轴向气隙厚度不会发生变动，转子磁极圆盘仍旧可以围绕平行于定子电枢圆盘的轴线转动，保持轮毂电动机正常工作。
[0006] 本发明设计的圆盘驱动轮毂电机，着力解决转子磁极圆盘大扭矩传递设计，在定子
铁芯上，采用了特殊的下线槽形和下线方式，设计有特殊的大截面异形齿、槽，可以嵌放很大通电容量的线圈绕组
导线，可以激发出转子磁极圆盘发出更大的驱动扭矩，直接驱动车轮转动。极大地挖掘出该型轮毂电动机所能发出的有效功率。
[0007] 本发明设计方案，在动车运行时因车辆振动导致转子磁极圆盘与定子电枢圆盘产生径向位移时，运用了一对各两套稀土永久磁
钢制作的径向磁悬浮
轴承机构，可以瞬间适应转子圆盘与定子电枢圆盘之间发生的位移变化，并经过两对各三组磁悬浮轴承间隙调控组件对磁悬浮轴承内、外磁钢套之间的间隙实施瞬时调控，继续支承转子圆盘围绕平行于定子电枢圆盘轴线持续运转，电动机仍就能够正常、持续、平稳、安全工作。
发明内容
[0008] 本发明的目的，就是提供一种能够直接驱动城轨列车动车车轮的轮毂电动机，既能够直接传递大扭矩，又能够将绝大部分电动机重量，分置于列车转向架上。并能在列车高速运行时产生剧烈振动的状态下，电动机仍旧能够正常、持续、平稳。安全工作。
[0009] 为实现发明目的，本发明设计了一款用于直接驱动城轨动车车轮的稀土永磁轮毂电动机。所设计的电动机采用动车车轮外径为φ840mm作为样板,电动机的转子圆盘经过转子
外壳直接与动车车轮轮芯辐板连接为一体。动车车轮轮芯外圆圆柱面过盈配装在动车车轮轮毂内孔。车轮轮芯成了电动机转子外壳的组成部件。电动机转子的部分重量也就代替了原车轮轮芯的重量。
[0010] 按上述样板选用的动车车轮设计的电动机，所能实现的技术参数为：电动机转速800-1200转/分(列车车速约为120.7-190公里/小时)工况，电动机功率为60-80千瓦；可发出驱动扭矩不低于380-570
牛-米。需要城轨列车提高运行速度，设计时应将轮毂电电机的额定转速定高。
[0011] 为实现所述技术参数，设计的电动机的转子圆盘外径取为φ500mm，有足够磁能积的十二
块稀土磁钢，作为励磁磁极。磁钢块与背面的导磁体盘置于磁体安装座，成为电动机转子的重要组成部件。磁体安装座与转子外壳组合后与车轮轮芯连接为一体。为了能够极大地挖掘电动所能发出的电功率，定子电枢圆盘外径同样选用φ500mm电枢，设计为在定子铁芯端面上切割径向
辐射形分散的大槽型，并采用了一种特殊的下线方式嵌置线圈绕组。定、转子圆盘之间的平面气隙，设计有气隙安装调节机构，实行气隙厚度调节和电动机工作时的自动控制。三个气隙安装调节机构，均布放置在转子圆盘的磁体安装座径向平面同一圆周上，形成对定子电枢圆盘的轴向
定位，并在电动机运转时，自动控制设计要求平面气隙的均匀厚度。定子电枢圆盘安装在电动机的支承轴上。支承轴设计为中空，内孔可牵出电动机电源缆线和霍尔元件
信号线，同时可用作电动机强制冷却通
风的主流道。电动机支承轴可以按列车动车结构要求，设计制作直接与转向架连接的过渡机件，实现安装连接。
[0012] 进一步，所述转子磁极圆盘包括十二块稀土永久磁钢，导磁体盘，磁体安装座，转子外壳，磁钢
保护罩等组件。六对十二块磁极磁钢设计成等腰梯形柱体，与背面的内、外均为等十二边形的导磁体盘一体置装于磁体安装座的内、外均为等十二边形的柱形
槽孔中。转子磁极圆盘在同定子电枢圆盘安装调整气隙厚度以后，可与转子外壳组合为一体，并用安装
螺栓连接到车轮轮芯。
[0013] 进一步，所述定子电枢圆盘包括定子铁芯，电枢线圈绕组，铁芯安装座，闭槽圆盘，霍尔元件组等组件。定子铁芯采用特殊的工艺将
硅钢片组合成圆筒状，并在其径向平面上，切割三十六个按圆周均布，特殊的大截面异形齿、槽。
电枢绕组下线完成后，
齿槽外面置装导磁材料制作的闭槽圆盘。
[0014] 进一步，所述的电动机气隙调节控制机构组件，包括滚球，球瓦，球瓦座，弹簧，弹簧座体和
锁紧
螺母等。三组电动机气隙调节控制机构组件，均布地安装在磁体安装座径向平面同一圆周
位置，可以调节控制转子圆盘与定子电枢圆盘之间，所形成的平面气隙厚度，并可以在电动机工作高速运转时，定、转子之间发生径向位移时，实行
自动调节控制，保持电动机所需要均匀的气隙厚度。
[0015] 进一步，所述的稀土永久磁钢制作的径向磁悬浮轴承机构包括磁悬浮轴承组件、外磁钢套组安装座、悬浮轴承间隙自动调控机构组件、电动机支承轴、支承轴盖板一、支承轴盖板二、盖板安装螺钉。可以瞬间适应转子圆盘与定子电枢圆盘之间发生的位移变化，[0016] 进一步，所述的两套稀土永久磁钢磁悬浮轴承机构组件包括外磁钢导磁套、外磁钢套、外磁钢导磁圈、外磁钢保护套、内磁钢保护套、内磁钢套、内磁钢导磁圈、内磁钢导磁套、内磁钢安装座。内、外磁钢套之间设计有足以适应转子圆盘与定子电枢圆盘发生错位时的间隙。
[0017] 进一步，所述的两套各三组磁悬浮轴承间隙自动调控机构组件包括
滚动轴承、止动螺钉、间隔
垫圈、销轴、滚动轴承座、弹簧座、锁紧螺母、弹簧。对磁悬浮轴承内、外磁钢套之间的间隙发生变化时，实施瞬时调控。保证两套磁悬浮轴承继续
支撑转子圆盘围绕平行于定子电枢圆盘轴线持续运转，电动机仍就能够正常、持续、平稳、安全工作。
[0018] 进一步，所述的电动机支承轴，承担着安装定子电枢圆盘，电动机所需要的两套稀土永久磁钢制作的径向磁悬浮轴承机构的组装，并将电动机全部固定部件吊装在列车动车转向架的任务。其中电动机支承轴的中空轴孔内，还需要牵出电动机的供
电缆线和霍尔元件信号线，并用作对电动机强制冷却
通风的主流道。
[0019] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020] 一、本发明设计的转子磁极圆盘，十二块稀土永久磁钢磁能积充足。其形体设计为等边梯形柱体，选用合适的配合公差，可与磁体安装座方便地装配和折卸。其等腰梯形柱体的两个侧底面与磁体安装座内、外十二等边形柱孔侧边配合，可传递相当大的扭矩。十二块稀土磁钢背面的导磁盘杜绝了大量的磁损耗。极大地提高了电动机的有效功率。
[0021] 二、本发明所设计的定子铁芯，径向面上切割的三十六个下线槽孔，设计为內圈
槽口窄、槽孔深，
外圈槽口宽、槽孔浅的异形槽孔。电枢线圈绕组下线完成后，齿槽外面置装导磁材料制作的闭槽圆盘。极大地挖掘出了电枢所能发出的电磁扭矩能力。
[0022] 三、本发明设计的圆盘电动机，将转子磁极圆盘与转子外壳组成一体后，再安装到动车车轮轮芯，实际上已将电动机转子的部分重量，转变成了原动车车轮原具有的重量。无论采用何类材料设计制作的圆盘驱动轮毂电机，都不至于对动车车轮增加过多的簧下重量。
[0023] 四.本发明设计方案，在动车运行时因车辆振动，导致转子磁极圆盘与定子电枢圆盘产生径向位移时，运用了一对两套，稀土永久磁钢制作的径向磁力悬浮轴承机构组装，可以瞬间适应转子磁极圆盘与定子电枢圆盘之间发生的位移变化，并经过两套各三组滚动轴承及弹簧等组件机构，对磁力悬浮轴承内、外磁钢套之间的间隙实施瞬间调控，继续支承转子磁极圆盘，围绕平行于定子电枢圆盘轴线持续运转，电动机仍就能够正常、持续、平稳、安全工作。
[0024] 五、圆盘驱动轮毂电动机，是稀土永磁无刷直流电动机的一个新的特种类型。需要配套设计制作专用的
电子驱动器。适合于城轨列车换代、升级，实施自动操控和无人驾驶
附图说明
[0025] 附图1：轮毂电动机总体结构示意图
[0026] 附图2：定子电枢圆盘结构示意图
[0027] 附图3：转子圆盘结构示意图
[0028] 附图4：磁体安装座形体示意图
[0029] 附图5：气隙调节控制组件结构示意图
[0030] 附图6：气隙调节控制组件装配图一
[0031] 附图7：气隙调节控制组件装配图二
[0032] 附图8：磁悬浮轴承机构组装示意图一。
[0033] 附图9：磁悬浮轴承机构组装示意图二
[0034] 附图10：磁悬浮轴承组件示意图。
[0035] 附图11：磁悬浮轴承间隙调控组件图一
[0036] 附图12：磁悬浮轴承间隙调控组件图二
[0037] 附图13：定子铁芯下线异形槽孔形态示意图
[0038] 附图14：稀土永磁钢块形体示意图
具体实施方式
[0039] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明作进一步详细说明。这些描述是针对所选用的动车车轮外径为φ840mm作为样板，设计的圆盘驱动轮毂电动机。但并不限制本发明应用到其他任何类型的城轨列车，对不同外径的动车车轮的配用。推广应用，需要按照该列车所要求的技术指标，列如：列车动车车轮外径；列车运行最高速度；供电电源
电压；列车启动需要的最大扭矩(列车最大载客时的整车总
质量)等。确定电动机的各项技术参数。
[0040] 图1是本发明选用的动车车轮外径为φ840mm作为样板，设计的圆盘驱动轮毂电动机结构示意图。列车供电电源取DC440V.电动机所能实现的主要技术指标：转速800-1200转/分(列车车速约为120.7-190公里/小时)工况，电动机功率为60-80千瓦；可发出驱动扭矩不低于380-570牛-米。
[0041] 如图1所示，电动机包括定子电枢圆盘1、转子圆盘2、转子外壳3、气隙调节控制组件4、磁悬浮轴承机构、磁悬浮轴承间隙调控组件6、电机支承轴7、支承轴盖板一8、支承轴盖板二9、车轮轮箍1.10、动车轮芯1.11。定子电枢圆盘1固定安装在电动机支承轴7，转子圆盘2经过多个安装在定子电枢圆盘1上的气隙调节控制组件4实现电动机气隙调节。调整好所需气隙厚度后，转子圆盘2与转子外壳3组装成一体,组成一体的电动机转子结构通过多个连接螺栓与动车轮芯1.11配装。动车轮芯1.11与动车车轮轮箍1.10按照列车技术条件所要求的过盈量采用加热套装工艺完成。
[0042] 如图2所示，定子电枢圆盘1包括电枢线圈绕组11、定子铁芯12、铁芯安装座13、闭槽圆盘14、霍尔元件15、电机供电缆线16、霍尔元件信号线17。定子铁芯12采用将硅钢片组合成圆筒状，并在其径向端面切割三十六个按圆周均布的异形槽孔。如图6所示，槽孔成內圈槽口窄、槽孔深，外圈槽口宽、槽孔浅的异形槽孔，该结构尽可能加大了槽孔截面积，在上述定子电枢圆盘尺寸下电枢线圈绕组可以实现流通约200安培的大
电流，提高电磁扭矩能力和功率
密度。优选地，电枢线圈绕组分散嵌下于十二个异形槽孔中，电枢绕组线圈下线完成后，外端面置装用导磁材料制作的闭槽圆盘14，其不仅可以消除齿槽的漏磁效应，极大地提高电机发出的有效的电磁功能，还可以减轻电机发出的电磁噪声和震动。完成嵌线的定子铁芯12与铁芯安装座13配装并一体安装到电机支承轴7。电机支承轴7具有中空的内孔，电机供电缆线16同霍尔元件信号线17一并从电机支承轴7内孔中牵出。同时，电机支承轴7内孔还用于连接电机强制冷却的送风机构，用于电枢线圈绕组11的强制风冷。
[0043] 如图3-4所示，转子圆盘2包括磁体安装座21、
永磁体22、导磁盘23、保护罩24、安装孔25。转子圆盘2上设置磁体安装座21，磁体安装座21为圆筒体形结构，磁体安装座21上设置有在径向上内、外圈均为相等边数的等边柱形槽结构，优选为十二边的等边柱形槽结构。沿槽结构的径向上分别向内外设置圆形内环26和外环27。内环26内部为圆中空结构，圆中空结构用于容纳磁悬浮轴承机构。在内环26的圆周上均匀分布多个安装孔25，安装孔25用于容纳气隙调节控制组件4，优选三个安装孔25。在外环27的圆周上均匀分布多个转子圆盘固定孔，通过转子圆盘固定孔实现转子圆盘2与转子外壳3的一体组装。磁体安装座21上的等边柱形槽结构用于安装永磁体22，永磁体22可选择稀土永磁钢块。磁体安装座21用于传递机械扭矩，需要选用不导磁、强度高材料制作。在等边柱形槽结构底部设置导磁盘23，导磁盘23具有与等边柱形槽结构相同边数。永磁体22均制作成等腰梯形柱状，与等边柱形槽结构相适配的设置于等边柱形槽内。保护罩25采用不导磁材料制作，如用不绣钢薄板，安装在磁体安装座21上的磁极端面上。
[0044] 如图5所示，气隙调节控制组件4包括滚球41、球瓦盖42、球瓦座43、弹簧44、锁紧螺母45、座体46。底座46包括圆形
底板461以及位于圆形底板一侧的同轴圆柱462。在圆柱462的外周壁上设置与锁紧螺母45配合的
螺纹，在圆柱462的顶部设置与圆柱462同轴的第一圆形凹槽463，第一圆形凹槽463用于容纳弹簧44，在第一圆形凹槽463的底部设置同轴的直径小于第一圆形凹槽463的第二圆形凹槽464。球瓦座43包括支承滚球41承托部431和导杆432，承托部431包括滚球凹槽，导杆432位于承托部431的凹槽相对侧，导杆432与第二圆形凹槽464相适配。弹簧44位于导杆432的外周，其一端与第一圆形凹槽463底部抵触、另一端与承托部431抵触。球瓦盖42用于限制滚球41在滚球凹槽内运动。
[0045] 如图6-7所示，气隙调节控制组件4安装于转子圆盘2上的安装孔25中。三组气隙调节控制组件4均布地安装在磁体安装座径向平面同一圆周位置，滚球41抵靠在定子电枢圆盘上的
接触点102。通过三组气隙调节控制组件4可分别调节电机的气隙，使其达到技术要求的气隙厚度，同一平面的气隙厚度保持一致。调整好气隙厚度后通过锁紧螺母45锁紧。电机在工作运转时，三个滚球41支撑着定子电枢圆盘1，并同所有气隙调节机构组件一起随同转子圆盘2转动。同时，当定子电枢圆盘1与转子圆盘2产生径向位移时，受弹簧44弹力的作用该机构即可发挥其自动调节功能，保持电机的平面气隙厚度维持不变。
[0046] 如图8-10所示，磁悬浮轴承机构包括一对稀土永磁钢径向磁悬浮轴承组件5、外磁钢套组安装座10。两套磁悬浮轴承组件5分别安装在定子电枢圆盘1两侧，分别实现转子圆盘2、转子外壳3与电机支承轴7的转动连接。磁悬浮轴承组件5包括外磁钢导磁套51、外磁钢套52、外磁钢导磁圈53、外磁钢保护套54、内磁钢保护套55、内磁钢套56、内磁钢导磁圈57、内磁钢导磁套58、内磁钢安装座59。外磁钢导磁套51、外磁钢套52、外磁钢导磁圈53、外磁钢保护套54构成外磁钢套组。内磁钢保护套55、内磁钢套56、内磁钢导磁圈57、内磁钢导磁套58构成内磁钢套组。外磁钢导磁套51为圆环形且位于最外侧，其内表面固定两组极性相对的环形外磁钢套52，两外磁钢套52之间设置环形外磁钢导磁圈53，外磁钢保护套54固定设置于外磁钢套52、外磁钢导磁圈53内表面。内磁钢保护套55设于外磁钢保护套54内，二者之间为悬浮气隙。内磁钢保护套55内表面固定两组极性相对的环形内磁钢套56，两内磁钢套
56之间设置环形内磁钢导磁圈57，内磁钢套56、内磁钢导磁圈57内部固定设置内磁钢导磁套58，内磁钢导磁套58内部与内磁钢安装座59固定连接。内磁钢安装座59与电机支承轴7固定连接。一对外磁钢导磁套51与转子圆盘2和转子外壳3固定连接。
[0047] 在两磁悬浮轴承组件5相对的外侧各分别设置三组磁悬浮轴承间隙调控组件6。如图11-12所示，磁悬浮轴承间隙调控组件6包括滚动轴承61、止动螺钉62、间隔垫圈63、销轴64、滚动轴承座65、弹簧座66、锁紧螺母二67、弹簧二68。弹簧座66内部具有用于容纳滚动轴承座65以及弹簧二68的第三凹槽，弹簧二68的两端分别抵靠在第三凹槽底部和滚动轴承座
65的一端，以使滚动轴承座65能够在第三凹槽内部滑动。滚动轴承座65的另一端内部设置滚动轴承61。三组磁悬浮轴承间隙调控组件6的弹簧座66均匀固定于电机支承轴7的外周侧，滚动轴承61抵靠在外磁钢套组安装座10内侧。外磁钢套组安装座10与外磁钢套组固定连接。
[0048] 首先将两组各三套磁悬浮轴承间隙调控组件6和内磁钢套组与内磁钢安装座59分别安装在电机支承轴7既定位置，然后将两组外磁钢套组与外磁钢套安装座10安装到转子圆盘2。图14是磁力悬浮轴承间隙自动调控机构组件图。在转子发生振动时，导致转子圆盘2与定子电枢圆盘1产生径向位移时，磁力悬浮轴承内、外磁钢套之间的间隙瞬时随之变化，以适应转子圆盘2与定子电枢圆盘1相互间的位移变化。磁悬浮轴承间隙调控组件的滚动轴61和弹簧68可瞬时频烦地进行调节补偿。
