一种适用于150t级及以上自卸车的嵌入式轮毂电机

技术领域

本发明涉及非公路自卸车技术领域，具体的是一种适用于150t级及以上自卸车的嵌入式轮毂电机，主题名称中的150t级是根据实施例中的一种可能情况而提出的，其不构成对本发明创造技术方案及技术领域的限制。

背景技术

非公路（矿用）电动轮自卸车（以下简称自卸车或车辆）是在露天矿山为完成岩石土方剥离与矿石运输任务而使用的一种重型车辆，其工作特点为运程短、承载重、外形高大、动力强劲，自1963问世以来，经过了不断功能完善、新技术更新、新材料及新工艺的采用，装载质量也发展到目前的360吨，形成多系列产品，成为年开采量千万吨级以上露天矿山、大型水利建设工程的理想运输工具。常规自卸车及在此基础上改进的电动自卸车，其车架结构、转向机构、悬挂系统等部分均按照常规动力装置进行设计，结构复杂，占用空间大，不利于整车设计、简化结构。

悬挂系统是车架与车轴，即车辆行走装置（包括但不限于轮毂、轮辋、轮胎等车轮相关部件）之间的弹性连接传力机件的统称，是电动轮汽车最重要的总成之一。车辆行走装置中的轮辋结构较为常见，如中国专利文献：CN 212949991 U就公开了一种专用于电动轮自卸车的工程轮胎，以及与该轮胎相匹配适用的轮辋结构：轮辋包括辋体、座圈、挡圈、锁圈、气嘴等；辋体用于装配、支撑工程轮胎；座圈是指与辋体可拆卸连接的轮胎轴向支承部件；挡圈是指与轮辋体可拆卸连接的轮缘，具有锁圈作用；锁圈是指对挡圈和/或座圈起锁止作用的座落在锁圈槽内的弹性圈。电动轮自卸车是指采用轮毂电机直接驱动的矿用自卸车，用电传动代替传统的离合器、变速器、传动轴及主减速器与差速器等机构，从而使汽车的结构大为简化。电传动自卸车按其电动机的布置位置又可分为电动桥自卸车和电动轮自卸车。电动桥自卸车是将电动机置于驱动桥壳内，由2个电动机分别通过减速齿轮半轴、轮边减速器来驱动两边的车轮，驱动桥的结构与机械传动自卸车相仿；电动轮自卸车是将电动机直接置于车轮轮毂内，并与传动系统、制动器及轮边减速器结合成为一个整体，轮毂电机是将车子的“动力系统、传动系统、刹车系统”集成到一起而设计出来的电机。电传动具体就是指发动机直接带动发电机，发电机发出的电直接供给电动机，通过电缆将电能送到与驱动轮轮边减速器结合在一起的驱动电动机，驱动车轮转动的传动形式。在电动轮技术发展初期一般采用直流电动机驱动系统，该系统具有低转速高扭矩的特性，传动效率也比较高。但随着技术的发展，与交流电动机相比，直流电动机体积和重量都较大，噪声大，电磁干扰严重，机械特性较软。交流电动机具有体积小、重量轻、结构简单、成本低和维修工作量小等优点，这些都是直流电动机无法做到的。电传动系统由直流电动机驱动到交流电动机，驱动是必然的发展趋势。针对露天矿运输距离小，线路坡度大，行车速度低以及运输环境多粉尘等特点，高效节能而且防护等级高的交流电动机是最佳选择。随着技术的不断进步，直流电机和交流电机都在趋利避害，在其应用到自卸车领域时，直流电机也尽可能缩小体积，使电机能够与车轮更加紧密地结合，以简化车体各部分结构、提高工作效率。

永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子可做成实心，也可用叠片叠压。电枢绕组可采用集中整距绕组的，也可采用分布短距绕组和非常规绕组。

参考文献：

1、永磁同步电动机的结构特点分析，陈磊、李洪章，电站系统工程.2011,27(04)；

2、永磁同步电机（https://baike.baidu.com/item/永磁同步电机/8717409问号fr=aladdin）；

3、（考虑参考以便区分现有技术）申请号为CN202110750035.7的中国专利文献；

4、中国专利文献：CN212949991U一种专用于电动轮自卸车的工程轮胎；

5、中国专利文献：CN109546799A 矿用自卸车大型电动轮直驱外转子轮边驱动电机。

发明内容

本发明的目的是：提供一种结构简单、紧凑、布局合理的矿用自卸车大型电动轮直驱外转子轮毂驱动电机，以解决现有技术中驱动系统结构复杂、故障点多，重量大等技术问题，实现自卸车驱动系统的运维简单、故障率极低、运载能力大等目的。

特别说明：本申请主题名称中的150t级，可以是指自卸车的载重质量，也可以是整车自重，还可以是满载情况下载荷与整车自重之和。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于150t级及以上自卸车的嵌入式轮毂电机，以下简称“轮毂电机”，其特征在于：

所述轮毂电机为永磁同步交流电机，采用外转子结构设计；

所述轮毂电机包括定子、转子、电枢绕组、永磁体；

电枢绕组设置在定子上，该定子构成车辆车轮的轮轴；

车轮的轮辋构成轮毂电机的转子，且永磁体设置在轮辋的内壁；

轮毂电机两侧均分别设有端部，端部与定子相接触一端设有轴承以实现与定子相活动连接；

所述定子设置在轮辋内、且与其同轴，定子朝向车辆悬挂系统的内侧一端设有连接盘，该连接盘通过连接部件与车辆的悬挂系统相连接。

所述轮辋包括辋体、座圈、挡圈、锁圈、气嘴；辋体用于装配、支撑工程轮胎；座圈是指与辋体可拆卸连接的轮胎轴向支承部件；挡圈是指与轮辋体可拆卸连接的轮缘，具有锁圈作用；锁圈是指对挡圈和/或座圈起锁止作用的座落在锁圈槽内的弹性圈。

所述轮毂电机两侧的端部分别是前端盖、后端盖，前端盖是指朝向车辆外侧、远离悬挂系统方向的端部，后端盖是指朝向车辆内侧、靠近悬挂系统方向的端部；后端盖设有刹车盘；车轴内侧的连接盘上设有刹车钳；刹车钳与刹车盘相装配连接。

所述轴承包括第一轴承、第二轴承，第一轴承靠近前端盖，第二轴承靠近后端盖。

所述定子包括轴主体段、轴装配端，轴主体段位于转子的中轴线处、用于装配包括但不限于电枢绕组、铁芯、动力电缆、控制电缆、冷却水管、刹车油管；轴装配端位于轴主体段朝向悬挂系统一侧的端部，轴装配端呈圆盘状、且其边缘进一步沿轴向向内延伸形成连接盘。

所述轴装配端沿径向的直径大于轴主体段的截面直径。

所述轮毂的宽度为1000-1500mm，直径为1500-2000mm，上述宽度和直径均以轮毂的最外轮廓为准。

所述轮毂电机的规格尺寸小于或等于轮毂的规格尺寸。

所述轮毂电机的宽度为1000-1500mm，直径为1500-2000mm。

所述转子，即轮毂的最低处（该处到轮毂电机的中心轴线的垂直距离最小）到轮毂电机的中心轴线的垂直距离小于1500mm。

优选地，所述轮毂电机的宽度为1037-1210mm，直径为1638-1710mm。

本发明的有益效果是：

1、所述自卸车轮毂电机采用特殊结构设计的外转子来实现对大型电动轮直接传送动力，去除了减速箱减速传动部分，实现了结构紧凑，故障率低，并且维护简单。又因为外转子的内表面采用永磁机构，定子轴采用水冷结构，所以散热效果好，功率密度高，效率高；

2、每个车轮可以单独控制，便于实现性能更佳的、成本更低的牵引力控制系统（TCS )、防抱死制动系统（ABS）及动力学控制系统(VDC)，容易实现汽车底盘系统的电子化、主动化，能极大地改善车辆的驱动性能和行驶性能；

3、配合上述电机，所述自卸车采用特殊结构、形状的车架设计和悬挂系统，最大化地简化、优化车体结构，实现载重不变、甚至增加的情况下，使整车结构紧凑、体型变小、布局合理，故障率极低，极少维护、甚至无需维护；

4、所述自卸车采取轻量化设计，一方面采用特殊设计的电机、悬挂系统、车架，使自卸车省去、简化了很多常规设备，整车装备简化、减重；另一方面，车厢厢体采用钢板与铝合金插条相拼接设计，进一步给整车减重。

附图说明

附图如下：

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图，图中：

ha为轮毂的宽度，hb为轮毂半径，hc为轮毂的最低处到轮毂电机的中心轴线的垂直距离小，图中中间的水平点划线即为轮毂电机的中心轴线。

其中，

1悬挂系统 2连接部件 3刹车盘 4连接盘 5后端盖 6辋体 7第二轴承 8第一轴承9座圈 10挡圈 11锁圈 12气嘴 13前端盖 14电枢绕组 15永磁体 16定子（轮轴） 17转子（轮辋） 18轴主体段 19轴装配端。

具体实施方式

【实施例1】

如图1、2所示，本实施例所述一种适用于150t级及以上自卸车的嵌入式轮毂电机，以下简称“轮毂电机”，其特征在于：所述轮毂电机为永磁同步交流电机，采用外转子结构设计；所述轮毂电机包括定子、转子、电枢绕组、永磁体；电枢绕组设置在定子上，该定子构成车辆车轮的轮轴；车轮的轮辋构成轮毂电机的转子，且永磁体设置在轮辋的内壁；轮毂电机两侧均分别设有端部，端部与定子相接触一端设有轴承以实现与定子相活动连接；所述定子设置在轮辋内、且与其同轴，定子朝向车辆悬挂系统的内侧一端设有连接盘，该连接盘通过连接部件与车辆的悬挂系统相连接。需要说明的是：本实施例所述轮毂电机，为外转子电机，与常规电机不同的是，其以车轮的轮辋、轮毂并配合端盖等构成电机壳，即将整个电机全部装配到轮辋内部，以轮轴为定子，该定子在内部、且固定不动（不发生转动），而车轮的轮辋为转子（同时作为电机的壳体），该作为转子的轮辋外部直接装配专用的工程轮胎，构成完整的车轮。上述设计的优点在于，电机被全部装配到车轮内部，电机不再占用轴向空间，通过轮胎扁平比的进一步优化设计，并配合专用的悬挂系统，可实现驱动系统和行走装置的进一步整合，车轮的宽度即为电机的最大宽度，由此可大幅减少常规技术中传动系统、悬挂系统、驱动系统中不必要的结构及装配关系，使整车底盘进一步简化。此外，通过配套的动力控制系统，可实现单个车轮的独立控制，并由此实现更加灵活的行走方式，使装配该种电机的自卸车或其他机械、车辆使用更加方便。

所述轮辋包括辋体、座圈、挡圈、锁圈、气嘴；辋体用于装配、支撑工程轮胎；座圈是指与辋体可拆卸连接的轮胎轴向支承部件；挡圈是指与轮辋体可拆卸连接的轮缘，具有锁圈作用；锁圈是指对挡圈和/或座圈起锁止作用的座落在锁圈槽内的弹性圈。关于轮辋的具体结构，还可进一步参考任何现有技术中的方案，不再赘述。

所述轮毂电机两侧的端部分别是前端盖、后端盖，前端盖是指朝向车辆外侧、远离悬挂系统方向的端部，后端盖是指朝向车辆内侧、靠近悬挂系统方向的端部；后端盖设有刹车盘；车轴内侧的连接盘上设有刹车钳；刹车钳与刹车盘相装配连接。

所述轴承包括第一轴承、第二轴承，第一轴承靠近前端盖，第二轴承靠近后端盖。

所述定子包括轴主体段、轴装配端，轴主体段位于转子的中轴线处、用于装配包括但不限于电枢绕组、铁芯、动力电缆、控制电缆、冷却水管、刹车油管；轴装配端位于轴主体段朝向悬挂系统一侧的端部，轴装配端呈圆盘状、且其边缘进一步沿轴向向内延伸形成连接盘。

【实施例2】

在上述实施例基础上，本实施例给出了一种具体化的轮毂电机规格尺寸范围，具体如下。

所述轴装配端沿径向的直径大于轴主体段的截面直径。本实施例中，轴装配端的结构用于适配悬挂系统的连接部件，即在保证受力分配及平衡的情况下，使车轮（包括轮辋和电机等）能够以最简化的连接结构件与悬挂系统相装配连接。而轴主体段的作用在于承载车轮，并装配轮毂电机，因此，轴上体段应当在保证强度情况下采用更加适合的规格尺寸，使轮轴与轮辋之间所形成的电机容纳腔更加宽敞，以便于在其内更自由灵活地装配电机相关部件。基于以上考虑，轴装配端的直径大于轴主体段的直径，使轮轴与悬挂系统之间的装配更加稳固；另，轴装配端的轴向高度（即以图1视角下，连接盘的宽度）应尽可能地缩小，以使电机容纳腔更大。优选地，上述轴装配端的轴向高度在1-300mm之间，更优选地可在80-240mm之间。

所述轮毂的宽度为1000-1500mm，直径为1500-2000mm，上述宽度和直径均以轮毂的最外轮廓为准。

所述轮毂电机的规格尺寸小于或等于轮毂的规格尺寸。

所述轮毂电机的宽度为1000-1500mm，直径为1500-2000mm。

所述转子，即轮毂的最低处（该处到轮毂电机的中心轴线的垂直距离最小）到轮毂电机的中心轴线的垂直距离小于1500mm。

优选地，所述轮毂电机的宽度为1037-1210mm，直径为1638-1710mm。

本实施例中所述轮毂电机的规格尺寸，主要适用于申请人所主要研发的非公路矿用自卸车，除此之外，所述轮毂电机也可适用于其他重型车辆，甚至通过对车轮轮毂的常规改造以将所述轮毂电机适用于其他机械装置。

关于电机的其他基本构成，包括但不限于以下文献：CN209913632U一种纯电动非公路刚性自卸车大功率水冷开关磁阻电机、CN103124127A具有定子水冷结构的无轴系外转子永磁同步电动机、CN205811826U一种外转子永磁同步电动机等已做了说明，对于公知常识部分本处不再赘述。

【实施例3】

在上述实施例基础上，本实施例给出了一种具体化的轮毂电机规格参数，具体如下。

一.根据矿车技术参数确定轮毂电机型号

1.矿车的主要技术参数

2.牵引力的计算

2.1牵引力=重力的分量+摩擦力

F=Mgcosθ+μMgsinθ

2.1.1额定爬坡牵引力Fe

Fe=Mgcosα+μMgsinα

其中:

M:整车运行总重

g:重力加速度

α：额定爬坡角度值

α=arctani=arctan0.125=7.125°

代入计算得：Fe=246.1KN。

2.1.2最大爬坡牵引力Fmax

Fmax=Mgcosβ+μMgsinβ

其中:

M:整车运行总重

g:重力加速度

β：最大爬坡角度值

β=arctanimax=arctan0.284=15.86°

代入计算得：Fe=483.3KN。

2.2单个轮胎牵引力

2.2.1单个轮胎额定牵引力Fe1

Fe1=Fe/q

其中:

Fe:额定爬坡牵引力

q:轮胎数量

代入计算得：Fe1=61.5KN。

2.2.2单个轮胎最大牵引力Fmax1

Fmax=Fmax/q

其中:

Fmax:最大爬坡牵引力

q:轮胎数量

代入计算得：Fe1=120.8KN。

3.扭矩的计算

3.1扭矩=牵引力*轮胎半径

Me=F*r

3.1.1单轮额定扭矩Me

Me=Fe1*r

其中:

Fe1:单个轮胎额定牵引力

r:轮胎半径

代入计算得：Me=78747.2N·m。

3.1.2单轮最大扭矩Mmax

Mmax=Fmax1*r

其中:

Fmax1:单个轮胎最大牵引力

r:轮胎半径

代入计算得：

Mmax=154652.1N·m。

4.轮毂电机转速及功率的计算

4.1额定转速ne

ne=νe/60πD

其中:

νe:额定速度

D:车轮直径

代入计算得：ne=22.8r/min。

4.2轮毂电机功率

P=Me*n/9549

其中:

Me：扭矩

n：转速

4.2.1轮毂电机额定功率

Pe=Me*ne/9549

其中:

Me：单轮额定扭矩

ne：额定转速

代入计算得：Pe=188.1KW。

二.根据计算数据选用轮毂电机

1.选用电机的参数为：

2.车速的确定

2.1额定车速νe

νe=60neπD

其中:

ne:电机额定转度

D:车轮直径

代入计算得：νe=11km/h。

2.2最大车速νmax

νmax=60nmaxπD

其中:

nmax:电机最大转度

D:车轮直径

代入计算得：νe=32.8km/h。

3.牵引力的核算

3.1额定牵引力核算

3.1.1额定单轮牵引力

Fe1=Me1/r

其中:

Me1:电机额定扭矩

r:轮胎半径

代入计算得：Fe1=67.2KN。

3.1.2额定总牵引力

Fe=Fe1*q

其中:

Fe1:电机额定扭矩

q:轮胎数量

代入计算得：Fe=268.8KN。

3.2最大牵引力核算

3.2.1最大单轮牵引力

Fmax1=Mmax1/r

其中:

Mmax1:电机最大扭矩

r:轮胎半径

代入计算得：Fmax1=125KN。

3.2.2最大总牵引力

Fmax=Fmax1*q

其中:

Fmax1:电机额定扭矩

q:轮胎数量

代入计算得：Fmax=500KN。

选用电机的额定和最大牵引力均大于测算数据，最后得出结论：选用轮毂电机合格。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明创造的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明创造进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明创造的权利要求范围当中。