CN107086749B - 电动车用单绕组双速永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁同步电机和无刷直流电机，具体涉及一种电动车用单绕组双速永磁电机，采用星、角接切换开关将绕组相线连接方式进行星、角接切换的同时，对星接绕组的位置信号和角接绕组的位置信号亦进行切换，在转子磁路结构上，采用了内置式磁钢，磁极极靴的外缘线与定子齿组成的气隙采用理想正弦波气隙，消除了绕组相电动势中的3次以上的奇次谐波，从而实现了以单绕组通过连接方式的星、角接切换获得双速，本发明的方案使电机的平均运行效率大为提高，解决了电动车在重载、爬坡需要大扭力问题，增大电动车的续航里程，延长电机的使用寿命。

Description

电动车用单绕组双速永磁电机

技术领域

本发明属于永磁同步电机和无刷直流电机，具体涉及一种电动车用单绕组、双额定转速的永磁同步电机和无刷直流电机。

背景技术

现行的电动车上使用的电动驱动装置绝大多数是直驱式，动力由驱动电机输出，经过差速器(也叫变速箱)减速后直接驱动电动车前轮毂或后轮毂行驶，行驶速度的快慢是靠调节驱动电机的转速来实现的，而电机的调速，则是靠与电机相连的电控装置(即控制器)通过控制输入电机的电源电压或频率来实现的。任何一台电动车，在同等电池容量的前提下，延长续航里程的唯一办法就是要节能，提高驱动电机运行的平均效率。电机效率是电机最重的要参数，一般所指的电机效率是电机在运行时的最高效率点的效率，正常情况下，电机的最高效率点就是电机的额定转速点，对于调速电机，它的转速范围可以从0到额定转速，再从额定转速到最高转速，电机不论是低于额定转速还是高于额定转速下运行，电机的效率都不会是最高的，电机运行的转速与额定转速相差的数值越大，运行效率越低。电动车在行驶过程中，行驶速度有快有慢，由于是直驱式，行驶速度取决于电机转速，电机的运行转速也会有快有慢，电机不可能都在额定转速点运行，所以，电动车驱动电机的平均运行效率总是会低于电机的额定效率，而且比额定效率低很多，要延长电动车的续航里程，提高电机的平均运行效率，就需要增大电机的高效率运行区间，减少低效率运行区间。如何提高电动车驱动电机的平均运行效率，是从事电机研究工作者的一大课题。

下面，从另一层面来考察直驱式电动车驱动电机的运行工况：众所周知，电动车行驶过程中，驱动电机的输出扭力是随行驶工况的变化而不断变化的，当轻载或平整路面或下坡时，电动车所需扭力小，当重载或上坡时，电动车所需扭力大，在电机输出功率不变的前提下，电机的输出扭力与转速成反比，电机转速越高，扭力越小，转速越低，扭力越大，对于直驱式电动车，当电动车需要大扭力时，电机输出大扭力的途径一是加大电流，增大输入功率，二是压缩电机的输出转速。加大电流和压缩电机转速都会是使电机处于过载状态，处于过载状态的电机一般运行在低效率区间，效率低，易发热，温升高，最后的结果是既浪费能源，又缩短了电机的使用寿命。为了获得在爬坡、加速、重载时的大扭力，一般的电动车制造商都是选择加大电机和控制器功率的方法，比如，在平路上载正常负荷只需15kw的电机和控制器就可满足要求的电动车，在考虑要同时满足爬坡、重载时就可能选择30kw的电机和控制器，这样以来，电动车在正常负荷行驶平路的情况下，就会形成一种大马拉小车的状况，浪费资源。对于直驱式电动车，如何让驱动电机在高效率运行的情况下获得大扭力输出，也是电机研究工作者的一大课题。

发明内容

本发明的目的在于针对永磁同步电机和无刷直流电机驱动电动车行驶时，怎样才能提高它的平均运行效率，在电动车重载、爬坡时，如何使电机运行在高效率区间获得大扭力，避免电机发热，保证电机在正常的温升下运行，提供一种技术方案，以达到更节能，增大电动车的续航里程，延长电机的使用寿命的目的。

本发明采用的具体技术方案是：

电动车用单绕组双速永磁电机，包括定子、转子及设置在定子槽内的定子绕组，特点是：定子绕组的头线和尾线抽出作为相线，所述的相线借助三相切换开关连接为星形连接和角形连接并通过三相切换开关在星形连接和角形连接之间切换，所述的位置信息传感器设置有两组且两组之间间隔30°电角度安装。

所述的位置信息传感器为霍尔线路板或旋变编码器，所述的两组位置信息传感器，一组位于定子绕组星接时的检测位，一组位于定子绕组角接时的检测位，两组位置信息传感器的信号线通过传感器切换开关连接有控制线路板，所述的传感器切换开关与三相切换开关联动；

所述的三相切换开关将定子绕组接为星形连接时，传感器切换开关接入位于星接时检测位的位置信息传感器；

所述的三相切换开关将定子绕组接为角形连接时，传感器切换开关接入位于角接时检测位的位置信息传感器。

所述的单绕组双速永磁电机的转子磁路结构，转子磁钢为内置式、气隙磁场为理想正弦波，转子磁极为凸极极靴结构，凸极极靴外缘线与定子齿内缘组成的气隙，其气隙长度δ符合δ＝K/sina，式中K是常量、a为位置角。

本发明的有益效果是：

1、本技术方案中，解决了永磁电机由于星接绕组和角接绕组电流换相时转子的最佳位置存在30°电角度差异，绕组的连接方式无法实现星、角接切换，即：无法实现电机单绕组以星、角接切换方式获得两个额定转速的问题。

2、本技术方案中，解决了绝大多数永磁电机由于反电动势中大量存在3次和3的倍数次谐波，定子绕组的连接方式只可以星接、不可以角接，即：无法实现以角接的方式来获得高额定转速的问题。

附图说明

图1是转子理想正弦波气隙磁场铁芯冲片图

图2是单绕组双速电机的运行模式切换连接图

图3是单绕组双速电机的转速与效率、转矩曲线图

图4是普通电机的转速与效率、转矩曲线图

附图中：1、气隙，2、转子极靴，3、磁钢，4、定子绕组，5、控制线路板，6、三相切换开关，7、传感器切换开关，8、相线切换开关与转子位置信号切换开关联动控制板，9、位置信息传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：

电动车用单绕组双速永磁电机内部包括定子绕组4，转子理想正弦波气隙1，转子极靴2、转子磁钢3，定子绕组4的六根相线U1、V1、W1、U2、V2、W2与控制器5，三相切换开关6连接，双速永磁电机的两路位置信息传感器9的信号线与转子位置信号切换开关7连接，通过相线切换开关与转子位置信号切换开关控制板8实现三相切换开关6与转子位置信号切换开关7联动，从而实现电机的高、低速模式的切换运行，进而获得高、低两个额定转速。

所述的位置信息传感器为霍尔线路板或旋变编码器，所述的两组位置信息传感器，一组位于定子绕组星接时的检测位，一组位于定子绕组角接时的检测位，两组位置信息传感器的信号线通过传感器切换开关连接有控制线路板5，所述的传感器控制开关与三相切换开关6联动；相线切换开关与转子位置信号切换开关控制板8采用单片机或其他成熟硬件驱动，借助控制线路板5驱动执行操作，所述操作的流程为：

所述的三相切换开关6将定子绕组4接为星形连接时，传感器切换开关接入位于星接时检测位的位置信息传感器9；

所述的三相切换开关6将定子绕组4接为角形连接时，传感器切换开关接入位于角接时检测位的位置信息传感器9。具体接入方式参考图3所示转速。

根据图4普通电机的转速与效率、转矩曲线特性图，电机的最高效率点就是电机的额定转速点，既然最高效率点就是电机的额定转速点，那么电机运行的高效率区间当然就是额定转速点前后的区间，我们可以在电机的调速范围内，设计两个额定转速，在本发明中，我们就是利用电机绕组相线星、角接的不同连接方式的切换实现所谓的双速。两个额定转速一个在高速区，一个在低速区，当电机角接运行在高速区域时，电机效率处于高效率区间，当电机运行在星接低速区域时，电机效率也处于高效率区间。这样，它可以同时解决电动车低速行驶时效率低，电动车重载、爬坡时要靠增大电流、压缩电机转速来获得大扭力，从而导致电机发热、温升高的问题。

本发明中，实现永磁电机单绕组通过星、角接切换实现两个额定转速的技术方案关键技术是：

第一，永磁电机的星接绕组与角接绕组的转子位置信号的最佳位置相差30°电角度，采用同一个霍尔线路板或旋变编码器，电机在星接和角接不同模式运行不可以共用，本方案采用两个安装位置相差30°电角度的霍尔线路板或旋变编码器，分别对应星接和角接的最佳位置，以此得到的星接位置信号和角接位置信号通过转子位置信号切换开关7与相线星、角接切换开关6联动，分别匹配于电机星接运行与角接运行，获得两个额定转速；

第二，通常永磁电机的转子气隙磁场大多数是等气隙长度的方波磁场，这种方波磁场感应的绕组相电动势也为方波，由于方波反电动势中含有大量3次和3的倍数次谐波，定子绕组的连接方式只可以采用星接，如果采用角接，则3次和3的倍数次谐波电动势会在角接的闭路环形中产生环流，使铜损增加，电机发热，温升提高，效率降低，本方案的转子磁路结构如图1所示，采用内置磁钢3，凸极转子极靴2，转子气隙长度δ符合δ＝K/sina、式中K是常量、a是位置角的理想正弦波气隙1，这种理想正弦波气隙磁场感应的绕组相电动势也为理想正弦波，3次以上的奇次谐波含量极低，电机绕组无论角接还是星接运行，对电机的性能没有影响，因而可以用星、角接切换的原理来实现电机的双速。

采用一个绕组，利用星接和角接的运行模式切换，获得星接时的低额定转速、角接时的高额定转速，低额定转速与高额定转速的转速之比为0.577、输出转矩之比为1.732，即：星接额定转速是角接额定转速的0.577倍，星接输出转矩是角接输出转矩的1.732倍。

下面，将按上述方案制作的双速无刷直流电机与普通无刷直流电机进行对比：

图3是双速无刷直流电机转速与效率、转矩曲线图，特征点的设计参数和实际测试的参数见下表。

设计参数

实际测试参数

图4是普通无刷直流电机转速与效率、转矩曲线图，特征点的设计参数和实际测试的参数见下表。

设计参数

额定功率kw	额定转速r/min	额定效率％	峰值转矩N.m	堵转转矩N.m
					5.0	4000	91.0	23.8	65

实际测试参数

额定功率kw	额定转速r/min	额定效率％	峰值转矩N.m	堵转转矩N.m
					5.0	4080	91.3	23.6	64

通过图3和图4的对比分析，可以看出，双速电机有两个最高效率点，一个高速额定点，效率90％，一个低速额定点，效率91.5％，普通电机只有一个效率最高点，额定点效率91.3％。双速电机的高效率区间远大于普通电机的高效率区间，在0——空载转速范围内，双速电机的平均运行效率是74.4％，普通电机的平均运行效率是64％，双速电机比普通电机大10.5％。双速电机的额定转矩和堵转转矩比普通电机大1.732倍。因此，采用单绕组双速电机的技术方案完全可以解决电动车在行驶过程中提高平均运行效率，获得更大扭力输出，避免电机发热，达到更节能，延长续航里程的目的。

本发明的无刷直流双速电机和永磁同步双速电机样机经测试，完全达到预想的效果。

本发明与现有的普通电机相比所产生的有益效果如下：

(1)解决了电动车驱动电机行驶过程中平均运行效率低下的问题，提高了电机的平均运行效率，节约了电能，延长了电动车的续航里程，具有广阔的应用前景。

(2)解决了电动车在重载、爬坡需要大扭力的问题，避免了普通电机在重载、爬坡时电机运行效率低下，易发热、温升高，使用寿命短的缺陷。

Claims (1)

1.电动车用单绕组双速永磁电机，包括定子、定子绕组、转子、位置信息传感器，定子与转子之间的气隙形成理想正弦波磁场，所述的定子绕组为三相绕组，其特征在于：定子绕组的头线和尾线抽出作为相线，所述的相线借助三相切换开关连接为星形连接和角形连接并通过三相切换开关在星形连接和角形连接之间切换，所述的位置信息传感器设置有两组且两组之间间隔30°电角度安装；

所述的位置信息传感器为霍尔线路板或旋变编码器，所述的两组位置信息传感器，一组位于定子绕组星接时的检测位，一组位于定子绕组角接时的检测位，两组位置信息传感器的信号线通过传感器切换开关连接有控制线路板，所述的传感器切换开关与三相切换开关联动；

所述的三相切换开关将定子绕组接为星形连接时，传感器切换开关接入位于星接时检测位的位置信息传感器；

所述的三相切换开关将定子绕组接为角形连接时，传感器切换开关接入位于角接时检测位的位置信息传感器；

所述的转子设置有内置式磁钢，转子磁极为凸极极靴结构，凸极极靴外缘线与定子齿内缘组成的气隙，其气隙长度δ符合δ= K/sina，式中K是常量、a为位置角。