CN101304206A - 兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，所述可调速旋转电机为变磁阻双凸极电机，所述变磁阻双凸极电机包括定子和转子，定子的凸极上安装有励磁绕组，并且同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，各极上的绕组以串联形式连接，同时在实现电磁制动使绕组持续通电时，使定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的各极弧相加后的总极弧边距位于60度～200度之间，并且重合的各极弧在圆周上对称分布，所述的转子凸极齿宽大于槽宽。本发明提供一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机。

Description

兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机

技术领域

本发明涉及一种可调速旋转电机。

背景技术

电动汽车是一种节能减排的交通工具，目前已得到世界各国的广泛重视，并被公认为节能、环保的未来汽车。电动汽车主要分为燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类。而这三类中任一种电动汽车都要用电动机作为执行机构来驱动车轮行驶。

现有技术中电动汽车的驱动电机，通常采用交流异步或直流电机，它具有电动、发电回馈的功能；但是不具备电磁制动功能；另外，在电动自行车中的轮毂式电机通常采用的直流电机，其也仅仅具有电动或者发电回馈的功能，也并不具有电磁制动的性能。良好的电磁制动，能避免采用机械制动所固有的热衰退和水衰退现象，提高汽车的制动效能及其恒定性，即提高汽车的安全性能。

发明内容

为了克服已有可调速旋转电机不具有电磁制动功能的不足，本发明提供一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，所述可调速旋转电机为变磁阻双凸极电机，所述变磁阻双凸极电机包括定子和转子，定子的凸极上安装有励磁绕组，并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，各极上的绕组以串联形式连接，为充分发挥电机的电磁制动效能，要求为实现电磁制动使绕组持续通电时，能使定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的极弧边距尽可能大。本发明电机要求所重合的各极弧相加后其总极弧边距位于60度～200度之间，并且重合的各极弧在圆周上对称分布，反映在电机结构上即使凸极齿宽尽可能增大，通常磁阻电机的凸极齿宽小于槽宽。而本发明的转子凸极齿宽大于槽宽。并且也需尽可能减少绕组相数，这即可增大凸极齿宽，也减少了驱动控制器的功率开关元器件数，即有利于降低其成本。因此本发明的电机绕组仅为3相和2相两种结构，下面分别描述：

进一步：3相磁阻电机的定子凸极齿宽也大于槽宽，同时定子极数大于转子极数，定子极数为6的整倍数，而转子极数为4的相同整倍数，并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反，各极上的绕组以串联形式连接。

或者是：2相磁阻电机的定子极数小于转子极数，定子极数为4的整倍数，而转子极数为6的相同整倍数(在此需顺便说明以往此类电机的相数大于等于3，转子极数通常小于定子极数，而在此提出了不同的结构)，为使电机在正、反方向均有自起动能力，要求转子凸极为永磁体，并以异向极性间隔排列，同时也要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反，各极上的绕组以串联形式连接。

作为优选的一种方案：所述可调速旋转电机为轮毂式电机，所述转子位于定子外侧。

或者是：所述可调速旋转电机为伺服控制电机，所述转子位于定子内侧。

所述的转子上同轴连接有与转子凸极分布位置相对应的透光码盘，在定子上安装有与定子凸极分布位置相对应的光电耦合开关，所述透光码盘与所述光电耦合开关配合。

本发明的技术构思为：通过对当前(直流、交流、变磁阻、步进等)各类调速电机的结构原理和特性的分析、比较推理，本发明采用了变磁阻双凸极电机的基本结构形式。并通过制作电机模型，多次改进设计，反复模拟试运行，特别是通过合理安排电机双凸极齿与槽的相对宽度和其绕组的空间布局，来提高和兼顾其电机所要求的多项性能。

该电机的结构原理，首先需应用变磁阻(双凸极)电机所产生电磁转矩的基本表达式：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{1}{2}\frac{\∂L\left(\mathrm{\θ}\right)}{\∂\mathrm{\θ}}{i}^2---(1-1)$

它表明该类电机所产生的瞬时电磁转矩T_em正比于电感L对其转角θ的导数以及电流i的平方。若电感L是随着转角θ的增加而增加时，绕组通入电流所产生的电磁转矩为正，即电磁转矩为驱动性的，电机运行于电动机状态；若电感L是随着转角θ的增加而减少时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性的，电机运行于发电机状态。

利用上述变磁阻电机运行原理即可说明对电机改进的基本思路：

根据电磁转矩公式(1-1)可知电感L对其转角θ的导数，即磁导(电感)变化率越大，其电磁转矩T_em越大。反映在电机结构也就是电机凸极槽距(Δθ)的减小有利于提高输出电磁转矩T_em。如此从结构上来说，即可适当减小槽距，从而增大凸极齿宽(在此需顺便说明以往此类电机的凸极齿宽一般小于其槽宽，而在此以极力增大凸极齿宽为目的)，并且凸极齿宽的增大也正好在电机兼作制动时能增大其电磁制动力矩。同时还通过设法减少绕组相数来增大了凸极齿宽。

同时又考虑到为减小电机低速时的转矩波动而引起的噪声和振动，需设法通过增加极数来减小转子极距角，并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反，各极上的绕组以串联形式连接。

总之，为了兼顾电动、制动两项功能的发挥，电机的设计原则是：通过减少相数增大凸极齿宽来提高其电磁制动力矩，通过增加极数来减小电动时的转矩波动，即减小步距角。另外，也可采用改变运行拍数或如同步进电机采用细分驱动电路的方式来设法减小步距角。如本电机模型1(如附图1所示)可采用单三拍、双三拍和六拍多种运行方式，其步距角六拍就比三拍少一半。而电机模型2(如附图2所示)可采用单四拍、双四拍和八拍多种运行方式，其步距角八拍也比四拍少一半。

为满足电动汽车对电机的调速要求，在电动驱动车轮运行状态下，低速时须采用电流斩波控制(CCC)以得到恒转矩调速控制；高速时须采用角度位置控制(APC)或称单脉冲触发模式，以实现恒功率调速控制。

由于该电机运行时，需要根据汽车运行的实际工况，随时改变电机的运行方式，使其运行于电动、发电回馈或电磁制动任一种状态下。为此，根据变磁阻电机运行原理，需配备转角θ位置检测装置，可采用接近开关式、磁敏式、光电式等各种形式。在此为提高抗干扰能力，可用光电式：即按外转子凸极的分布位置做一码盘，与外转子同轴连接，而在内定子相应位置上安装有若干对光电耦合开关。当然也可利用电机绕组电感随转子位置变化的这一特性，通过测量非导通绕组电感来推断转子的位置。转角θ位置检测装置通过计时运算也可兼作速度检测用。

本发明的有益效果主要表现在：1、兼有电动、发电回馈和电磁制动功能；2、成本低。

附图说明

图1是可调速旋转电机的一种示意图。

图2是另一种可调速旋转电机的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、2对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1，一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，所述可调速旋转电机为变磁阻双凸极电机，所述变磁阻双凸极电机包括定子2和转子1，定子2、转子1的凸极齿宽均大于槽宽，所述定子极数大于转子极数，定子极数为6的整倍数，而转子极数为4的相同整倍数。附图1中电机模型的倍数为2，即为三相12/8极磁阻电机。为减小电动时的转矩波动，需通过增加极数来减小步距角，其倍数可增大为3、4、5。并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反，各极上的绕组以串联形式连接。

附图1中电机模型的外转子凸极齿距为26度，槽距为19度；其内定子的凸极齿距为18度，槽距为12度。

所述可调速旋转电机为轮毂式电机，所述转子位于定子外侧，图1中外转子1、内定子2、A相绕组3、B相绕组4、C相绕组5。

或者是：所述可调速旋转电机为伺服控制电机，所述转子位于定子内侧。

所述可调速旋转电机还包括转角位置检测装置。所述可调速旋转电机还包括电流斩波控制电路和角度位置控制电路或称单脉冲触发电路。

本实施例的电机运行在电动驱动功能时的原理和过程：

为便于说明采用最简单的单三拍运行方式来描述其工作过程：当某相绕组通电励磁时，所产生的磁场力力求使磁路磁阻减少，即磁力线力图通过磁阻最小途径，转子将受到磁阻转矩作用，使得转子的凸极齿与该相定子磁极上的齿相重合。当这一过程接近完成时，适时切断原励磁相电流，并以相同方式给定子下一相励磁，则将开始第二个完全相似的作用过程。为此，电机需通过转角θ位置检测装置检测到定、转子的相对位置。若以附图中定、转子所处位置为起始点，依次轮流按A→B→C→A顺序通电，外转子就会不断地按逆时针方向转动；若按A→C→B→A的顺序通电，电动机就会顺时针方向转动。双三拍的通电方式为：AB→BC→CA→AB；而六拍的通电方式为：A→AB→B→BC→C→CA→A。每一循环周期转子均转过45度，即三拍的步距角为45/3＝15度，而六拍的步距角为45/6＝7.5度，所以步距角六拍就比三拍少一半。

电机运行在发电回馈功能时的原理和过程：

当电动汽车需降速或下坡运行时，可利用动能惯性来实现发电回馈制动。根据前述对电磁转矩基本表达式的分析可知，当电感L随着转角θ的增加而减少(即外转子的凹槽趋向绕组凸极)时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性的，电机运行于发电机状态。通过转角θ位置检测装置当检测到外转子的凹槽趋向于某一绕组凸极时，即刻接通该相绕组电路，而在转子的下一凸极接近该绕组凸极时，就切断该相绕组电路。如此反复即能以脉冲形式给蓄电池充电。

电机运行在电磁制动功能时的原理和过程：

当电动汽车经降速后需制动停止前进时，可保持某两相绕组持续通电，如附图所示位置，即为A、C两相绕组持续通电后产生的电磁制动而保持的定转子相对位置，由图可知电机圆周的对称四边均有两对凸极齿被电磁力吸住，并且所重合的各极弧相加后其总极弧边距可达116度。如当电机由于动能惯性较大时，需利用转角θ位置的检测，并采用与发电回馈制动相结合的方法反复进行，直至转角θ的位置检测无变化即停止为止。

另外，如电机模型的参数为：外转子凸极齿距为35度，槽距为10度；其内定子的凸极齿距为20度，槽距为10度。A、B、C三相绕组持续通电后产生的电磁制动而保持的定转子相对位置，所重合的各极弧相加后其总极弧边距可达200度。

实施例2

参照图2，一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，所述可调速旋转电机为变磁阻双凸极电机，所述变磁阻双凸极电机包括定子2和转子1，转子1的凸极齿宽大于槽宽，所述定子极数小于转子极数，定子极数为4的整倍数，而转子极数为6的相同整倍数，附图2中电机模型的倍数为2，即为二相8/12极磁阻电机。为减小电动时的转矩波动，需通过增加极数来减小步距角，其倍数可增大为3、4、5。为使电机在正、反方向均有自起动能力，要求转子凸极为永磁体，并以异向极性间隔排列。同时也要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反，各极上的绕组以串联形式连接。

附图2中电机模型的外转子永磁体凸极5的齿距为20度，槽距为10度；其内定子的凸极齿距为22度，槽距为23度。

所述可调速旋转电机为轮毂式电机，所述转子位于定子外侧，图2中外转子1、内定子2、A相绕组3、B相绕组4、永磁体凸极5。

或者是：所述可调速旋转电机为伺服控制电机，所述转子位于定子内侧。

所述可调速旋转电机还包括转角位置检测装置。所述可调速旋转电机还包括电流斩波控制电路和角度位置控制电路或称单脉冲触发电路。

本实施例的电机运行在电动驱动功能时的原理和过程：

为便于说明采用最简单的单四拍运行方式来描述其工作过程：当电机通过转角θ位置检测装置检测到定、转子的相对位置时，若以附图2中定、转子所处位置为起始点，对A相绕组通入正向电流，内定子A相凸极按右手螺旋定律所产生的磁场方向正好同附图所示一致，按同性相斥(推力)、异性相吸(拉力)原理或在磁阻转矩作用下，外转子向顺时针转过60/4＝15度，即转子永磁体凸极的中心与励磁A相定子凸极中心重合。当这一过程接近完成时，适时切断原励磁A相电流，对B相绕组通入反向电流，B相凸极所产生的磁场极性与附图所示方向相反(即N极与S极互为对换)，同理在磁阻转矩作用下，外转子向顺时针继续转过15度，即转子永磁体凸极的中心与励磁B相定子凸极中心重合。同理依次以A→(-B)→(-A)→B→A方式通电，外转子顺时针旋转；反之，若以(-A)→(-B)→A→B→(-A)方式通电，则外转子逆时针旋转。

本电机也可采用双四拍或八拍方式运行。双四拍的通电方式为：AB→A(-B)→(-A)(-B)→(-A)B→AB→。而八拍的通电方式为：A→AB→B→B(-A)→(-A)→(-A)(-B)→(-B)→(-B)A→A→。其八拍运行时步距角减小一半，即为60/8＝7.5度。

电机运行在发电回馈功能时的原理和过程：

当电动汽车需降速或下坡运行时，可利用动能惯性来实现发电回馈制动。根据前述对电磁转矩基本表达式的分析可知，当电感L随着转角θ的增加而减少(即外转子的凹槽趋向绕组凸极)时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性的，电机运行于发电机状态。通过转角θ位置检测装置当检测到外转子的凹槽趋向于某一绕组凸极时，即刻接通该相绕组电路，而在转子的下一凸极接近该绕组凸极时，就切断该相绕组电路。如此反复即能以脉冲形式给蓄电池充电。在此，如欲提高发电效率，可适当增大电机的凹槽宽度，例如电机模型的参数为：外转子永磁体凸极5的齿距为15度，槽距为15度；其内定子的凸极齿距为17度，槽距为28度。不过如此由于减小凸极宽度，也即减小了电磁制动力矩，在实施下述电磁制动功能时，当B相绕组持续通电后产生的电磁制动而保持的定转子相对位置，所重合的各极弧相加后其总极弧边距仅为60度。

电机运行在电磁制动功能时的原理和过程：

当电动汽车经降速后需制动停止前进时，可保持某一相绕组持续通电，如附图所示位置，即为B相绕组持续通电后产生的电磁制动而保持的定转子相对位置，由图可知电机圆周的对称四边均有一对凸极被电磁力吸住，并且所重合的各极弧相加后其总极弧边距可达80度。如当电机由于动能惯性较大时，需利用转角θ位置的检测，并采用与发电回馈制动相结合的方法反复进行，直至转角θ的位置检测无变化即停止为止。

Claims (7)

1、一种兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述可调速旋转电机为变磁阻双凸极电机，所述变磁阻双凸极电机包括定子和转子，定子的凸极上安装有励磁绕组，并且同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，各极上的绕组以串联形式连接，同时在实现电磁制动使绕组持续通电时，定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的各极弧相加后的总极弧边距位于60度～200度之间，并且重合的各极弧在圆周上对称分布，所述的转子凸极齿宽大于槽宽。

2、如权利要求1所述的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述可调速旋转电机为3相磁阻电机，并且定子凸极齿宽也大于槽宽，同时定子极数大于转子极数，定子极数为6的整倍数，而转子极数为4的相同整倍数。

3、如权利要求1所述的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述可调速旋转电机为2相磁阻电机，并且定子极数小于转子极数，定子极数为4的整倍数，而转子极数为6的相同整倍数，同时转子凸极为永磁体，并以异向极性间隔排列。

4、如权利要求1-3之一所述的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述可调速旋转电机为轮毂式电机，所述转子位于定子外侧。

5、如权利要求1-3之一所述的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述可调速旋转电机为伺服控制电机，所述转子位于定子内侧。

6、如权利要求4所述的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述的转子上同轴连接有与转子凸极分布位置相对应的透光码盘，在定子上安装有与定子凸极分布位置相对应的光电耦合开关，所述透光码盘与所述光电耦合开关配合。

7、如权利要求5所述的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机，其特征在于：所述的转子上同轴连接有与转子凸极分布位置相对应的透光码盘，在定子上安装有与定子凸极分布位置相对应的光电耦合开关，所述透光码盘与所述光电耦合开关配合。

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