CN101917108A - 蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到由蓄电池供电的用于电动汽车的永磁无刷直流电动机系统。3相永磁无刷直流电动机的相电流Iφ正比于电磁转矩Te，蓄电池的放电电流的峰值与相电流峰值相等，占空比D也相同；Te增加时，相电流峰值和放电电流峰值也同比增加，使蓄电池在高倍率下放电，其实际放电安时数大大低于蓄电池的装备安时数。本发明的n个独立的3相电枢绕组与n个3相电压源逆变桥输出一一相连；n个3相电压源逆变桥的PWM调制频率f_PWM相同，但半数的逆变桥与其余逆变桥的PWM初相位却相互移相1/2T_PWM,T_PWM=1/f_PWM。本发明可以使蓄电池在同样工况下运行的电动汽车的一次充电续行里程延长20%～25%，或在一次充电的续行里程不变时，将电池装备容量减小到原来的80%～75%。

Description

蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机

技术领域

本发明属于转矩闭环控制的电动机领域，涉及到电动汽车等由蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机。

背景技术

电动汽车要求其驱动系统能满足各种工况的要求：在电动汽车启动、加速、爬坡、驻坡启动工况下，需要其驱动系统在中、低速下能提供3-4倍额定转矩的峰值转矩；在最高车速工况下，需要驱动系统在最高转速下提供克服相应行车阻力的等效转矩。

永磁无刷直流电动机的电磁转矩

其中Kt是永磁无刷直流电动机的转矩常数，单位是N·m/A；

是永磁无刷直流电动机的相电流，A；永磁无刷直流电动机的线反电势E₁＝Ke·ωm，Ke是反电势常数，单位是V/rad·s^-1；ωm是电动机输出角速度，单位是rad/s。在国际单位制下，Ke与Kt数值上是相等的，但它们的物理含义和量纲是不同的。

在一定的电源电压下，加大Ke(Kt)受与最高车速相对应的电动机最高角速度ωm(max)限制，因此，增大电磁转矩Te就只能增加电动机相电流

相电流

增大，就使蓄电池放电电流I_DC增大。

对于一定的额定容量的蓄电池来说，不同放电率下的蓄电池有不同实际容量，这种关系大致可以用Peukert经验公式来表示：t＝K/I^m其中，t为实际放电时间，h；I为放电电流，A；K、m为大于1的电池结构常数。

从上式可知：配备一定额定容量的蓄电池，电动机相电流

越大，蓄电池的放电电流I_DC也越大，放电时间按非线性比例缩短，蓄电池的实际容量也相应变小。对于电动汽车来说，大电流放电将使其一次充电的续行里程急速变短。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种在不提高成本基础上使系统综合性能提高；在装备的蓄电池额定容量不增加前提下，使电动汽车的一次充电的续行里程延长；使蓄电池充放电循环次数增加；或者在一次充电的续行里程不变情况下，减少蓄电池的额定容量。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：

本发明包括电动机本体、转子位置传感器和控制器，其特殊之处在于：所述的永磁无刷直流电动机的转子为p对N、S相间的永磁转子；定子铁芯开设有Z个槽，槽中嵌有n个独立的3相整距绕组；所述的n个独立的3相整距绕组分别与控制器的n个3相逆变桥输出端相连；所述的转子位置传感器的U、V、W、R、S、T二值传感元件输出转子位置的12种有效信息至控制器，控制器处理信息后输出控制信号到n个3相逆变器，控制其输出状态。

上述的控制器通过指令电流I^*和反馈电流的比较来决定3相逆变器的脉宽调制的输出电压的占空比δ；所述的n个逆变桥分成两组，每组为n/2个逆变桥，两组逆变桥的输出电压的调制频率相等，但两组的脉宽调制波的初相位相互移相

秒。

上述的永磁转子的极对数p，定子铁芯的槽数Z，n个独立的3相整距绕组的关系可以是Z＝6p·n，也可以在n≤p时，Z＝6p；在n个独立3相绕组之间，其相绕组的有效串联导体数，可以是相等的，也可以是不相等的。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)可以用较少的定子槽数构成n个3相绕组，n个3相绕组之间可以是对称的也可以是不对称的；

(2)n个3相绕组的电时间常数比单3相绕组的电时间常数小，且n越大，电时间常数越小；n越大，脉动转矩频率越高，幅值越小；

(3)有了n≥2的3相绕组，就可以采用PWM移相方法使蓄电池峰值放电电流减小，从而在相同负载下可以使额定容量相同的蓄电池放电时间延长，使电动汽车的一次充电续行里程延长；

(4)可以采用多个相互间不对称的3相绕组适应不同工况，减少功率器件的冗余成本和进一步减小蓄电池放电电流；

(5)可以减少功率器件的并联数，提高功率器件的利用率，对于低电压大容量控制器来说，优越性十分明显；

(6)具有n个裕度设计，在电动机或控制器出现故障时，可以使系统仍能运行，提高了电动汽车的自救能力。

附图说明

附图1为3相永磁无刷直流电动机的相电流和蓄电池放电电流；

附图2为双3相永磁无刷直流电动机的相电流和蓄电池放电电流；

附图3为双3相PWM移相的永磁无刷直流电动机的相电流和蓄电池放电电流；

附图4为n个3相绕组的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一台3相永磁无刷直流电动机转矩常数Kt一定时，增大电磁转矩，势必增大电机相电流

增大势必使蓄电池放电电流I_DC增加，见附图1。图中细实线是绕组相电流

粗实线为电池放电电流I_DC。所以说3相永磁无刷直流电动机在6状态工作状态下电池放电电流I_DC的峰值仅正比于电动机的电磁转矩Te。一台双3相永磁无刷直流电动机，如果双3相控制器的PWM的频率和初相位均相同，在电动机的电磁转矩Te相同时，每一套3相绕组中相电流仅为单3相绕组电机的相电流的1/2，但蓄电池放电电流I_DC却与单3相电机相同，如附图2。如将附图2所示的电机的两个载波频率相同，但初相位相差1/2T_PWM，从附图3可见，在双3相相电流

不变情况下，电池放电电流I_DC中幅值却只有附图1和2中I_DC的一半，但I_DC的占空比却增加一倍。附图2、3中细实线为

细虚线为

粗实线为I_DC。

对电动汽车来说，只有在中、低速下才需要电动机输出峰值转矩(T_p)，相应的峰值相电流占空比δ≤0.5，对应的蓄电池放电峰值电流I_p(DC)，占空比D≤1。

在相同输出转矩和转速时，对于n＝1的单3相系统来说：δ＝0.5，D＝0.5，蓄电池放电时间为t；n＝2且两个逆变桥输出电压有相同的f_PWM但初相位相互移相1/2T_PWM的双3相系统来说：

δ′＝0.5，D′＝1，蓄电池放电时间为t′。

按蓄电池放电电流和放电时间的关系，可得

n＝2：

n＝1：

则t′＝1.23t

这就是说：由同一组蓄电池供电，在相同输出转矩和相同转速时，双3相系统的PWM调制频率相同且相互移相1/2T_PWM的工作时间比单3相系统的工作时间延长了23％。

实现这种特殊模式必须解决20kw以下，n≥2的3相永磁无刷直流电动机定子冲片槽数太多的生产技术问题。

20kw左右的永磁无刷直流电动机的定子冲片内经大约在上下。当极对数p＝4，n＝2——3相绕组，常规需在定子冲片上开Z＝2p×3n＝2×4×3×2＝48个槽，这将带来槽面积利用率降低和齿的宽度太窄等问题。

为了解决这个问题，可以使用“单元电机”(“unit motor”)概念使定子最小槽数Z＝6p，n≤p。如p＝4时，Z＝24，可以得到的最多的3相绕组数n＝p＝4，而采用常规方式，构建p＝4，n＝4的3相定子绕组需要在定子冲片上冲制Z＝2p×3n＝8×12＝96槽。

不论是常规方式——定子槽数Z＝2p×3n，还是采用“单元电机”方式——定子槽数Z＝6p，n≤p，每个3相绕组必是对称的，但n个3相绕组之间可以是对称的也可以是不对称的——比如n个各自对称的3相绕组，其相绕组的有效串联导体数

可以是

也可以是

但

还可以是等等，就是说，可以构成n个相互对称3相绕组，也可以构成n个相互不对称的3相绕组。

本发明的多相永磁无刷直流电动机系统包括电动机本体、位置传感器、控制器，其结构见附图4。电动机本体除机壳、端盖、轴、轴承、冷却系统等结构件外，还有p对N、S相间的永磁转子。定子铁芯冲片上开有Z个槽，Z＝2p×3n(p为电机极对数，n＝2、3、4…)，在Z个槽中嵌入n个独立的3相对称的单层绕组。当电动机定子尺寸较小时，也可以用“单元电机”方式，在定子铁芯冲片上最少开出Z个槽，其中Z＝6p，这个开有Z＝6p的定子上最多可以布置成n≤p个独立的3相对称的单层绕组。不论定子铁芯开有Z＝2p×3n个槽还是最少开有Z＝6p个槽，都可以嵌入n个对称的3相绕组，n个3相绕组之间可以是绕组数据(比如每槽有效串联导体数等)相同的，也可以是绕组数据不相同的。不相同的绕组数据使其反电势系数Ke(Kt)也不同，形成一台多个Ke(Kt)绕组的3相永磁无刷直流电动机。这种电动机可以适应低速时以较小电流提供大转矩，高速时提供等效恒功率。

转子位置传感器：传感器U、V、W在空间互相差120°电角度，R、S、T分别与U、V、W在空间相差30°电角度，提供转子位置的12种有效信息。

控制器包括信息处理和n个3相电压源逆变器两部分，其功能是(1)接受指令：运行/停止(ON/OFF)、电动机顺时针/逆时针(CW/CCW)转向信号、电动机相电流(即转矩)指令信号I^*；接受U、V、W、R、S、T转子位置信号；接受I_A1、I_C1，I_A2、I_C2…..I_An、I_Cn相电流反馈信号；(2)根据I^*与反馈电流I_f的比较改变PWM的占空比δ，使电动机相电流跟踪指令I^*；(3)2组PWM移相T_PWM/2，使两组相电流不叠加；(4)受制于转子位置信号和移相的PWM信号构成各个逆变器的驱动信号，使n个电压型逆变器按指令向各个电动机3相绕组输送电流。

本发明的必要和充分条件是：有n＝2、3、4…的n个独立的3相电枢绕组分别由n个3相电压源逆变器以相同调制频率f_PWM的PWM方式供电，且n/2或近n/2个逆变器的PWM的初始相位与其余的逆变器的PWM初始相位相差1/2T_PWM

这就是PWM移相。

Claims (3)

1.蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机，包括电动机本体、转子位置传感器和控制器，其特征在于：所述的永磁无刷直流电动机的转子为p对N、S相间的永磁转子；定子铁芯开设有Z个槽，槽中嵌有n个独立的3相整距绕组；所述的n个独立的3相整距绕组分别与控制器的n个3相逆变桥输出端相连；所述的转子位置传感器的U、V、W、R、S、T二值传感元件输出转子位置的12种有效信息至控制器，控制器处理信息后输出控制信号到n个3相逆变器，控制其输出状态。

2.根据权利要求1所述的蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的控制器通过指令电流I^*和反馈电流的比较来决定3相逆变器的脉宽调制的输出电压的占空比δ；所述的n个逆变桥分成两组，每组为n / 2个逆变桥，两组逆变桥的输出电压的调制频率相等，但两组的脉宽调制波的初相位相互移相                                                

秒。

3.根据权利要求1或2所述的蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述的永磁转子的极对数p，定子铁芯的槽数Z，n个独立的3相整距绕组的关系可以是Z = 6p·n ，也可以在n≤p时，Z = 6p； 在n个独立3相绕组之间，其相绕组的有效串联导体数，可以是相等的，也可以是不相等的。

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