CN101969258A - 双模式电动车驱动电机 - Google Patents

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Abstract

一种双模式电动车驱动电机，涉及各类电动车驱动领域。在串励机的电枢上取点，确定该串励机电枢同时成为交流发电机的电枢引出线的的参考点，在串励机的电枢槽内布进交流升压绕组，该升压绕组的一端接在串励机的参考取点上，另一端接入整流电路，通过这样的方法，直接得到了在串励机上幅值高于电源电压的交流电，对该交流电实施可控整流，整流后直接馈给电源。通过这样的方法实现了对串励机转速的控制及工作中对能量的高效转换，这样，串励机同时又实现了具有交流发电机的功能，这样一个系统包含着一套独立的串励机回路及功能，同时又包含有一套独立的交流发电机回路及功能，这两种模式共生共存，相互制约、影响，构成本双模式电机。

Description

双模式电动车驱动电机
技术领域
一种双模式电动车驱动电机，涉及各类电动车驱动领域。
背景技术
电动汽车作为新能源汽车的代表，出于环保形势的需要，如今已被各国提到高度议事日程，列入优先研发战略；目前电动汽车所采用的驱动电机模式是典型机电一体化的代表产物，多以无刷交、直流机为主体，其特点在于电机技术必须与电力电子技术高度结合，才能实现车辆行进中对能量及速度的有效控制；由于大量采用高端的电力电子元器件，这就使得电动车的电驱及电控部分呈现复杂化，不但使其造价高昂，另一方面电力电子元器件在处理、变换大功率交、直流电能时，不可避免的要产生附加功率损耗，对电动汽车的普及带来现实的困难；在这样的前提下，我们此处提出一套双模式电机驱动体系，本双模式电机驱动体系设计的突出特点在于其工作中兼具有电动机和发电机的双重功能属性，能够同时在电动机和发电机之间按要求运行工作，在运行中能够按需要索取电能，并将其转换成机械能，而车辆在减速制动、或下坡时能自动将机械能(动能)很自然、高效地直接转变为电能储存，在运行中其各种电气参量有着很恰当、自然的配合，目前常用的电动车驱动电路中很多依赖于电力电子电路才能实现的“模拟功能”，本双模式电动车驱动电机本体就能够直接予以实现，剥离电机本体对电力电子电路的高度依赖，可实现最大限度地提高运行效率，提高运行的稳定可靠性，且可大幅降低整车造价及运行维护量。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、造价低的电动车用双模式电机。
在串励机的电枢上取点，确定该串励机电枢同时成为交流发电机的电枢引出线的的参考点，在串励机的电枢槽内布进交流升压绕组，该升压绕组的一端接在串励机的参考取点上，另一端接入整流电路，通过这样的方法，直接得到了在串励机上幅值高于电源电压的交流电，对该交流电实施可控整流，整流后直接馈给电源。
通过这样的方法实现了对串励机转速的控制及工作中对能量的高效转换，这样，串励机同时又实现了具有交流发电机的功能，这样一个系统包含着一套独立的串励机回路及功能，同时又包含有一套独立的交流发电机回路及功能，这两种模式共生共存，相互制约、影响，构成本双模式电机。
设计原理：
直流串励机是我们日常生活一种常见的一种电动机，它具有体积小、重量轻、效率高等优点，加之又兼具交直流两用的功能，应用是非常广泛的，我们此处介绍的这种双模式电机就是基于直流串励机这种电机的工作原理的基础上演变、发展而来的。我们知道，直流串励机的外特性曲线是一条反比例曲线，如图1所示，该曲线反映了直流串励电机工作时，当外加电源电压一定时，其转速(纵轴)和输出功率之间的关系，串励机空载和轻载时有着很高的转速，随着负载的增加，其转速自然下降，输入功率也随着增加，当外加电压(直流)一定时，这个外加的电压压降是直接作用在该电机的电枢上的，换言之，也就是加在两个电刷上，不论转速如何变化，其两个电刷间的电压差是不变的，具有相对的稳定性，这是串励机本身固有的特点；工作中的串励机总是能够根据转速的变化，产生相应的激磁，自动改变气隙磁场值，得到图1所示的外特性曲线。我们再来看看直流串励机的电枢(转子)，其实直流电枢和交流电枢从根本结构上讲是一回事，只是外部接线方式不一样罢了，它们都是具有“一根线”封闭绕成的特点(交流限于△接线)，直流串励机有很多整流子片，任意两片间对应的电枢绕组都自然形成一个完整的回路(严格的讲是两个并联回路)，我们从任意两个整流子片间都能得到一个感应交流电势，这个交流电势的大小和相位还取决于整流子片间的位置关系，以单叠绕组的一对电刷的直流串励机为例，当我们选定一个整流子片，做为一参考点，这个参考点与其它整流子片间的电势向量关系便能够被确定，离该参考点越远，我们得到的这个交流电势值则越大，这其中我们得到的最大交流电势的幅值应等同于直流串励机的电源电压。图2所示就是我们得到的串励机整流子片间的被确定的一片作为参考点，该点与其它各整流子片间的对应绕组的感应电势的电势向量图----“扇形图”，虽然非正弦波的表示用向量表示法不太规范，但是在本双模式电机体系之中，引入等效向量图表示法，不会影响其实用及原理分析。这里提出的感应电势的电势向量图----“扇形图”的意义很重要，它是我们本发明中将交、直流电机系统有机融为一体的关键所在。同理，当我们在直流串励机的很多整流子片中进行间距片数三等分的三个点上取交流电势，我们就能得到一个三相交流电，这个三相交流电的幅值等于该直流串励机外加直流电压的√3/2倍，当我们把这个取点后的直流电枢换成交流电枢的观点来看时，它显然为一个实际上是一个三角型(△)接线的交流绕组接线，通过这种方式，我们实现了在工作中的直流串励电动机上直接得到交流电(单相、三相或多相)，而这个交流电由于借助了直流串励机的激磁磁场进行励磁，而直流串励机本身具有随着转速的变化自动调节激磁磁场大小的能力，它所产生的激磁磁场一定要满足其感生直流反电势对应(抵消)外施直流电压的目的，这就使得这个感生交流电势的幅值是不随直流串励机的转速变化而变化的，具有相对比较稳定的特点，这一特点显示出这个交流电压的“硬特性”，分析该电机体系的电枢反应可知，该电压“硬”得不但不随转速变化而变化，并且不随负载的大小及性质(指感性或容性负载)的变化而变化(分析过程略)，这是一个难能可贵的特点，尤其适应于转速、负载都随时变化的车用驱动电机领域。这也就是说不论该电机体系转速(频率)如何，我们得到的这个交流电的有效值始终是稳定的，由于直流串励机的极下磁场分布不呈正弦原因，这个感生交流电显然也不是一个正弦波形交流电，示波器检测，它是一个梯形波。我们对这个相对幅值稳定的交流电进行输出电流控制，这个电流相比较双模式电机体系中的串励机的电流方向，它能够产生反力矩，只要我们控制这个输出电流的大小，就能够控制直流串励机的转速，最简单的方法就是用可控硅(晶闸管)电路进行连续控制，从而连续、平滑的控制直流串励机的转速。由此可见，当我们认识到，在工作中的直流串励机的电枢上可以直接得到交流电，而这个交流电的幅值相对是稳定的，它不随直流串励机转速的变化而变化，将这个相对稳定的交流电引出，并且进行电流值控制，就能够比较容易地实现直流串励机的转速控制调整；而当我们把这个经控制输出电流(脉动直流)回馈给电源(蓄电池)时，就实现了无损耗的电气控制调速；很显然，这是一种高效调速模式，理论上该过程是没有能量损耗的。我们知道，直流串励机的外特性曲线说明，当直流串励机工作在低转速区时(图1)，流经直流串励机激磁绕组(产生极下磁场的绕组)及转子电枢中的电流比其在高转速区要大，转速差越大，这个比例就越大，而实际上我们用上述介绍的方法对该直流串励机进行调速时会发现，其空载调速时，直流串励机空载低转速下的电枢(转子)电流并不大，而并非串励机外特性曲线所对应的那样，这里做一下解释性阐述：其实原理挺简单，就是直流串励机的电枢(转子)绕组在空载调速过程中扮演着双重角色，一方面它是直流串励机必不可少的重要组成部分，按照直流串励机的外特性曲线变化规律决定其电枢电流；另一方面，我们从这个电枢绕组同时又取出了交流电，根据电磁感应原理，这个感生交流电与原串励机中的电枢电流在方向上是有可比性的，这两个电流正好任何时候都反向，是可以部分(或全部)抵消的，实际流经本双模式电枢的电流是原直流串励机电枢中的电流与该电枢同时输出的交流电流(平均值)的叠加值，这也就是说，通过上述方法对直流串励机进行调速时(空载调速)，尽管直流串励机工作在低转速区，但流经转子电枢的电流并不大(低转速下不发热问题)，真正决定电枢电流大小的因素不在于我们调速时的状态，而是取决于该电机体系所带的实际机械负载状态。
从以上介绍的本电机体系工作原理看，我们从本电机体系电枢绕组中取出的交流电(单相)电压幅值最大也不过是直流串励机的外加电压值，所以其整流后也是一个直流电，对于两个直流系统而言，只有该直流电的电压在数值上大于直流串励机的电源电压，才能够实现直接馈给直流电源(蓄电池)电能的目的，所以必须给这个感生交流电进行升压，而该交流电系非正弦波形，又不便于使用变压器升压，如果增加了变压器则又多了附属设备，会使总体结构复杂化，此非设计初衷。这里，我们可以采取在原直流串励机电枢绕组中附加交流辅助绕组(小升压绕组)的方法来实现交流升压的目的，这个交流辅助绕组的绕法同原直流串励机电枢绕组绕法相同，如以单相交流绕组为例，如图3接线所示，其中，a、b是我们在原直流串励机电枢上取的两个点，Aa1是其中一个交流辅助绕组，Bb1是另一个交流辅助绕组，这俩交流绕组都与原串励机的电枢绕组同槽布置，将这两个交流辅助绕组串接于原串励绕组的选取点a、b上，我们从A、B两端就可以得到一个幅值大于供给该串励机直流工作电压的交流电，该交流电经可控硅整流后，就能够实现向电源馈电的目的。这个交流辅助绕组的匝数与原串励绕组的转子电枢匝数比较，是相当少的，绕不了几匝就能够实现交流升压的目的，基本不会对直流串励机的尺寸结构造成影响，甚至可以讲，增加点原串励机电枢的槽满率，就可以在原电枢槽内嵌入交流辅助绕组；通过加装一个合适的交流辅助绕组，我们就能够得到一个幅值合适、恰当的交流电，尽管这个交流电系非纯正弦量，但不影响可控整流，其整流后成为脉动直流，这个脉动直流的电压幅值大于供给该电机体系工作的直流电源电压，对于直流系统而言就可以实现向电源馈电的目的。可控整流的导通角决定该电机体系的整体工作状态，在实现无损耗调整转速的同时，多余的能量都会以电能的形式充分实现回馈给电源存储；由此可见，当我们这个电机体系做为电动车的驱动系统运行时，很明显其运行效率是很高的，它的可贵之处在于它能够将行驶中多余的能量高效回收，实践经验告诉我们，这个问题如果能够得以解决，就基本上实现了以任意状态行驶的电动车都相当于等同(或接近)理想运动状态行驶的电动车的能耗，这一点的突破，在交通、运输领域的节能意义非常重大，以内然机驱动的车辆为例，其在繁华市区行走的油耗与其在高速路上以经济速度行驶的油耗比较，可有三倍之差甚至更大，归根结底，这属于机动车运行方式决定的能耗效率问题，而不是纯粹的发动机效率问题，当运行方式不能被适应，高能耗就不可能从根本上得以解决。而我们这套双模式电机体系，就电机本身而言，其结构上几乎等同于普通的直流串励机，控制回路简单到只有一个可控整流桥及相应的触发控制回路，比市面上任一款电动车的能量控制系统都要简单，简单则意味着制造成本的下降和运行效率的提高，加之又实现了行驶过程中能量的高效释放与回收，所以，在交通运输领域，它是有着巨大节能潜力的。
附图说明
图1为典型串励机外特性曲线；
图2为本双模式电机体系电枢的电势向量图(以整流子片为相互参考的电势向量图)：扇形图；
图3为本双模式电机体系的交流附加绕组及交流附加绕组的接入图。
具体实施方式
在串励机的电枢上取点a、b，确定该串励机电枢同时成为交流发电机的电枢引出线的的参考点，在串励机的电枢槽内布进交流升压绕组，一组交流升压绕组的一端a1接在串励机的参考取点a上，另一组交流升压绕组的一端b1接在串励机的参考取点b上；两组交流升压绕组的两个引出端A、B端接入整流电路，通过这样的方法，直接得到了在串励机上幅值高于电源电压的交流电，对该交流电实施可控整流，整流后直接馈给电源。

Claims (1)

1.一种双模式电动车驱动电机，其特征在于串励机的电枢上取点，确定该串励机电枢同时成为交流发电机的电枢引出线的的参考点，在串励机的电枢槽内布进交流升压绕组，该升压绕组的一端接在串励机的参考取点上，另一端接入整流电路，通过这样的方法，直接得到了在串励机上幅值高于电源电压的交流电，对该交流电实施可控整流，整流后直接馈给电源。
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