CN102377309A - 电动汽车用无刷电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动汽车用无刷电机，具有低速大扭矩性能，可对电机的运行灵活控制，提高电动汽车的启动加速能力。本发明是通过以下技术方案来实现的：电动汽车用无刷电机，包括有壳体、转子、定子以及电机控制器，所述转子和定子位于壳体的内腔中；所述定子包括有定子冲片和缠绕在定子冲片上的定子线圈，定子线圈绕组采用Y形接法；其中，所述电动汽车用无刷电机包括有可转换定子线圈绕组连接方式的转换器和多条电缆引接线，所述多条电缆引接线从定子线圈的多个位置引出，多条电缆引接线均与所述转换器连接；所述转换器连接电机控制器的转换控制信号输出端口。

Description

电动汽车用无刷电机
技术领域
本发明属于电机的技术领域，具体涉及直流无刷电机设计，尤其是纯电动汽车用直流无刷电机。
背景技术
在纯电动汽车上应用的电动机必需满足严格的性能要求，与此同时还要适应尺寸和重量的限制，要求电机比功率(以定转子重量计)≥1.5kW/kg，从而保证它们能够适合在电动汽车中使用。这样当纯电动汽车上应用的电动机某一种类型的性能增强时，设计标准冲突通常使得在其它类型同等重要的性能方面产生不足。例如，在纯电动汽车中用于驱动的电机不但必需紧凑并且重量轻，而且要求具有足够的动力以迅速使电动汽车加速到内燃机能够产生的速度，同时要求在直驱式纯电动汽车的启动与爬坡过程中，避免出现起动加速时间过长与爬坡能力不足的问题。
由于一般情况下电机的力矩与电机体积非常相关，因此需要从紧凑、轻便的单元输出较大动力与通常的电机设计原理相矛盾。电动汽车的启动力矩一般要求为正常运行力矩的3-10倍，加速时间为30s，这样要求电动汽车的驱动电机也能满足这个要求。
现代纯电动汽车要求电机直驱，即取消传统汽车中变速箱与离合器，实现无极变速运行。
鉴于上述纯电动汽车上应用的电动机的特殊性能要求，需要进行改进设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车用无刷电机，具有低速大扭矩性能，可对电机的运行灵活控制，提高电动汽车的启动加速能力。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
电动汽车用无刷电机，包括有壳体、转子、定子以及电机控制器，所述转子和定子位于壳体的内腔中；所述定子包括有定子冲片和缠绕在定子冲片上的定子线圈，定子线圈绕组采用Y形接法；其中，所述电动汽车用无刷电机包括有可转换定子线圈绕组连接方式的转换器和多条电缆引接线，所述多条电缆引接线从定子线圈的多个位置引出，多条电缆引接线均与所述转换器连接；所述转换器连接电机控制器的转换控制信号输出端口。
所述壳体包括形成侧壁的筒状的机壳、前端盖和后端盖；所述机壳上设置有电机液态冷却系统；所述电动汽车用无刷电机包括有9条电缆引接线，9条所述电缆引接线与定子线圈相连，穿过后端盖后引出；所述壳体的侧部设置有传感器。
电机控制器与直流电源电气连接，所述电机控制器包括有微控制器、功率驱动单元、桥式电路和三相电压输出端子U、V、W；所述微控制器包括有位置传感器信号模块和转换控制信号模块。
综上，本发明的有益效果是：
直流无刷电机定子三相绕组的连接方法有Y(星形式)与△(封闭式)。在△(封闭式)电枢绕组中，将感生三次谐波电动势，并在封闭回路内产生三次谐波电流，这种三次谐波电流全部以发热的形式消耗在△(封闭式)电枢绕组的回路内，而不产生有用的电磁力矩，这样增加了电机的损耗。而Y(星形式)接法就没有上述△(封闭式)的缺陷，因此本发明的电动汽车用无刷电机定子三相绕组的连接总是采用Y(星形式)。由于该电动汽车用无刷电机包括有可转换定子线圈绕组连接方式的转换器和多条电缆引接线，所述多条电缆引接线从定子线圈的多个位置引出，多条电缆引接线均与所述转换器连接；所述转换器连接电机控制器的转换控制信号输出端口；电机控制器与直流电源电气连接，所述电机控制器包括有微控制器、功率驱动单元、桥式电路和三相电压输出端子U、V、W；所述微控制器包括有位置传感器信号模块和转换控制信号模块。定子线圈21采用Y形接法，分成三相绕组，每一相绕组中有多组定子线圈，多组定子线圈可根据设计的需要组成多条串并关系的电路。绕组电路端点或是在带绕组铁芯的端部相互连接，或是用电缆引接线引到电机的外面与电源或控制器相连。因为直流无刷电机的力矩与电机绕组的每相串联匝数成正比，串联定子线圈的多少决定了电机的扭矩(其它条件不变)。在控制器信号作用下，通过2Y与4Y转换器转换绕组的连接方式。2Y运行在电动汽车的启动状态；4Y运行在电动汽车的高速节能状态。电机工作在低速起动模式，这时车速很快提高，当电机转速达到约900rpm(车速约25公里/小时)时，在控制器作用下电机就会自动变成4Y运行(即高速节能运行)。产生3-10倍的额定扭矩是因为2Y接法让定子各相串联的定子线圈较多。电动汽车实现了较大的加速运行，在很短时间内达到额定车速。
附图说明
图1是本发明电动汽车用无刷电机的结构示意图；
图2是本发明电动汽车用无刷电机的定子结构示意图；
图3是本发明电动汽车用无刷电机的定子冲片结构示意图；
图4是本发明电动汽车用无刷电机的电缆引接线与定子线圈连接结构示意图；
图5是图2的A-A剖面结构示意图；
图6是本发明电动汽车用无刷电机的定子线圈绕组绕组采用2Y形接法原理示意图；
图7是本发明电动汽车用无刷电机的定子线圈绕组绕组采用4Y形接法原理示意图；
图8是本发明电动汽车用无刷电机的电缆引接线位置示意图；
图9是本发明电动汽车用无刷电机的整体结构示意图；
图10是本发明电动汽车用无刷电机的电机控制器和转换器电路示意图；
图11是本发明电动汽车用无刷电机的电缆引接线电路原理示意图；
图12是本发明电动汽车用无刷电机的转换器电路示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种电动汽车用无刷电机，如图1、2、9所示，包括有壳体、转子3、定子2以及电机控制器9，所述转子3和定子2位于壳体的内腔中；所述定子2包括有定子冲片22和缠绕在定子冲片上的定子线圈21，定子线圈21绕组采用Y形接法；其中，所述电动汽车用无刷电机包括有可转换定子线圈绕组连接方式的转换器8和多条电缆引接线6，所述多条电缆引接线6从定子线圈21的多个位置引出，多条电缆引接线6均与所述转换器8连接；所述转换器8连接电机控制器9的转换控制信号模块的输出端口。
如图1，所述壳体包括形成侧壁的筒状的机壳1、前端盖11和后端盖12；所述机壳1上设置有电机液态冷却系统4；所述电动汽车用无刷电机包括有9条电缆引接线6，9条所述电缆引接线6与定子线圈21相连，穿过后端盖12后引出；所述壳体的侧部设置有传感器5。
如图11，传感器5包括有HallA、HallB、HallC三个信号传感器。
如图2、3、5，定子冲片22设置有36个按圆形阵列均布的槽221，形成定子线圈21的卡槽；多片定子冲片22组合成铁芯。
如图4，定子线圈21与电缆引接线6通过引线连接线7连接固定。
如图6、7，定子线圈21采用Y形接法，分成三相绕组，每一相绕组中有多组定子线圈，多组定子线圈可根据设计的需要组成多条串并关系的电路。绕组电路端点或是在带绕组铁芯的端部相互连接，或是用电缆引接线引到电机的外面与电源或控制器相连。在控制器信号作用下，通过2Y与4Y转换器，接为图6所示的2Y运行与图7所示的4Y运行。2Y运行在电动汽车的启动状态；4Y运行在电动汽车的高速节能状态。电机工作时，通过电机控制，实现电动汽车启动时，电机采用2Y的接法，电机产生3-10倍的额定扭矩，这时车速很快提高，当电机转速达到约900rpm(车速约25公里/小时)时，在控制器作用下电机就会自动变成4Y运行(即高速节能运行)。产生3-10倍的额定扭矩是因为2Y接法让定子各相串联的定子线圈较多。电动汽车实现了较大的加速运行，在很短时间内达到额定车速。串联定子线圈的多少决定了电机的扭矩(其它条件不变)。因为直流无刷电机的力矩与电机绕组的每相串联匝数成正比。
如图6、11，9条电缆引接线6与定子线圈21的连接点为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，定子线圈21分成三相绕组，采用2Y形接法，该三相绕组均有一端连接铁芯的端部，每一相绕组中包括有4组定子线圈；其中A相绕组的4组定子线圈连接方法为：A2点与A3点相连，连接点A1和A2之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A3和铁芯的端部之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A1和A2之间的定子线圈与连接点A3和铁芯的端部之间的定子线圈采用方式串联连接；B相、C相绕组的4组定子线圈采用相同的连接方法，B相的B2点与B3点相连，则B相具有2条并联支路数；C相的C2点与C3点相连，则C相具有2条并联支路数。采用2Y形接法，一相绕组中具有2条并联支路数，这样相互串联的定子线圈较多。
直流无刷电机的力矩常数Km与电机绕组的每相串联匝数成正比。如果采用Y形接法9条引出线，电动汽车高速运行时电机绕组接法为4Y，电动汽车启动时电机绕组接法为2Y，这样电动汽车启动时电机绕组的每相串联匝数增加了一倍，也就是启动力矩增加了一倍。由于启动力矩的增加，提高了电机电动汽车的启动加速能力。
如图7，9条电缆引接线6与定子线圈21的连接点为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，定子线圈21分成三相绕组，采用4Y形接法，该三相绕组均有一端连接铁芯的端部，每一相绕组中包括有4组定子线圈；其中A相绕组的4组定子线圈连接方法为：连接点A1点与A3点相连，连接点A1和A2之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A3和铁芯的端部之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A1和A2之间的定子线圈与连接点A3和铁芯的端部之间的定子线圈采用并联方式连接；B相、C相绕组的4组定子线圈采用相同的连接方法。采用4Y形接法，一相绕组中具有4条并联支路数，这样相互串联的定子线圈较2Y形接法少一半。
如图8，示出9条电缆引接线6的具体连接位置，为电机的一种接法(2Y与4Y的转换接法)，9个连接点为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3分别处在带绕组定子铁芯一端部的圆周上。
如图9、10，电机控制器9与直流电源10电气连接，所述电机控制器9包括有微控制器、功率驱动单元、桥式电路和三相电压输出端子U、V、W；所述微控制器包括有位置传感器信号模块和转换控制信号模块。
所述电机控制器9包括有六个BG1至BG6的功率开关器件组成桥式电路；根据电机的电压和电流的额定值，功率开关器件选为IGBT，根据预先在微控制器中写好的协议，位置传感器信号模块处理电机传感器发送来的HallA、HallB、HallC三个信号，微控制器控制BG1至BG6的导通与截止，通过转换器实现电机的正/反转。
微控制器根据电机旋转方向的要求和来自HallA、HallB、HallC三个霍尔的输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个开关器件所要求的驱动顺序；并根据电压、电流和转速信息反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和运算后，借助内置的时钟信号产生一个脉宽调制信号。
功率驱动单元(IGBT)：主要包括MOSFET功率开关器件组成的三相半桥逆变电路和自举电路。
三相电压输出端子U、V、W在机控制器上是用铜排作成接线柱。
如图12，转换器8包括有三个继电器，定子线圈21的连接点A1、B1、C1分别接电机控制器上的三相电压输出端子U、V、W，定子线圈21的连接点A2、A3、B2、B3、C2、C3分别接到转换器8的继电器的端子上；转换器8的继电器的各个继电器的起动线圈通过一个开关接到电机控制器的转换控制信号模块的输出端口。当开关OFF时，电机绕组接为4Y方式，电机高速高效运行，开关ON时，电机绕组接为2Y方式，电机低速大扭矩运行。
同一方案电机，不同引出线时启动性能对比见下表：
电机工作条件：40kW150V
 转速(rpm)   转矩(N.m)   电流(A)   Km
  3条引线   1143   334   284   1.17
  9条引线   248   1534   447   3.43
从上可以看出2Y时，电机转速低，转矩大，kM值较大.这样提高了电机电动汽车的启动加速能力。
上述所列具体实现方式为非限制性的，对本领域的技术人员来说，在不偏离本发明范围内，进行的各种改进和变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.电动汽车用无刷电机，包括有壳体、转子(3)、定子(2)以及电机控制器(9)，所述转子(3)和定子(2)位于壳体的内腔中；所述定子(2)包括有定子冲片(22)和缠绕在定子冲片上的定子线圈(21)，定子线圈(21)绕组采用Y形接法；其特征在于：所述电动汽车用无刷电机包括有可转换定子线圈绕组连接方式的转换器(8)和多条电缆引接线(6)，所述多条电缆引接线(6)从定子线圈(21)的多个位置引出，多条电缆引接线(6)均与所述转换器(8)连接；所述转换器(8)连接电机控制器(9)的转换控制信号模块的输出端口。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述壳体包括形成侧壁的筒状的机壳(1)、前端盖(11)和后端盖(12)；所述机壳(1)上设置有电机液态冷却系统(4)；所述电动汽车用无刷电机包括有9条电缆引接线(6)，9条所述电缆引接线(6)与定子线圈(21)相连，穿过后端盖(12)后引出；所述壳体的侧部设置有传感器(5)。
3.根据权利要求2所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：9条所述电缆引接线(6)与定子线圈(21)的连接点为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，定子线圈(21)分成三相绕组，采用2Y形接法，该三相绕组均有一端连接铁芯的端部，每一相绕组中包括有4组定子线圈；其中A相绕组的4组定子线圈连接方法为：连接点A2与连接点A3相连，连接点A1和A2之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A3和铁芯的端部之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A1和A2之间的定子线圈与连接点A3和铁芯的端部之间的定子线圈采用方式串联连接；B相、C相绕组的4组定子线圈采用相同的连接方法，B相的B2点与B3点相连，则B相具有2条并联支路数；C相的C2点与C3点相连，则C相具有2条并联支路数。
4.根据权利要求2所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：9条所述电缆引接线(6)与定子线圈(21)的连接点为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，定子线圈(21)分成三相绕组，采用4Y形接法，该三相绕组均有一端连接铁芯的端部，每一相绕组中包括有4组定子线圈；其中A相绕组的4组定子线圈连接方法为：连接点A1点与连接点A3相连，连接点A1和A2之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A3和铁芯的端部之间具有两组定子线圈并联连接，连接点A1和A2之间的定子线圈与连接点A3和铁芯的端部之间的定子线圈采用并联方式连接；B相、C相绕组的4组定子线圈采用相同的连接方法。
5.根据权利要求3或4所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述电机控制器(9)与直流电源(10)电气连接，所述电机控制器(9)包括有微控制器、功率驱动单元、桥式电路和三相电压输出端子U、V、W；所述微控制器包括有位置传感器信号模块和转换控制信号模块；功率驱动单元：包括MOSFET功率开关器件组成的三相半桥逆变电路和自举电路。
6.根据权利要求5所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述传感器(5)包括有HallA、HallB、HallC三个信号传感器。
7.根据权利要求6所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述电机控制器(9)包括有六个BG1至BG6的功率开关器件组成桥式电路；根据预先在微控制器中的协议，位置传感器信号模块处理电机传感器发送来的HallA、HallB、HallC三个信号，微控制器控制BG1至BG6的导通与截止，通过转换器实现电机的正/反转；微控制器根据电机旋转方向的要求和来自HallA、HallB、HallC三个霍尔的输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个开关器件所要求的驱动顺序；并根据电压、电流和转速信息反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和运算后，借助内置的时钟信号产生一个脉宽调制信号。
8.根据权利要求7所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述转换器(8)包括有三个继电器，定子线圈(21)的连接点A1、B1、C1分别接电机控制器上的三相电压输出端子U、V、W，定子线圈(21)的连接点A2、A3、B2、B3、C2、C3分别接到转换器(8)的继电器的端子上；转换器(8)的继电器的各个继电器的起动线圈通过一个开关接到电机控制器的转换控制信号模块的输出端口。
9.根据权利要求1所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述定子冲片(22)设置有36个按圆形阵列均布的槽(221)，形成定子线圈(21)的卡槽；多片定子冲片(22)组合成铁芯。
10.根据权利要求1所述的电动汽车用无刷电机，其特征在于：所述定子线圈(21)与电缆引接线(6)通过引线连接线(7)连接固定。
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