CN103151865B - 一种sr电机低高速均能高效运行的方法及其sr电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SR电机低高速均能高效运行的方法及其SR电机，能够使SR电机运行在低速段和高速段均能获得较高效率，尤其是用于电动汽车作为直驱轮毂电机更能发挥电动汽车的优越性,它包括下述步骤：将SR电机每相绕组划分为分绕组绕制在该相各凸极上并在每个凸极进行分绕组始、末端接线；将所述的每相绕组各分绕组的始、末端接线从电机内引出连接到串并联换接器上，串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接为串联方式或并联方式，并进行串联方式与并联方式之间的转换；SR电机运行于低速段时，串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接成串联方式，在SR电机运行于高速段时，串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接成并联方式。

Description

一种SR电机低高速均能高效运行的方法及其SR电机

技术领域

本发明涉及SR电机，尤其涉及一种在低速段和高速段均能使SR电机高效率运行的方法及其SR电机。

背景技术

据统计电动机的耗电量为整个电网耗电量的60%左右。因此，提高电动机运行效率是节能的重要举措，特别在调速技术应用领域，由于电动机运行于额定高转速段时效率较高，而为了同时满足被驱动设备的高、低速运行要求，通常需通过机械变速换档机构传动。由此即增加了机械传输间隙和传动摩擦损耗，也降低了整个调速系统的效率和动态响应性。而为此所产生的电动机直接驱动结构，其效率在低速段也就较低。

电动汽车已被公认为节能环保的未来汽车。任何一类电动汽车也都需用电动机作为执行机构来驱动车轮行驶，因此选择较佳的驱动结构对电动汽车推广应用意义重大。综合车辆动力学、电机拖动及其控制工程等多项理论分析，采用轮毂电机直接驱动电动汽车可归纳总结出如下诸多优点：简化机械结构和降低车载自重以利汽车结构布局，即可省去所有庞大而笨重的机械传动链，腾出大量空间供蓄电池布局；降低汽车质心与车身高度；提高车轮控制快速响应性；易实现四轮驱动四轮转向来提高车轮对地面附着力、转向性能以及动能回收率等，易实现传统轿车较难实施的各种高性能控制，从而极大改善汽车行驶安全性、操控性和稳定性。

目前国际上也已越来越多地认识到采用轮毂电机直驱的优越性，近年来美、英、法、德等国纷纷将轮毂电机应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得相应成果。即通过理论分析和实践证实，均说明直驱轮毂电动机已被国内外认可的电动汽车的最佳、最终驱动方式，但由此对电动机的调速性能等也提出更高的独特要求。针对汽车行驶于多变路况，以及用蓄电池为能源等特点，对直驱轮毂电动机提出了启动力矩大、启动电流小、短时过载能力强、动态响应快、能高效发电回馈制动、故障容错性和系统可靠性高等要求。

为此通过对永磁直流无刷、交流变频矢量控制以及开关磁阻电机驱动SRD等各类电机调速系统的比较分析，其中SR电机（开关磁阻电动机）是最能较全面地满足上述独特要求的电动机。特别是轮毂电机采用直接驱动汽车车轮，省去常规的机械减速等所有传动链，对电机的低速段运行特性提出了更高的独特要求，即要低速时有较大输出转矩，又需限制相应电流以避免蓄电池大电流放电而损坏。而通过电机相应的电磁理论即可证明交、直流电机的转矩随转速降低成一次方增加；而SR电机转矩随转速降低将成二次方指数增加，并在低速段采用斩波限流控制即可实现上述的独特要求。

针对SR电机运行的非线性特点，又利用计算机有限元分析仿真来获得交、直流电机与SR电机的效率与转速曲线图，通过对该三类电机的仿真曲线比较，可知无刷永磁电机和三相异步电机的固有调速特性均在高速段效率较高，这也是大部分调速电机的特点；而SR电机却可在低速段获得较高效率，并通过修改电机的相关设计参数，还可改变高效曲线段所对应的转速值。但汽车通常在市区行驶时速度较低，而在高速路段行驶车速较高。如何使SR电动机在低速段和高速段均能获得更高的效率，是使直驱轮毂电动机更有效发挥其优势的关键所在。

在现有技术中，主要通过改善SR电动机控制器的性能以及转子、定子的物理结构等来改善SR电动机的性能。比如公开日为2010年10月13日、公开号为CN101860298A的专利文献公开的名称为一种开关磁阻电机控制器的技术方案，它采用STC单片机接收手柄及按钮控制电路发出的控制信号、转子位置传感器检测电路发出的位置信号以及电流检测电路发出的电流信号，通过驱动电路与功率变换器连接SR电机，蓄电池分别向STC单片机和功率变换器供电，能够避免功率变换器出现直通故障，提高了系统可靠性。但是该技术方案并不能改善SR电动机运行效率尤其是高、低速段的运行效率。又比如公开日为2008年11月26日、公开号为CN101313449A的专利文献公开了这样的技术方案，一种开关磁阻电动机，包括：具有多个以预定的间距向内突出的磁极的定子铁芯；缠绕于该定子铁芯的突出的磁极周围的线圈，以及转子铁芯，其以预定间隙可转动地容置于该定子铁芯的内侧并具有多个沿径向向外突出的磁极，突出的磁极的前端最初靠近定子铁芯的每一个突出的磁极，从而使得定子铁芯的突出的磁极与转子铁芯的突出的磁极之间的间隙逐渐减小。该技术方案虽然能够使定子铁芯与转子铁芯的重叠部分中的间隙不是突变而是逐渐变化使转矩不发生突变，从而减小了转子转动产生的噪音，但是对于SR电动机在低速段及高速段的运行效率提高没有进一步帮助。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种SR电机低高速均能高效运行的方法及其SR电机，使SR电机无论运行在低速段还是运行在高速段均能获得高运行效率。

本发明针对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种SR电机低高速均能高效运行的方法，用于径向分相的SR电机结构，绕组在定子上，包括下述步骤：

A．        将SR电机每相绕组划分为分绕组绕制在该相各凸极上并在每个凸极进行分绕组始、末端接线；

B．         将所述的每相绕组各分绕组的始、末端接线从所述SR电机定子内引出连接到串并联换接器上，所述串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接为串联方式或并联方式，并进行串联方式与并联方式之间的转换；

C．        SR电机运行于低速段时，串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接成串联方式，在SR电机运行于高速段时，串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接成并联方式。

本发明适用于将每相绕组绕制在该相各凸极的绕组由并联方式改接为串联方式时，可成倍提高每相绕组匝数的SR电机，即主要适用于径向分相的SR电机结构。

由于电机运行于额定转速时通常效率最高，又根据SR电机绕组匝数计算的设计要求与其额定转速为反比例关系，说明SR电机高效运行的理想状态是随运行转速的提高，应使其绕组匝数减少而线径增粗，这似乎是无法实施的理想要求，但是经过细加推敲SR电机绕组的接线方式，如将绕制在每相各凸极的绕组由串联改接为并联方式，即可成倍降低每相绕组匝数而增粗其线径，如同机械有级分段变速，但避免了其齿轮箱固有的一切弊端，并进一步提高了整个调速系统的效率。本发明通过将每相绕组分为多个分绕组在该相的每个凸极上绕制，每个凸极上一个分绕组，每个分绕组具有始、末端接线，再将每个分绕组的始、末端接线引到外面的串并联换接器上进行串、并联连接和串、并联转换，从而实现SR电机无论在低速段运行还是在高速段运行都具有高的运行效率。经过上千次的计算机有限元仿真分析，证实了SR电机各相绕组采用串联连接具有较低额定转速运行时的高效率，而改接为并联方式具有成倍的较高额定转速运行时的高效率。

作为优选，在SR电机每相的凸极数多于2个时每相绕组的分绕组采用局部串接和/或并接后将接线引出，再通过串并联换接器连接成串联方式或并联方式，串联方式是每相绕组处于串联连接状态的分绕组数多于并联连接状态的分绕组数，并联方式是每相绕组处于并联连接状态的分绕组数多于串联连接状态的分绕组数。在SR电机每相的凸极数较多比如4个或四个以上时，按SR电机的相数和极数不同可有多种结构，由于相数和极数不同对每相绕组的串、并联连接可有许多种方式。此时在电机定子内保留并联方式和串联方式连接时所需的共同连接部分，将非共同连接所需的始、末端接线由电机定子内引出，当电机运行于低速调速段时，由串并联换接器将绕组引出线连接成串联方式，当电机运行于高速调速段时，将绕组引出线连接成并联方式。在这里，串联方式与并联方式是相对而言，只要该方式每相各凸极绕组（分绕组）间的串联数大于并联数，该方式就为串联方式；同理，只要每相各凸极绕组（分绕组）间的并联数大于串联数，该方式就为并联方式。比如，对每相为两个凸极就最为简单，即每相绕组的两个分绕组两并为并联方式，而两串为串联方式；如每相有四个凸极，每相绕组的四个分绕组就有四并、两并两串、四串三种接线方式，前者相对后者就为并联方式，而后者相对前者即为串联方式。如每相有六个凸极，每相绕组就的六个分绕组有六并、三并两串、两并三串、六串四种接线方式，前者相对后者就为并联方式，而后者相对前者即为串联方式。对于更多极数的串、并联方式以此类推。

作为优选，SR电机每相的凸极数多于2个时，每相绕组的分绕组间局部连接方式按所配电源的电压等级来确定，电压高时选用分绕组局部串联，而电压低时选用分绕组局部并联。每相各凸极绕组（分绕组）间的连接方式主要可按所配电源的电压等级来决定，通常电压越高要求多选用串联方式，而电压较低时可多选用并联方式。对于SR电机的每相凸极数越多可选用的连接方式也就越多越灵活，相对采用换接绕组串、并联方式的分段变速级数也可越多。

作为一种SR电机低高速均能高效运行的方法的实现，一种低高速均能高效运行的SR电机，采用径向分相结构，包括定子和转子，还包括串并联换接器，将SR电机的每相绕组划分为分绕组绕制在该相各凸极上并在每个凸极进行分绕组始、末端接线，将每相绕组各分绕组的始、末端接线从SR电机定子内引出连接到串并联换接器上。

作为优选，在SR电机每相的凸极数多于2个时每相绕组的分绕组采用局部串接和/或并接将接线引出，再通过串并联换接器连接成串联方式或并联方式，串联方式是每相绕组处于串联连接状态的分绕组数多于并联连接状态的分绕组数，并联方式是每相绕组处于并联连接状态的分绕组数多于串联连接状态的分绕组数。此时在电机定子内保留串联方式和并联方式时所需的共同连接部分，将非共同连接所需的始、末端接线由电机定子内引出连接到串并联换接器上。在进行局部串并联时考虑所配电源的电压等级。

作为优选，串并联换接器是手控开关或接触器或可控硅电路或功率开关管电路。串并联换接器是通过接通或断开各凸极绕组间的接线，来改变绕组的串、并联方式，即起到一种多级开关作用，按要求即可采用手控开关（比如双向刀闸开关）、接触器、可控硅和功率开关管等器件来实现。

作为优选，串并联换接器是具有多个常闭开关和多个常断开关的接触器，常闭开关和常断开关连接分绕组的引出线。综合成本、可靠性和使用方便性，选用接触器较为适宜。

作为优选，SR电机是直驱轮毂式电机，直驱轮毂式电机是外转子内定子结构。通过对汽车各种轮胎型号规格的计算，设定相应轮毂电机的各种外形尺寸、电枢直径，并按多种设计参数对SR直驱轮毂电机进行计算设计，为此通过如同接触器等串并联换接器来改变SR电机相绕组在各凸极间的串、并联方式，使SR电机在低速段和高速段均能获得较高效率，从而由串并联换接器即可替代传统调速系统中的机械变速箱，避免了机械传输间隙和传动摩擦损耗，提高了整个调速系统的动态响应性。并且串并联换接器的重量、体积和成本都将远低于传统的机械变速箱，更便于控制切换，即由电气替代机械切换提高了低、高调速段转换的响应性。

对于SR电机的整个调速范围可通过驱动控制器采用电流斩波(CCC)恒转矩控制及角度位置(APC)恒功率控制等方式，即可获得相当宽的无级调速范围，完全可满足电动汽车在多变路况的各种车速要求。

作为优选，SR电机采用伺服控制系统。使SR电机的转动速度、转动角度和加速度控制更加准确和高效。

本发明带来的有益效果是，1、使SR电机运行在低速段和高速段均能获得较高效率，尤其是用于电动汽车作为直驱轮毂电机更能发挥电动汽车的优越性；2、由所述串并联换接器替代传统调速系统中的机械变速箱，避免了机械传输间隙和传动摩擦损耗，提高了整个调速系统的动态响应性，并且其重量、体积和成本都将远低于传统的机械变速箱，并更便于控制切换。

附图说明

    图1是本发明的流程图；

图2是四相16/12极SR电机每相四个绕组采用四并联的接线图；

图3是四相16/12极SR电机每相四个绕组采用先两串联再两并联的接线图；

图4是四相16/12极SR电机每相四个绕组采用先两串联再两并联与四并联互为转换连接的引出端接线图；

图5是四相16/12极SR电机每相四个绕组采用先两并联再两串联的接线图；

图6是四相16/12极SR电机每相四个绕组采用先两并联再两串联与四并联互为转换连接的引出端接线图；

图7是采用一台专用于换接SR电机绕组串、并联方式的接触器。

图中：A+、B+、C+、D+，A-、B-、C-、D-，A₁、B₁、C₁、D₁，A₂、B₂、C₂、D₂是分绕组引出线接线端子，KM是接触器的开断机构，K1-K8是常断开关，S1-S4是常闭开关。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例： 如图1所示为流程图，基本步骤包括：

S101：在径向分相结构的SR电机上，将每相绕组划分为与该相凸极数相同的分绕组绕制在该相所属的每个凸极上，并在凸极上进行分绕组始、末端接线；

S102：判断每相凸极数是否等于2个，如果是转S103，否则（即每相的凸极数大于2个）转步骤S104；

S103：将各分绕组的始、末端接线从SR电机定子内引出连接到串并联换接器上；

S104：根据串联方式和并联方式所要求的接线将每相分绕组的共同用始末端进行局部串并联组合；

S105：根据串联方式和并联方式所要求的接线将每相分绕组的非共同用的始末端接线从SR电机定子内引出连接到串并联换接器；

S106：判断SR电机是否运行于低速段？如果是则转S107，否则转入步骤S108；

S107：在低速段运行，串并联换接器将每相绕组的分绕组连接成串联方式；

S108：在高速段运行，串并联换接器将每相绕组的分绕组连接成并联方式。

本实施例以低速运行性能较好、转矩脉动较小的四相16/12极结构的SR电机为例进行分绕组的串并联连接和转换。

对于四相16/12极SR电机每相四个绕组，采用先两并联再两串联方式与四并联方式互为转换。

采用专用于SR电机的计算机有限元分析仿真可以进行验证。在设计各种规格的SR直驱轮毂电机时，先经仿真分析比较后，选用四相16/12极SR电机为基础，而对电机外形尺寸、电枢直径，及定子和转子的极距、极弧系数、轭高、凹槽深、各相绕组匝数和其线径等结构设计参数，经优化后均采用完全相同的仅改变绕于定子各凸极上绕组的串、并联方式， 并设定成倍的额定转速值。其额定转速值按各种轿车轮胎型号所估算的轮胎周长，分别按汽车时速约为45km/h（适于市区行驶速度）和90 km/h（适于高速路行驶速度）计算，则获得要求电机的额定转速分别设为375rpm和750rpm。采用电机结构设计参数与其完全一致，绕组分别为两并两串和四并联连接，相应额定转速分别设为375rpm和750rpm进行计算机仿真比较。并对各种轮胎型号所适于的SR轮毂电机设计仿真后结果进行统计比较，两种方法在相差1倍的额定转速时效率均可达90%以上，采用绕组两并两串连接时，运行在额定转速375rpm时效率虽比采用绕组四并联连接、运行于额定转速750rpm时略低约1个百分点，但采用绕组四并联连接运行于250rpm（相当于车速约30km/h）时效率仅为40～50%，而采用绕组两并两串连接运行于250rpm时效率可达88%左右。

为明确各相绕组采用并联方式和串联方式连接时所需的共同连接（局部连接）部分，首先需按每相绕组通电时，使其相邻凸极所产生磁场极性互为相反的原则，分别绘制出两种连接方式的绕组接线图，通过比较两种接线图来找出共同连接部分。然后再绘制两种方式转换连接的引出端接线图时，保留共同连接部分，而将所有非共同连接部分的各凸极绕组始、末端均引出为接线端点。

由于四相16/12极SR电机的每相绕组有四并、两并两串、四串三种接线方式，本实施例仅选用四并与两并两串互为转换的两种接线方式，又因两并两串按连接顺序不同可有如下两种方法：

一种是通常采用的如图3所示每相四个绕组采用先两串联再两并联的接线方式，比较如图2所示的每相四个绕组采用四并联的接线图，即可得出如图4所示的每相四个绕组采用先两串联再两并联与四并联互为转换连接的引出端接线图。由图4比较图2和图3可知：两种方式如采用接触器互为转换连接，每相绕组就需两个常闭开关和四个常断开关来转接。以A相为例，当电机运行于低速调速段时，要求将A₁与A₂、A₃与A₄分别由两个常闭开关连接成两极绕组并联两极绕组串联的接线方式，当电机运行于高速调速段时，要求将A+与A₂与A₄、A₁与A₃与A-分别由四个常断开关连接成四极绕组均并联的接线方式。

根据每相绕组通电时，要求使其相邻凸极所产生磁场极性互为相反的原则，另一种可采用如图5所示的每相四个绕组采用先两并联再两串联的接线方式，比较如图2所示的每相四个绕组采用四并联的接线图，即可得出如图6所示的每相四个绕组采用先两并联再两串联与四并联互为转换连接的引出端接线图。由图6比较图2和图5可知：两种方式如采用接触器互为转换连接，每相绕组仅需一个常闭开关和两个常断开关来转接。以A相为例，当电机运行于低速调速段时，要求将A₁与A₂由一个常闭开关连接成两极绕组并联两极绕组串联的接线方式，当电机运行于高速调速段时，要求将A+与A₂、A₁与A-分别由两个常断开关连接成四极绕组均并联的接线方式。

如此即可较多减少每极绕组由定子内引出的接线端点，对于四相16/12极SR电机共需有4个常闭开关和8个常断开关，即可仅用一台专用于换接电机绕组串、并联方式的接触器来实现串、并联互为转换连接。如图7所示为采用一台专用于换接电机绕组串、并联方式的接触器（串并联换接器），对四相16/12极SR电机每相四个绕组采用先两并联再两串联与四并联互为转换连接的电路图，常断开关K1-K4一侧连接A+、B+、C+、D+、另一侧连接A₂、B₂、C₂、D₂并通过常闭开关S1-S4连接A₁、B₁、C₁、D₁，常断开关K5-K8一侧连接A₁、B₁、C₁、D₁，另一侧连接A-、B-、C-、D-。而对于电动汽车直驱轮毂电机，经设计计算，由于其内定子的内径约大于Φ100mm，定子绕组接线即可从内径约Φ80mm的空心轴引出，一台换接用接触器还可直接安装在其空心轴内，如此即可极大减少从轮毂电机引出的电缆线。

Claims (6)

1.一种SR电机低高速均能高效运行的方法，用于径向分相的SR电机结构，绕组在定子上，其特征在于包括下述步骤：

A、将SR电机每相绕组划分为分绕组绕制在该相各凸极上并在每个凸极进行分绕组始、末端接线；

B、将所述的每相绕组各分绕组的始、末端接线从所述SR电机定子内引出连接到串并联换接器上，所述串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接为串联方式或并联方式，并进行串联方式与并联方式之间的转换；

C、所述SR电机运行于低速段时，所述串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接成串联方式，在SR电机运行于高速段时，串并联换接器将每相绕组的各分绕组连接成并联方式；

在所述SR电机每相的凸极数多于2个时每相绕组的分绕组采用局部串联和/或并联将接线引出，再通过所述串并联换接器连接成串联方式或并联方式，所述串联方式是每相绕组处于串联连接状态的分绕组数多于并联连接状态的分绕组数，所述并联方式是每相绕组处于并联连接状态的分绕组数多于串联连接状态的分绕组数。

2.根据权利要求1所述一种SR电机低高速均能高效运行的方法，其特征在于：SR电机每相的凸极数多于2个时，每相绕组的分绕组间局部连接方式按所配电源的电压等级来确定，电压高时选用分绕组局部串联，而电压低时选用分绕组局部并联。

3.一种低高速均能高效运行的SR电机，采用径向分相结构，包括定子和转子，其特征在于：还包括串并联换接器，将所述SR电机的每相绕组划分为分绕组绕制在该相各凸极上并在每个凸极进行分绕组始、末端接线，将所述的每相绕组各分绕组的始、末端接线从SR电机定子内引出连接到所述串并联换接器上；

在SR电机每相的凸极数多于2个时每相绕组的分绕组采用局部串联和/或并联将接线引出，再通过所述串并联换接器连接成串联方式或并联方式，所述串联方式是每相绕组处于串联连接状态的分绕组数多于并联连接状态的分绕组数，所述并联方式是每相绕组处于并联连接状态的分绕组数多于串联连接状态的分绕组数；

所述的SR电机是直驱轮毂式电机，所述直驱轮毂式电机是外转子内定子结构。

4.根据权利要求3所述一种低高速均能高效运行的SR电机，其特征在于：所述串并联换接器是手控开关或接触器或功率开关管电路。

5.根据权利要求4所述一种低高速均能高效运行的SR电机，其特征在于：所述串并联换接器是具有多个常闭开关和多个常断开关的接触器，所述常闭开关和常断开关连接所述分绕组的引出线。

6.根据权利要求3所述一种低高速均能高效运行的SR电机，其特征在于：所述的SR电机采用伺服控制系统。