CN103401489A

CN103401489A - 一种轴式直驱永磁无刷直流电动机

Info

Publication number: CN103401489A
Application number: CN2013103507390A
Authority: CN
Inventors: 朴俊民; 鲍志民; 王绪升
Original assignee: SHENYANG PERMANENT MAGNET MOTOR MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: SHENYANG PERMANENT MAGNET MOTOR MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2013-11-20

Abstract

一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，涉及一种电动机，所述电动机为轴电机，电动机的反电势电压为梯形波，电流波形为方波；通过电动机本身的特性控制滑转率，实现电动机差速的自调节；电动机控制采用三相绕组星形连接，桥式6状态，120^o导通方式；在一个周期内用一个状态来代表；一个状态下的基本电路：U为等效供电电压；i为瞬时电流；R为等效电阻；E为等效反电动势；一个状态内电压平衡方程式为：U=E+iR；该电动机直连在车轮轴上，采用等功率控制方式。该电机将传动半轴直接与电机轴连接,即，取消机械差数器等装置而直接与传动轴连接，实现驱动电机体积小、结构简单、成本低、并提高其驱动性能。

Description

一种轴式直驱永磁无刷直流电动机

技术领域

本发明涉及一种电动机，特别是涉及一种轴式直驱永磁无刷直流电动机。

背景技术

直流电动机应用于车辆中，毂内安装电机驱动效果较好，但存在很多问题。而传统车辆内燃机输出能量的10%左右在车轮传递过程中损失，与内燃机、集中电机驱动车辆相比，轮毂驱动电动车，每个车轮通过轮毂电机快速进行驱动力和制动力的控制，大大改善车辆的行驶动力性能，容易通过电机控制技术实现ABS、TCS及ESP功能；在4轮轮毂驱动电动车上导入线控4轮转向技术，可提高车辆转向行驶性能，并有效减小转向半径，大大增加转向灵便性；可以省略机械制动系统，实现电机制动；容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。但是：轮毂内安装电机驱动，现在还面临很多问题，对轮毂电机驱动来说，由于轮毂电机的引入，整车非簧载质量显著增加，由于电机力矩波动直接作用于车轮（或经过减速机构），在特定大扭矩转速区间，容易引起悬架前后方向的共振；与集中电机驱动相比，轮毂驱动电机系统重心位置低，，而且存在相互旋转表面，因此密封困难，整车涉水能力不强；由于轮胎运转的热量，特别是刹车的热量，电机本身产生的热量如何散出去，难度是非常大的。同时也存在电子差速问题。传统汽车的差速问题主要是指车轮线速度不能与该车的轮心速度相协调，或者说车轮滚过的距离不等于车轮轮心沿平行于行驶路面轨迹移动的距离，引起车轮拖滑或滑转，从而导致汽车不能正常行驶。因此，当汽车转向或不平路面行驶时，要求各车轮转速不同，并要与轮心速度相协调，需要机械差速器来满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，该电机将传动轴直接与电机轴连接,即，取消机械差数器等装置而直接与传动轴连接，实现驱动电机体积小、结构简单、成本低、并提高其驱动性能的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，所述电动机为轴电机，电动机的反电势电压为梯形波，电流波形为方波；通过电动机本身的特性控制滑转率，实现电动机差速的自调节；电动机控制采用三相绕组星形连接，桥式6状态，120^o导通方式；在一个周期内用一个状态来代表；一个状态下的基本电路：U为等效供电电压；i为瞬时电流；R为等效电阻；E为等效反电动势；一个状态内电压平衡方程式为：U=E+iR ；该电动机直连在车轮轴上，采用等功率控制方式。

所述的一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，所述反电动势的幅值E_m(V): E_m=K_eΩ； K_e为反电势系数(v/rad/s)；Ω为转子机械角速度（rad/s）；Ω与电机转速n (r/min)的关系为Ω=0.1047*n 。

所述的一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，所述转子输出的机械功率等于气隙的电磁功率，即 TΩ=Ei=P ；T为电磁转矩（N.m）； P为电磁功率（w）；T=P/Ω=P/0.1047*n=Ei/Ω=Ei/0.1047*n 。

本发明的优点与效果是：

永磁无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高的特点，非常适合安装在电动车半轴上。

附图说明

图1为电机特性曲线图；

图2为本发明电机及控制采用三相绕组星形连接图；

图3为在不考虑绕组电感的情况下，一个状态下的基本电路图；

图4为电动车实施例示意图之一；

图5为电动车实施例示意图之二；

图6为图5的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

永磁无刷直流电机转矩（功率）密度理论上是（永磁同步电机）的1.41倍，永磁电机中，最主要的损耗是定子的铜损耗，铁心的涡流和磁滞损耗，转子损耗假设忽略不计，对于给定相同的机壳，有低损耗的电动机将有高的功率密度。

假设，永磁同步电机和永磁无刷电机的定子铁心的涡流和磁滞损耗是相同的，功率密度的比较取决于铜损耗。

永磁同步电机中，他的电流是正弦波，绕组的铜损是由电流的基波决定的，设永磁同步电机的相电流幅值为

Figure 2013103507390100002DEST_PATH_IMAGE001

；电流的有效值为

Figure 2013103507390100002DEST_PATH_IMAGE003

；那么，三相绕组铜耗是 3（

）²×R

R为相电阻

无刷直流电机中，他的电流是梯形波，设永磁无刷电机的相电流幅值为

；电流有效值是

Figure 2013103507390100002DEST_PATH_IMAGE005

；（因为永磁无刷导通角是120⁰ ；并非180⁰）

由于永磁无刷三相六状态总是两相导通，那么，三相绕组的铜耗是2（

）² ×R

R为相电阻。

由铜耗设定相等为条件则：

3（

）²×R =2（

）² ×R

Figure 2013103507390100002DEST_PATH_IMAGE007

永磁同步电机的电磁转矩为

永磁无刷电机的电磁转矩为；Ω为角速度； E_P1和E_P2为电机每相反电势，其幅值由直流母线决定，取E_P1=E_P2 则：

永磁无刷电机的电磁转矩理论上是永磁同步电机的1.41倍。也就是说无刷直流电动机比相同机壳尺寸的永磁同步电动机能够多提供41%的功率，即功率密度大41%

轴电机的难点在于解决现有机械差速器问题。

轴电机采用永磁无刷直流电机，电机特性为图1所示；控制采用等功率控制。利用电机本身特性，从图1可以看出当电机功率不变，转矩增加，电机速度降低；转矩减小，转速增加的软特性。可通过控制滑转率，实现电子差速的自调节功能。

本发明，永磁无刷直流电机及控制采用三相绕组星形连接，桥式6状态，120^o导通方式；如图2；在一个周期内可以用一个状态来代表。在不考虑绕组电感的情况下，一个状态下的基本电路如图3,；U为等效供电电压；i为瞬时电流；R为等效电阻；E为等效反电动势。一个状态内电压平衡方程式为：U=E+iR

Figure 2013103507390100002DEST_PATH_IMAGE011

；

反电动势的幅值E_m(V): E_m=K_eΩ ;

K_e为反电势系数(v/rad/s)；

Ω为转子机械角速度（rad/s）；

Ω与电机转速n (r/min)的关系为Ω=0.1047*n

Figure 2013103507390100002DEST_PATH_IMAGE013

；

有能量守恒，转子输出的机械功率等于气隙的电磁功率，即 TΩ=Ei=P

; T为电磁转矩（N.m）; P为电磁功率（w）；

T=P/Ω=P/0.1047*n=Ei/Ω=Ei/0.1047*n (5)

由

式得i=(U-E)/R (6)。

由上述各式可知：直流无刷电机旋转时，磁场中产生的反电动势E与电机角速度Ω成正比，E∝Ω；工作电流与输入电压U和反电动势E的差成正比，i∝U-E ；输出转矩T与绕组电流成正比T∝i；这样，当驱动轮的转速不一致时，低速驱动轮电机的反电动势低（n↓；E↓），电流变大，输出转矩也增大（i↑；T↑），滑转率S_z增大，将使轮子加速（S_z↑；n↑）；高速驱动轮电机的输出转矩小（n↑；T↓），滑转率减小，将使轮子减速（S_z↓；n↓）。通过不同滑转率的调节，使二驱动轮转速之差变小，实现差速功能，这满足差速的充分条件。下面通过几种工况来分析轴电机自调节差速功能。

轴电机自适应差速2轮或4轮驱动的电动车实施例：

本发明是将汽车半轴作为电机连接轴,永磁无刷直流电动机（或在轴上加减速器）直接驱动电动车行走；利用电机自调节差速的功能，取消机械差数器装置。实现传动半轴直驱的一种电动机，应用轴电机并能自适应差速2轮或4轮驱动的电动车。其结构见图4，车底盘前后悬架采用独立悬架。2个或4个车轮均为驱动轮，分别由2个或4个相互独立的永磁无刷直流电机（轴电机）通过万向轴和车轮连接。

本发明车轮滚动半径不同时：由于车轮的有效滚动半径的大小不同，导致驱动轮的转速不一致，总会存在一定的转速差，则驱动电机的反电势不同，电流不同，在高速工况时（根据设定）电机工作在限流状态，驱动轮的转矩基本相同，实现了差速的自调节功能，增强了车辆稳定直线行驶的可靠性。在低速工况驱动轮的有效半径R大的，转速n小，电流i大，转矩T大，滑转率Sz大，转速n调高（R↑；n↓；i↑；T↑；Sz↑；n↑）。反之驱动轮有效半径R小的，使得转速n变低（R↓；n↓）。通过滑转率的不同而调节，最终使各驱动轮驱动力矩基本相等而工作在差速状态，实现电子差速自调整功能。

本发明路面附着力系数不同时：路面附着力系数μm小的、滑转率Sz大、转速n大、电流i小、使转速n向减小的方向变化（μm↓；Sz↑；n↑；i↓；n↓）；路面附着力系数μm大的、滑转率Sz小、转速n小、电流i大、使转速n向增加的方向变化（μm↑；Sz↓；n↓；i↑；n↑）。通过滑转率的调节，虽然各驱动轮的转速不同，但驱动轮的转矩基本相等，使车辆保持直线行驶，完成了差数作用，实现电子差速自适应功能。

本发明转弯行驶工况：在转弯时，内驱动轮的转动半径R内小于外驱动轮的驱动半径R外，所以内驱动轮的实际转速n内小于外驱动轮的实际转速n外；可得内驱动轮电机的反电动势E内小于外驱动轮的反电动势E外，由于各电机是在同一输入电压下，因此，内驱动轮电机的绕组相电流i内大于外驱动轮电机绕组相电流i外；则内驱动轮的转矩T内大于外驱动轮的转矩T外，而内轮的承重G内减轻，外侧轮的承重G外增大，因此，内侧驱动轮的滑转率Sz内大，外侧驱动轮滑转率Sz外小（R内＜R外；n内＜n外；E内＜E外；i内＞i外；T内＞T外；G内↓；G外↑；Sz内↑；Sz外↓）。根据直线工况分析可得知，内侧驱动轮的滑转率Sz内大，则转速n内减小，外侧驱动轮滑转率Sz外小，则转速n外增大（Sz内↑；n内↓；Sz外↓；n外↑）即外侧驱动轮转速n外大于内侧驱动轮转速n内（n外＞n内），实现了差速自适应问题。

Claims

1.一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，其特征在于，所述电动机为轴电机，电动机的反电势电压为梯形波，电流波形为方波；通过电动机本身的特性控制滑转率，实现电动机差速的自调节；电动机控制采用三相绕组星形连接，桥式6状态，120^o导通方式；在一个周期内用一个状态来代表；一个状态下的基本电路：U为等效供电电压；i为瞬时电流；R为等效电阻；E为等效反电动势；一个状态内电压平衡方程式为：U=E+iR ；该电动机直连在车轮轴上，采用等功率控制方式。

2.根据权利要求1所述的一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，其特征在于，所述反电动势的幅值E_m(V): E_m=K_eΩ； K_e为反电势系数(v/rad/s)；Ω为转子机械角速度（rad/s）；Ω与电机转速n (r/min)的关系为Ω=0.1047*n 。

3.根据权利要求1所述的一种轴式直驱永磁无刷直流电动机，其特征在于，所述转子输出的机械功率等于气隙的电磁功率，即 TΩ=Ei=P ；T为电磁转矩（N.m）； P为电磁功率（w）；T=P/Ω=P/0.1047*n=Ei/Ω=Ei/0.1047*n 。