CN104953743A - 电动汽车与电动车电子多挡变速电机及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车与电动车电子多挡变速电机及控制系统，其特征在于，它采用场效应管或IGBT管控制三相、六相、星形、三角形、多边形、串联、并联、单联、单抽头及双抽头接法不同组合切换，改变电机绕组的等效阻抗实现换挡变速，用于采用多相绕组及多相控制的直流永磁无刷电机、直流永磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂电机；本发明的特征还在于，通过速度控制软件，在每一档速度末尾切换处及起始切换处，缓慢进行档内速度控制，实现无顿挫感切换。

Description

电动汽车与电动车电子多挡变速电机及控制系统

一、技术领域

本发明涉及一种电动汽车与电动车电机与控制系统，特别涉及一种电动汽车与电动车多挡变速电机及控制系统。

二、背景技术

目前电动汽车与电动车广泛使用直流无刷永磁同步电机、直流无刷永磁电机、开关磁阻电机及交流异步电机，它们实质是调节功率的大小实现调速与调力矩。电机在启动与爬坡过程中需要较大的力矩，可降低速度；正常行驶需要较高的转速，可降低力矩；这些都要求实现电动汽车在总功率不变基础上的换挡变速。现有电机与控制系统不具备换挡变速功能，在启动与爬坡时，采用加大功率增加力矩；在平路行驶时，加大功率增加转速，实现快速行驶。这些都带来了过大的能量损耗，加大电机功率带来了电机成本的增加，同时处于高功率状态下的电机与控制器损坏的可能性增加，电池系统的大电流放电导致其续航能力大幅度下降及电池寿命的缩短；有的采用超级电容，增加电流输出，带来了成本的大幅度增加。因此电动汽车必须采用换挡变速技术，现有的换挡变速技术主要通过变速箱来实现，在启动及爬坡时，在总功率一定的条件下，将转速比调低从而获得大的力矩，在正常行驶时降低力矩将转速比调高从而获得较高的行驶速度。现有的变速箱有手动变速与自动变速两大类型，都是采用机械变速，其缺点是体积大、重量重、成本高及换挡变速带来能量损失。

现代控制技术的发展总是沿着尽力采用机电技术替代机械技术、采用电子技术替代机电技术、采用软件技术替代硬件技术的方向发展。机械换挡变速技术必将被先进的电子换挡变速技术取代。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车与电动车电子多挡变速电机控制系统，它具有成本低、重量轻及体积小的优点，实现对机械及机电换挡变速装置的替代，它适用于直流永磁无刷电机、直流永磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂电机。

本发明总的是这样实现的：它采用一个或多个并联的场效应管或IGBT管控制三相、六相、星形、三角形、六边形、串联、并联、单联、单抽头及双抽头接法的不同组合进行切换，通过改变电机绕组的等效阻抗实现换挡变速，它可形成三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，三相星形接法双抽头切换三挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统；它用于采用多相绕组及多相控制的直流永磁无刷电机、直流永磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂电机；通过速度控制软件，在每一档速度末尾切换处及起始切换处，缓慢进行档内速度控制，实现无顿挫感切换。

所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征在于：

它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的3个绕组等长线圈L1、L2、L3均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由三相全桥式换相电路单元与星形接法及三角形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13构成三相全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23构成三相全桥式换相电路单元的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12及K31与K32串联连接组成分别组成A相、B相与C相。定子绕组线圈L1、L2及L3的头部分别连接三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1及Y2分别将定子绕组线圈L1与L2及L2与L3的尾部相连；三角形接法电子切换开关S1、S2及S3分别将定子绕组线圈L3尾部与L1头部、L1尾部与L2头部及L2尾部与L3头部相连。

不同接法的控制状态及参数如表一所示。

表1：三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统状态参数表

据表1，在电动汽车启动及加速时，采用星形接法，先工作在低速档，启动力矩是高速档的通过速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到三角形接法，工作在高速档，速度是低速档的在电动汽车爬坡时，通过速度检测自动切换到低速档，获得是高速档倍的力矩，在不增加功耗的前提下实现力矩大幅度增加。

所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征还在于，用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用六个霍尔位置传感器；采用星形接法时，电机中的一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2与L3及L3与L1的中间，采用三角形接法时电机中的另一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1、L2与L3的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法时，需检测L1与L2、L2与L3及L3与L1串联形成的3个线圈的电磁感应信号；采用三角形接法时，只需检测L1、L2与L3单独3个线圈的磁感应信号。

所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征还在于，采用星形接法时，三相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／2或1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。

所述三相式双抽头切换三挡变速电机与控制系统，其特征在于：

它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的绕组线圈J1由长度为xL的L11、L12、L13三个线圈串联而成，绕组线圈J2由长度为yL的L21、L22、L23三个线圈串联而成，绕组线圈J3由长度为zL的L31、L32、L33三个线圈串联而成；线圈L11、L21、L31的首部分别接入控制部分三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部，线圈L13、L23、L33的尾部在电机内部相连在一起；所述控制部分由三相全桥式换相电路单元与双抽头切换控制单元组成，所述三相全桥式换相电路单元与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统中的一致。L11与L12、L21与L22、L31与L32连接处分别引出抽头线经控制部分第一抽头开关C11、C21、C31与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相连，L12与L13、L22与L23、L32与L33连接处分别引出抽头线经控制部分第二抽头开关C12、C22、C32与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相连。其状态参数表如表2所示。

表2：三相星形接法双抽头切换三挡变速电机与控制系统状态参数表

据表2，采用低速档速度为V，此时为最大力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采用中速档速度为此时力矩为采用高速档速度为适合电动汽车高速行驶。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到中速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测自动切换到中速档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。

所述三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，其特征是：

它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不同的是电机定子绕组线圈L1、L2、L3分别由两段绕组线圈L11及L12、L21及L22、L31及L32串联而成；抽头控制开关C1、C2、C3或分别与绕组线圈L11、L21、L31并联相接，或分别与绕组线圈L12、L22、L32并联相接；绕组线圈L11、L21、L31的长度为xL，绕组线圈L12、L22、L32的长度为yL。其状态参数表如表3-1(x≥y／2)及表3-2(x≤y／2)所示。

表3-1：三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表

据表3-1，采用低速档速度为V，此时为最大空载力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采用中低速档速度为此时空载力矩为采用中高速档速度为适合电动汽车较高速行驶；此时空载力矩为采用高速档速度为适合电动汽车较高速行驶；此时空载力矩为在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到中低速档、中高速档及高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到中高速档、中低速档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。

为获得更宽范围的变速，线圈x的长度为x≤y／2，此时其状态参数表如表3-2所示：

表3-2：三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表

所述三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，其特征在于：

它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不同的是电机定子绕组L1、L2、L3分别由电路与参数完全相同的串并联支路J1、串并联支路J2及串并联支路J3替代，所述串并联支路J1的并联上支路依次由并联切换电子开关B11与定子绕组线圈L12串联而成，串并联支路J1的并联下支路依次由与定子绕组线圈L11与并联切换电子开关B12串联而成，串联切换电子开关C1连接在并联上下支路的中间；串并联支路J2及串并联支路J3的电路组成及参数与所述串并联支路J1的完全一致；其状态参数表如表4所示。

表4：三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统状态参数表

据表4，采用星形接法有串联、单联与并联3种模式，采用三角形接法也有串联、单联与并联3种模式，其等效内阻均不同，共计可以形成六档变速。最高速度档第6档的速度是最低速度档第1档的倍，变速范围很宽；最大力矩档第1档的力矩是最小力矩档第6档的倍，力矩增大很多。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档第1档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到第2、第3、第4、第5及第6速度档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到第5、第4、第3、第2及第1速度档加大力矩，实现电子换挡变速。

所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，其特征在于：

它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的6个绕组等长线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由六相全桥式换相电路单元、星形接法与多边形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13、K14、K15、K16构成六相全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23、K24、K25、K26构成六相全桥式换相电路单元的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12、K31与K32、K41与K42、K51与K52、K61与K62串联连接分别组成A相、B相、C相、D相、E相及F相。定子绕组线圈L1、L2、L3、L4、L5及L6的头部分别连接六相全桥式换相电路单元A相、B相、C相、D相、E相及F相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1、Y2、Y3、Y4及Y5分别将定子绕组线圈L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5及L5与L6的尾部相连；多边形接法电子切换开关S1、S2、S3、S4、S5及S6分别将定子绕组线圈L6尾部与L1头部、L1尾部与L2头部、L2尾部与L3头部、L3尾部与L4头部、L4尾部与L5头部及L5尾部与L6头部相连。其状态参数如表5所示。

表5：六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统状态参数表

据表5，采用六相有星形接法与六边形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3断开；关闭B相、D相与F相，六相变成串联3相，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3断开，绕组线圈L1与L2、L3与L4、L5与L6各自串联成一个线圈，通过星形接法开关Y2、Y4与三角形接法开关S1、S3、S3的切换，形成三相串联星形接法与三角形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档；A相与B相、C相与D相、E相与F相同通断，六相变成并联3相，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3接通，绕组线圈L1与L2、L3与L4、L5与L6各自并联成一个线圈，通过星形接法开关Y2、Y4与三角形接法开关S1、S3、S5的切换，形成三相并联星形接法与三角形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档；共计形成6个速度档。

最高速度档第6档的速度是最低速度档第1档的变速范围宽；最大力矩档第1档的力矩是最小力矩档第6档的力矩增大很多。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档第1档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到第2、第3、第4、第5及第6速度档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到第5、第4、第3、第2及第1速度档加大力矩，实现电子换挡变速。

所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，其特征还在于，用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用12个霍尔位置传感器。采用星形接法时，电机中的一组6个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5、L5与L6及L6与L1的中间，采用六边形形接法时电机中的另一组6个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1、L2、L3、L4、L5与L6的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法时，需检测L1与L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5、L5与L6及L6与L1串联形成的6个线圈的电磁感应信号；采用六边形接法时，只需检测L1、L2、L3、L4、L5与L6六个线圈的磁感应信号。

所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，其特征还在于，采用星形接法时，三相或六相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／2或1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动；采用六边形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。

附图说明

图1为本发明的三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统原理框图

图2为本发明的三相星形接法双抽头切换三挡变速电机及控制系统原理框图

图3A与图3B为本发明的三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统原理框图

图4为本发明的三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统原理框图

图5为本发明的六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统原理框图

具体实施方式

下面详细说明本发明提出的电动汽车与电动车电子多档变速电机及控制系统具体实施方法，它采用一个或多个并联的场效应管或IGBT管控制三相、六相、星形、三角形、六边形、串联、并联、单联、单抽头及双抽头接法的不同组合进行切换，通过改变电机绕组的等效阻抗实现换挡变速，它可形成三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，三相星形接法双抽头切换三挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统；它用于采用多相绕组及多相控制的直流永磁无刷电机、直流永磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂电机；通过速度控制软件，在每一档速度末尾切换处及起始切换处，缓慢进行档内速度控制，实现无顿挫感切换。

所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，三相星形接法双抽头切换三挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统的5个实施例，以对本发明进行进一步的描述。在此有必要指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明对本发明作出一些本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明的三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统原理框图，

它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的3个绕组等长线圈L1、L2、L3均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由三相全桥式换相电路单元与星形接法及三角形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13构成三相全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23构成三相全桥式换相电路单元的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12及K31与K32串联连接组成分别组成A相、B相与C相。定子绕组线圈L1、L2及L3的头部分别连接三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1及Y2分别将定子绕组线圈L1与L2及L2与L3的尾部相连；三角形接法电子切换开关S1、S2及S3分别将定子绕组线圈L3尾部与L1头部、L1尾部与L2头部及L2尾部与L3头部相连。

不同接法的控制状态及参数如表1所示。

表1：三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统状态参数表

据表1，在电动汽车启动及加速时，采用星形接法，先工作在低速档，启动力矩是高速档的倍，通过速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到三角形接法，工作在高速档，速度是低速档的倍；在电动汽车爬坡时，通过速度检测自动切换到低速档，获得是高速档倍的力矩，在不增加功耗的前提下实现力矩大幅度增加。

本发明用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用六个霍尔位置传感器；采用星形接法时，电机中的一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2与L3及L3与L1的中间，采用三角形接法时电机中的另一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1、L2与L3的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法时，需检测L1与L2、L2与L3及L3与L1串联形成的3个线圈的电磁感应信号；采用三角形接法时，只需检测L1、L2与L3单独3个线圈的磁感应信号。

本发明采用星形接法时，三相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／2或1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。

如图2所示，为本发明的三相星形接法双抽头切换三挡变速电机与控制系统原理框图

它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的绕组线圈J1由长度为xL的L11、L12、L13三个线圈串联而成，绕组线圈J2由长度为yL的L21、L22、L23三个线圈串联而成，绕组线圈J3由长度为zL的L31、L32、L33三个线圈串联而成；线圈L11、L21、L31的首部分别接入控制部分三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部，线圈L13、L23、L33的尾部在电机内部相连在一起；所述控制部分由三相全桥式换相电路单元与双抽头切换控制单元组成，所述三相全桥式换相电路单元与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统中的一致。L11与L12、L21与L22、L31与L32连接处分别引出抽头线经控制部分第一抽头开关C11、C21、C31与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相连，L12与L13、L22与L23、L32与L33连接处分别引出抽头线经控制部分第二抽头开关C12、C22、C32与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相连。其状态参数表如表2所示。

表2：三相星形接法双抽头切换三挡变速电机与控制系统状态参数表

据表2，采用低速档速度为V，此时为最大力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采用中速档速度为此时力矩为采用高速档速度为适合电动汽车高速行驶。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到中速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测自动切换到中速档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。

如图3A及如图3B所示，为本发明的三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统原理框图，

它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不同的是电机定子绕组线圈L1、L2、L3分别由两段绕组线圈L11及L12、L21及L22、L31及L32串联而成；抽头控制开关C1、C2、C3或分别与绕组线圈L11、L21、L31并联相接，或分别与绕组线圈L12、L22、L32并联相接；绕组线圈L11、L21、L31的长度为xL，绕组线圈L12、L22、L32的长度为yL；其状态参数表如表3-1(x≥y／2)及表3-2(x≤y／2)所示。

表3-1：三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表

据表3-1，采用低速档速度为V，此时为最大空载力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采用中低速档速度为此时空载力矩为采用中高速档速度为适合电动汽车较高速行驶；此时空载力矩为采用高速档速度为适合电动汽车较高速行驶；此时空载力矩为在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到中低速档、中高速档及高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到中高速档、中低速档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。

为获得更宽范围的变速，线圈x的长度也可设定为x≤y／2，此时其状态参数表如表3-2所示：

表3-2：三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表

如图4所示，为本发明的三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统原理框图，

它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不同的是电机定子绕组L1、L2、L3分别由电路与参数完全相同的串并联支路J1、串并联支路J2及串并联支路J3替代，所述串并联支路J1的并联上支路依次由并联切换电子开关B11与定子绕组线圈L12串联而成，串并联支路J1的并联下支路依次由与定子绕组线圈L11与并联切换电子开关B12串联而成，串联切换电子开关C1连接在并联上下支路的中间；串并联支路J2及串并联支路J3的电路组成及参数与所述串并联支路J1的完全一致；其状态参数表如表4所示。

表4：三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统状态参数表

据表4，采用星形接法有串联、单联与并联3种模式；采用三角形接法也有串联、单联与并联3种模式，其等效内阻均不同，共计可以形成六档变速。最高速度档第6档的速度是最低速度档第1档的变速范围很宽；最大力矩档第1档的力矩是最小力矩档第6档的力矩增大很多。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档第1档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到第2、第3、第4、第5及第6速度档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到第5、第4、第3、第2及第1速度档加大力矩，实现电子换挡变速。

如图5所示为本发明的六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统原理框图，

它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的6个绕组等长线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由六相全桥式换相电路单元、星形接法与多边形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13、K14、K15、K16构成六相全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23、K24、K25、K26构成六相全桥式换相电路单元的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12、K31与K32、K41与K42、K51与K52、K61与K62串联连接分别组成A相、B相、C相、D相、E相及F相。定子绕组线圈L1、L2、L3、L4、L5及L6的头部分别连接六相全桥式换相电路单元A相、B相、C相、D相、E相及F相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1、Y2、Y3、Y4及Y5分别将定子绕组线圈L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5及L5与L6的尾部相连；多边形接法电子切换开关S1、S2、S3、S4、S5及S6分别将定子绕组线圈L6尾部与L1头部、L1尾部与L2头部、L2尾部与L3头部、L3尾部与L4头部、L4尾部与L5头部及L5尾部与L6头部相连。其状态参数如表5所示。

表5：六相、三相、星形接法、多边形接法切换六挡变速电机及控制系统状态参数表

据表5，采用六相有星形接法与六边形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3断开；关闭B相、D相与F相，六相变成串联3相，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3断开，绕组线圈L1与L2、L3与L4、L5与L6各自串联成一个线圈，通过星形接法开关Y2、Y4与三角形接法开关S1、S3、S3的切换，形成三相串联星形接法与三角形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档；A相与B相、C相与D相、E相与F相同通断，六相变成并联3相，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3接通，绕组线圈L1与L2、L3与L4、L5与L6各自并联成一个线圈，通过星形接法开关Y2、Y4与三角形接法开关S1、S3、S5的切换，形成三相并联星形接法与三角形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档；共计形成6个速度档。

最高速度档第6档的速度是最低速度档第1档的变速范围宽；最大力矩档第1档的力矩是最小力矩档第6档的力矩增大很多。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档第1档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到第2、第3、第4、第5及第6速度档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到第5、第4、第3、第2及第1速度档加大力矩，实现电子换挡变速。

所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用12个霍尔位置传感器。采用星形接法时，电机中的一组6个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5、L5与L6及L6与L1的中间，采用六边形形接法时电机中的另一组6个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1、L2、L3、L4、L5与L6的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法时，需检测L1与L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5、L5与L6及L6与L1串联形成的6个线圈的电磁感应信号；采用六边形接法时，只需检测L1、L2、L3、L4、L5与L6六个线圈的磁感应信号。

所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，三相或六相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／2或1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动；采用六边形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和右有益效果进行了进一步说明，应当理解的是：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之，内。

Claims (10)

1.一种电动汽车与电动车电子多挡变速电机及控制系统，其特征在于，它采用一个或多个并联的场效应管或IGBT管控制三相、六相、星形、三角形、六边形、串联、并联、单联、单抽头及双抽头接法的不同组合进行切换，通过改变电机绕组的等效阻抗实现换挡变速，它可形成三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，三相星形接法双抽头切换三挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统；它用于采用多相绕组及多相控制的直流永磁无刷电机、直流永磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂电机；通过速度控制软件，在每一档速度末尾切换处及起始切换处，缓慢进行档内速度控制，实现无顿挫感切换。

2.根据权利要求1，所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征在于，它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的3个绕组等长线圈L1、L2、L3均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由三相全桥式换相电路单元与星形接法及三角形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13构成三相全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23构成三相全桥式换相电路单元的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12及K31与K32串联连接组成分别组成A相、B相与C相。定子绕组线圈L1、L2及L3的头部分别连接三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1及Y2分别将定子绕组线圈L1与L2及L2与L3的尾部相连；三角形接法电子切换开关S1、S2及S3分别将定子绕组线圈L3尾部与L1头部、L1尾部与L2头部及L2尾部与L3头部相连。

不同接法的控制状态及参数如表1所示。

表1：三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统状态参数表

据表1，在电动汽车启动及加速时，采用星形接法，先工作在低速档，启动力矩是高速档的倍，通过速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到三角形接法，工作在高速档，速度是低速档的倍；在电动汽车爬坡时，通过速度检测自动切换到低速档，获得是高速档倍的力矩，在不增加功耗的前提下实现力矩大幅度增加。

3.根据权利要求1与权利要求2，所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征还在于，用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用六个霍尔位置传感器；采用星形接法时，电机中的一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2与L3及L3与L1的中间，采用三角形接法时电机中的另一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1、L2与L3的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法时，需检测L1与L2、L2与L3及L3与L1串联形成的3个线圈的电磁感应信号；采用三角形接法时，只需检测L1、L2与L3单独3个线圈的磁感应信号。

4.根据权利要求1与权利要求2，所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征还在于，采用星形接法时，三相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／2或1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。

5.根据权利要求1，所述三相星形接法双抽头切换三挡变速电机与控制系统，其特征在于，它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的绕组线圈J1由长度为xL的L11、L12、L13三个线圈串联而成，绕组线圈J2由长度为yL的L21、L22、L23三个线圈串联而成，绕组线圈J3由长度为zL的L31、L32、L33三个线圈串联而成；线圈L11、L21、L31的首部分别接入控制部分三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部，线圈L13、L23、L33的尾部在电机内部相连在一起；所述控制部分由三相全桥式换相电路单元与双抽头切换控制单元组成，所述三相全桥式换相电路单元与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统中的一致。L11与L12、L21与L22、L31与L32连接处分别引出抽头线经控制部分第一抽头开关C11、C21、C31与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相连，L12与L13、L22与L23、L32与L33连接处分别引出抽头线经控制部分第二抽头开关C12、C22、C32与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相连。其状态参数表如表2所示。

表2：三相星形接法双抽头切换三挡变速电机与控制系统状态参数表

据表2，采用低速档速度为V，此时为最大力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采用中速档速度为此时力矩为采用高速档速度为适合电动汽车高速行驶。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到中速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测自动切换到中速档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。

6.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3与权利4，所述三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，其特征在于，它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不同的是电机定子绕组线圈L1、L2、L3分别由两段绕组线圈L11及L12、L21及L22、L31及L32串联而成；抽头控制开关C1、C2、C3或分别与绕组线圈L11、L21、L31并联相接，或分别与绕组线圈L12、L22、L32并联相接；绕组线圈L11、L21、L31的长度为xL，绕组线圈L12、L22、L32的长度为yL。其状态参数表如表3-1(x≥y／2)及表3-2(x≤y／2)所示。

表3-1：三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表

据表3-1，采用低速档速度为V，此时为最大空载力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采用中低速档速度为此时空载力矩为采用中高速档速度为适合电动汽车较高速行驶；此时空载力矩为采用高速档速度为适合电动汽车较高速行驶；此时空载力矩为在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到中低速档、中高速档及高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到中高速档、中低速档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。

为获得更宽范围变速，线圈x的长度也可设为x≤y／2，此时其状态参数表如表3-2所示：

表3-2：三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表

7.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3与权利要求4，所述三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，其特征在于，它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不同的是电机定子绕组L1、L2、L3分别由电路与参数完全相同的串并联支路J1、串并联支路J2及串并联支路J3替代，所述串并联支路J1的并联上支路依次由并联切换电子开关B11与定子绕组线圈L12串联而成，串并联支路J1的并联下支路依次由与定子绕组线圈L11与并联切换电子开关B12串联而成，串联切换电子开关C1连接在并联上下支路的中间；串并联支路J2及串并联支路J3的电路组成及参数与所述串并联支路J1的完全一致；其状态参数表如表4所示。

表4：三相星形接法、三角形接法、串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统状态参数表

据表4，采用星形接法有串联、单联与并联3种模式；采用三角形接法也有串联、单联与并联3种模式，其等效内阻均不同，共计可以形成六档变速。最高速度档第6档的速度是最低速度档第1档的倍，变速范围很宽；最大力矩档第1档的力矩是最小力矩档第6档的倍，力矩增大很多。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档第1档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到第2、第3、第4、第5及第6速度档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到第5、第4、第3、第2及第1速度档加大力矩，实现电子换挡变速。

8.根据权利要求1，所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，其特征在于，它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的6个绕组等长线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由六相全桥式换相电路单元、星形接法与多边形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13、K14、K15、K16构成六相全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23、K24、K25、K26构成六相全桥式换相电路单元的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12、K31与K32、K41与K42、K51与K52、K61与K62串联连接分别组成A相、B相、C相、D相、E相及F相。定子绕组线圈L1、L2、L3、L4、L5及L6的头部分别连接六相全桥式换相电路单元A相、B相、C相、D相、E相及F相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1、Y2、Y3、Y4及Y5分别将定子绕组线圈L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5及L5与L6的尾部相连；多边形接法电子切换开关S1、S2、S3、S4、S5及S6分别将定子绕组线圈L6尾部与L1头部、L1尾部与L2头部、L2尾部与L3头部、L3尾部与L4头部、L4尾部与L5头部及L5尾部与L6头部相连。其状态参数如表5所示。

表5：六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统状态参数表

据表5，采用六相有星形接法与六边形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3断开；关闭B相、D相与F相，六相变成串联3相，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3断开，绕组线圈L1与L2、L3与L4、L5与L6各自串联成一个线圈，通过星形接法开关Y2、Y4与三角形接法开关S1、S3、S3的切换，形成三相串联星形接法与三角形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档；A相与B相、C相与D相、E相与F相同通断，六相变成并联3相，此时三相／六相切换开关P1、P2及P3接通，绕组线圈L1与L2、L3与L4、L5与L6各自并联成一个线圈，通过星形接法开关Y2、Y4与三角形接法开关S1、S3、S5的切换，形成三相并联星形接法与三角形接法两种模式，其等效电阻不同，形成两个速度档；共计形成6个速度档。

最高速度档第6档的速度是最低速度档第1档的倍，变速范围宽；最大力矩档第1档的力矩是最小力矩档第6档的倍，力矩增大很多。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档第1档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动依次切换到第2、第3、第4、第5及第6速度档；在爬坡及减速时，通过速度检测依次由高速档自动切换到第5、第4、第3、第2及第1速度档加大力矩，实现电子换挡变速。

9.根据权利要求1与权利要求8，所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，其特征还在于，用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用12个霍尔位置传感器。采用星形接法时，电机中的一组6个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5、L5与L6及L6与L1的中间，采用六边形形接法时电机中的另一组6个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1、L2、L3、L4、L5与L6的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法时，需检测L1与L1与L2、L2与L3、L3与L4、L4与L5、L5与L6及L6与L1串联形成的6个线圈的电磁感应信号；采用六边形接法时，只需检测L1、L2、L3、L4、L5与L6六个线圈的磁感应信号。

10.根据权利要求1与权利要求8，所述六相、三相、星形接法与多边形接法切换六挡变速电机及控制系统，其特征还在于，采用星形接法时，三相或六相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／2或1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动；采用六边形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相的齿槽数Q=Z／6P，当Q=1／4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。