CN106787283A - 延长电动车续航里程的开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其用于电动车的动力驱动；所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机包括有定子与转子，定子包括有采用环形结构的定子轭，以及设置在定子轭之上的多个定子齿极，转子之中包含有多个转子齿极；所述定子之中，任意两个彼此相对的定子齿极分别构成一个定子极对，每一对定子极对分别连接有励磁绕组；所述定子之中设置有反充电绕组，其安装在定子轭之上；采用上述技术方案的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其可通过设置在开关磁阻电机定子之上的反充电绕组以使得开关磁阻电机在电动车行驶的过程中能够给电动车即时的补充电能，从而使得电动车电池能较长的时间保持容量，以延长其续航里程。

Description

延长电动车续航里程的开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其是一种延长电动车续航里程的开关磁阻电机。

背景技术

随着我国经济的不断发展，对环境的污染已越来越明显，因此，节能减排不仅是客观经济发展的需要，更是人类生态文明发展的需要。汽车产业是国民经济的重要支柱产业，但其尾气的排放却成为城市污染的主要来源，由此带来的能源紧张和环境污染问题将更加突出，因此 减少汽车尾气对城市污染，研制新能源汽车已引起世界各国极大的重视。

电动汽车是一个能源消耗低，环境污染小，能够满足大众需求，拉动内需的新型产业。目前，世界主要汽车生产国纷纷加快部署，将发展新能源汽车作为国家战略，加快推进技术研发和产业化，同时大力发展和推广应用汽车节能技术。众所周知，电动车推广应用的关键在于电动车的电池，电池的优劣在很大程度上决定了电动车的续航里程。而电动汽车受限于电池技术以及实际使用环境，其电池容量始终未能达到理想状态，因此，在电池容量有限的前提下尽可能提高电动车的续航里程成为电动车发展过程中的技术关键所在。

开关磁阻电动机是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的新一代无级调速系统，其具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，尤其对于电动汽车等相关领域，开关磁阻电动机得以广泛的运用。当前，开关磁阻电机在电动车领域里的应用主要是作为电动车的动力驱动；然而，作为动力驱动的开关磁阻电机在运用过程中对于电池续航里程的改进上并无帮助。另一方面，现有的开关磁阻电机在进行功率变换过程中，其难以在制造成本、工作噪音以及电流上升速度之间得以平衡，进而间接影响了电动车的使用体验以及续航里程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于电动车运行过程中动力驱动的开关磁阻电机，其可在进行动力驱动的同时通过对于电动车电池的反充电处理以使得电动车电池的续航里程得以改善。

为解决上述技术问题，本发明涉及一种延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其用于电动车的动力驱动；所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机包括有定子与转子，定子包括有采用环形结构的定子轭，以及设置在定子轭之上的多个定子齿极，转子之中包含有多个转子齿极；所述定子之中，任意两个彼此相对的定子齿极分别构成一个定子极对，每一对定子极对分别连接有励磁绕组；所述定子之中设置有反充电绕组，其安装在定子轭之上。

作为本发明的一种改进，每一对定子极对中的两个定子齿极之上的励磁绕组分别采用并联连接方式；所述定子轭之中，多个反充电绕组采用串联连接方式彼此连接。

作为本发明的一种改进，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机之中包括有位置传感器，位置传感器包括有2个霍尔传感器模块，其分别连接至电机控制装置的控制电路之中，用于分别提供顺时旋转导通逻辑顺序以及逆时旋转导通逻辑顺序。

作为本发明的一种改进，所述位置传感器之中设置有磁性圆盘，其与转子同轴安装，所述磁性圆盘之中沿其圆周径向设置有4对N-S磁极，其间隔的机械角度为90°；所述位置传感器之中，每一个霍尔传感器模块之中均包括有3个霍尔传感器元件，相邻两个霍尔传感器元件相对于磁性圆盘轴心所间隔的机械角度为15°。

采用上述技术方案，其可通过两个霍尔磁传感器模块分别提供不同的导通逻辑顺序，从而有效地解决了开关磁阻电机在正反转转换过程中的提前角问题，以在提高电机最高转速的同时，有效降低本申请中开关磁阻电机的启动电流，进而间接提高电动车电池的续航里程。

作为本发明的一种改进，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机之中设置有电机控制装置，其包括有控制电路、驱动电路、功率变换器电路以及反充电电路；所述反充电电路包括有存储电容、负载电阻以及四个整流二极管构成，四个整流二级管构成单相桥式整流电路，反充电电路分别连接至用于驱动电动车工作的电动车电池以及反充电绕组之上。

作为本发明的一种改进，所述反充电电路与电动车电池之间设置有充电二极管，所述反充电电路设置于充电二极管的正向侧，电动车电池设置在充电二极管的负向侧。

采用上述技术方案，其可通过反充电电路中单相桥式整流电路的设置以将反充电绕组输入的交流电流电变为直流电流，并存储在存储电容之上；当电动车电池需进行充电时，即充电二极管的正向电压（存储电容存储电压）大于其负向电压（电动车电池电压）时，存储电容内部存储的电能通过充电二极管的单向导通性向电动车电池内进行传输与充电处理；当充电二极管的正向电压（存储电容电压）小于其负向电压（电动车电池电压）时，根据充电二极管的单向导通性，存储电容停止向电动车电池充电。

由于电动车在行驶过程中开关磁阻电机在不停运转，故通过反充电绕组的磁通同样在不断的变化，因此，反充电绕组始终存在着感应电压，从而不断的向存储电容进行充电；开关磁阻电机的转速越快，其感应电压越高，故向存储电容输送的电能就越多。当存储电容上的存储电压再次高于电池电压时，存储电容又可向电动车电池充电。上述过程在电动车行驶过程中不断循环进行，直至电动车停车，开关磁阻电机内部没有变化的磁通，故充电亦停止。

上述反充电电路可实现对于反充电绕组形成电能的储存、检测以及充电处理，进而使得本申请中的开关磁阻电机相对于电动车电池的反充电处理的工作稳定性与可靠性得以显著改善。

作为本发明的一种改进，所述控制电路由单片机构成，所述驱动电路由集成驱动芯片构；所述功率变换器电路包括有7个大功率管BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7，其中，BG1与BG4、BG3与BG6、BG5与BG2分别连接至开关磁阻电机的励磁绕组之上，所述BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7分别对应并联有续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；所述BG7用于开关磁阻电机的PWM调压的斩波功率管，其串联有二极管D8；二极管D8的负极与励磁绕组的公共中心线0线相连。

作为本发明的一种改进，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机的控制电路中，功率变换器电路的功率变换方法包括有：

1）在电动车启动与低速运行状态下，功率变换器电路采用三相全桥控制方式，BG1与BG4、BG3与BG6、BG5与BG2以及D1与D4、D3与D6、D5与D2分别对于开关磁阻电机的三相励磁绕组进行控制；

2）在电动车高速运行状态下，功率变换器电路采用不对称半桥控制方式，BG4、BG6、BG2、BG7以及D4、D6、D2、D7、D8分别对于开关磁阻电机的三相励磁绕组进行控制，其中，BG7工作在开关磁阻电机PWM调压状态；其中，D8作为续流二极管。

采用上述技术方案，其可针对电动车高速运行状态下，采用不对称半桥控制方式替代三相全桥控制方式的控制方式进行控制，进而有效避免了电动车在高速运转状态下，采用传统全桥控制方式中由于开关磁阻电机二相同时导通的绕组匝数多、线圈电感大，进而阻碍电流快速上升的现象；上述不对称半桥控制方式在电动车高速运行状态下二个导通的绕组线圈是互相独立的，其较于三相全桥控制的二相导通中互相串联的线圈绕组，不对称半桥控制方式导通时的电感量是三相全桥控制的1/2，进而更有利于电流快速上升、以及磁通的快速变化和反充电电流的增加，致使电动车的续航里程得以改善。

开关磁阻电机的工作原理是“磁路最小化原理”，即：磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。当转子齿极中心与定子齿极的轴中心线不重合时，此时的磁阻最大，通过的磁通量最少；给任意定子极对上的一相绕组通电后，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用，可实现转子齿极中心转向与定子齿极中心线的位置使其重合。此时的磁阻最小，通过的磁通量最大，由于定转子的磁极中心线重合，切向磁拉力消失，转子不再转动。当再给相邻的定子极对通电时，上述磁通变化过程得以重复，即转子齿极朝向通电侧的定子极对进行转动。而开关磁阻电机在运行过程中，其磁通的变化总是从最小→最大→最小，这样周而复始地循环变化，进而使得转子相对于定子的旋转。

采用上述技术方案的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其可通过设置在开关磁阻电机定子轭之上的反充电绕组以使得开关磁阻电机在电动车行驶的过程中能够给电动车即时的补充电能，从而使得电动车电池能较长的时间保持容量，以延长其续航里程。开关磁阻电机在整个运行过程中，其磁通不断地变化；依据“法拉第电磁感应定律”，即：“当穿过线圈的磁通发生变化时，在线圈中会产生感应电压，磁通变化越快，感应电压就越高”的原理。由于反充电绕组是安装在开关磁阻电机的磁路上，当开关磁阻电机在运转时，根据开关磁阻电机的工作特点，在其磁路上的磁通随其运行而发生不断的变化，故在开关磁阻电机运行中始终存在变化的磁通穿过反充电绕组，进而在反充电绕组中产生感应电压，当接上负载（电动车电池）时，就产生了反充电的电流。上述延长电动车续航里程的开关磁阻电机可在原有的开关磁阻电机的基础上实现其在运转过程中的反充电处理，进而以低成本的方式显著改善了电动车的续航里程；同时上述反充电绕组的反充电工作随开关磁阻电机的运行而运行，进而使其相对于电动车电池的充电效率以及效果较于一般充电方式得以改进。

附图说明

图1为本发明中开关磁阻电机结构示意图；

图2为本发明中开关磁阻电机以及控制装置连接示意图；

图3为本发明中位置传感器示意图；

图4为本发明中不对称半桥控制示意图；

附图标记列表：

1—定子、101—定子轭、102—定子齿极、2—转子、201—转子齿极、3—励磁绕组、4—反充电绕组、5—控制电路、6—驱动电路、7—功率变换器电路、8—反充电电路、9—磁性圆盘、10—霍尔传感器元件、11—位置传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

如图1所示的一种延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其用于电动车的动力驱动；所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机包括有定子1与转子2，定子1包括有采用环形结构的定子轭101，以及设置在定子轭101之上的多个定子齿极102，转子2之中包含有多个转子齿极201；所述定子1之中，任意两个彼此相对的定子齿极102分别构成一个定子极对，每一对定子极对分别连接有励磁绕组3；所述定子1之中设置有反充电绕组4，其安装在定子轭102之上。所述开关磁阻电机采用12/8极、三相四线制开关磁阻电机，即其包括有12个定子齿极102，8个转子齿极201，其中，每四个定子齿极102构成一相，其分别对应连接有开关磁阻电机A、B、C三相，另设有开关磁阻电机公共中心线0线。

作为本发明的一种改进，每一对定子极对中的两个定子齿极102之上的励磁绕组3分别采用并联连接方式；所述定子轭101之中，多个反充电绕组4采用串联连接方式彼此连接。

作为本发明的一种改进，如图2所示，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机之中设置有电机控制装置，其包括有控制电路5、驱动电路6、功率变换器电路7以及反充电电路8；所述反充电电路8包括有存储电容CL、负载电阻R以及四个整流二极管FD1、FD2、FD3、FD4构成，四个整流二级管FD1、FD2、FD3、FD4构成单相桥式整流电路，反充电电路8分别连接至用于驱动电动车工作的电动车电池以及反充电绕组4之上。

作为本发明的一种改进，所述反充电电路8与电动车电池之间设置有充电二极管FD5，所述反充电电路8设置于充电二极管FD5的正向侧，电动车电池设置在充电二极管FD5的负向侧。

采用上述技术方案，其可通过反充电电路中单相桥式整流电路的设置以将反充电绕组输入的交流电流电变为直流电流，并存储在存储电容之上；当电动车电池需进行充电时，即充电二极管的正向电压（存储电容存储电压）大于其负向电压（电动车电池电压）时，存储电容内部存储的电能通过充电二极管的单向导通性向电动车电池内进行传输与充电处理；当充电二极管的正向电压（存储电容电压）小于其负向电压（电动车电池电压）时，根据充电二极管的单向导通性，存储电容停止向电动车电池充电。

由于电动车在行驶过程中开关磁阻电机在不停运转，故通过反充电绕组的磁通同样在不断的变化，因此，反充电绕组始终存在着感应电压，从而不断的向存储电容进行充电；开关磁阻电机的转速越快，其感应电压越高，故向存储电容输送的电能就越多。当存储电容上的存储电压再次高于电池电压时，存储电容又可向电动车电池充电。上述过程在电动车行驶过程中不断循环进行，直至电动车停车，开关磁阻电机内部没有变化的磁通，故充电亦停止。

上述反充电电路可实现对于反充电绕组形成电能的储存、检测以及充电处理，进而使得本申请中的开关磁阻电机相对于电动车电池的反充电处理的工作稳定性与可靠性得以显著改善。

采用上述技术方案的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其可通过设置在开关磁阻电机定子轭之上的反充电绕组以使得开关磁阻电机在电动车行驶的过程中能够给电动车即时的补充电能，从而使得电动车电池能较长的时间保持容量，以延长其续航里程。开关磁阻电机在整个运行过程中，其磁通不断地变化；依据“法拉第电磁感应定律”，即：“当穿过线圈的磁通发生变化时，在线圈中会产生感应电压，磁通变化越快，感应电压就越高”的原理。由于反充电绕组是安装在开关磁阻电机的磁路上，当开关磁阻电机在运转时，根据开关磁阻电机的工作特点，在其磁路上的磁通随其运行而发生不断的变化，故在开关磁阻电机运行中始终存在变化的磁通穿过反充电绕组，进而在反充电绕组中产生感应电压，当接上负载（电动车电池）时，就产生了反充电的电流。上述延长电动车续航里程的开关磁阻电机可在原有的开关磁阻电机的基础上实现其在运转过程中的反充电处理，进而以低成本的方式显著改善了电动车的续航里程；同时上述反充电绕组的反充电工作随开关磁阻电机的运行而运行，进而使其相对于电动车电池的充电效率以及效果较于一般充电方式得以改进。

经实际路测可获知，采用本申请中开关磁阻电机作为动力驱动的电动车，其可实际行驶过程中可使得行驶里程延长40至60%，从而使得电动车的行驶持续性得以显著改善。

实施例2

作为本发明的一种改进，如图3所示，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机之中包括有位置传感器11，位置传感器11包括有2个霍尔传感器模块，其分别连接至电机控制装置的控制电路之中，用于分别提供顺时旋转导通逻辑顺序以及逆时旋转导通逻辑顺序。

作为本发明的一种改进，所述位置传感器之中设置有磁性圆盘9，其与转子2同轴安装，所述磁性圆盘9之中沿其圆周径向设置有4对N-S磁极，其间隔的机械角度为90°；所述位置传感器之中，每一个霍尔传感器模块之中均包括有3个霍尔传感器元件10，相邻两个霍尔传感器元件10相对于磁性圆盘9轴心所间隔的机械角度为15°。

上述位置传感器在一个90°的电周期内产生100、110、111、011、001、000六种逻辑状态；当电机顺时针旋转时，其逻辑顺序为100→110→111→011→001→000；当电机逆时针旋转时，其逻辑顺序为011→111→110→100→000→001。

采用上述技术方案，其可通过两个霍尔磁传感器模块分别提供不同的导通逻辑顺序，从而有效地解决了开关磁阻电机在正反转转换过程中的提前角问题，以在提高电机最高转速的同时，有效降低本申请中开关磁阻电机的启动电流，进而间接提高电动车电池的续航里程。

本实施例其余特征与优点均与实施例1相同。

实施例3

作为本发明的一种改进，如图2所示，所述控制电路5由单片机构成，所述驱动电路6由集成驱动芯片构；所述功率变换器电路7包括有7个大功率管BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7，其中，BG1与BG2、BG3与BG4、BG5与BG6分别连接至开关磁阻电机的励磁绕组之上，所述BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7分别对应并联有续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；所述BG7用于开关磁阻电机的PWM调压的斩波功率管，其串联有二极管D8；二极管D8的负极与励磁绕组的公共中心线0线相连。

实施例4

作为本发明的一种改进，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机的控制电路中，功率变换器电路的功率变换方法包括有：

1）在电动车启动与低速运行状态下，功率变换器电路采用三相全桥控制方式，BG1与BG4、BG3与BG6、BG5与BG2以及D1与D4、D3与D6、D5与D2分别对于开关磁阻电机的三相励磁绕组进行控制；

2）在电动车高速运行状态下，功率变换器电路采用不对称半桥控制方式，BG4、BG6、BG2、BG7以及D4、D6、D2、D7、D8分别对于开关磁阻电机的三相励磁绕组进行控制，其中，BG7工作在开关磁阻电机PWM调压状态；其中，D8作为续流二极管。

如图4所示，设BG1与BG4、BG3与BG6、BG5与BG2分别连接至开关磁阻电机的A相、B相与C相，BG7连接至开关磁阻电机的中心O线，则上述2）中不对称半桥控制的工作原理为：

1、AB二相导通时，BG4、BG6导通。电流从电源正极→BG7→三相绕组的中心0线→A相绕组→BG4→电源负极；同时，电流还由电源正极→BG7→三相绕组的中心0线→B相绕组→BG6→电源负极。

2、BC二相导通时，BG6、BG2导通。电流从电源正极→BG7→三相绕组的中心0线→B相绕组→BG6→电源负极；同时，电流还由电源正极→BG7→三相绕组的中心0线→C相绕组→BG2→电源负极。

3、CA二相导通时，BG2、BG4导通。电流从电源正极→BG7→三相绕组的中心0线→C相绕组→BG2→电源负极；同时，电流还由电源正极→BG7→三相绕组的中心0线→A相绕组→BG4→电源负极。

当开关磁阻电机进行换相处理时，其工作过程包括：A相换B相：关断BG4，开通BG6；B相换C相：关断BG6，开通BG2；C相换A相：关断BG2，开通BG4。

上述换相处理的瞬间续流过程如下：

1、A相换B相时，因BG4关断，电流由a点→D1→电容C0正极→电容C0负极→D8→三相绕组的中心0线→A相绕组→a点；

2、B相换C相时，因BG6关断，电流由b点→D3→电容C0正极→电容C0负极→D8→三相绕组的中心0线→B相绕组→b点；

3、C相换A相时，因BG2关断，电流由c点→D5→电容C0正极→电容C0负极→D8→三相绕组的中心0线→C相绕组→c点。

采用上述技术方案，其可针对电动车高速运行状态下，采用不对称半桥控制方式替代三相全桥控制方式的控制方式进行控制，进而有效避免了电动车在高速运转状态下，采用传统全桥控制方式中由于开关磁阻电机二相同时导通的绕组匝数多、线圈电感大，进而阻碍电流快速上升的现象；上述不对称半桥控制方式在电动车高速运行状态下二个导通的绕组线圈是互相独立的，其较于三相全桥控制的二相导通中互相串联的线圈绕组，不对称半桥控制方式导通时的电感量是三相全桥控制的1/2，进而更有利于电流快速上升、以及磁通的快速变化和反充电电流的增加，致使电动车的续航里程得以改善。

本实施例其余特征与优点均与实施例3相同。

Claims (8)

1.一种延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其用于电动车的动力驱动；其特征在于，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机包括有定子与转子，定子包括有采用环形结构的定子轭，以及设置在定子轭之上的多个定子齿极，转子之中包含有多个转子齿极；所述定子之中，任意两个彼此相对的定子齿极分别构成一个定子极对，每一对定子极对分别连接有励磁绕组；所述定子之中设置有反充电绕组，其安装在定子轭之上。

2.按照权利要求1所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，每一对定子极对中的两个定子齿极之上的励磁绕组分别采用并联连接方式；所述定子轭之中，多个反充电绕组采用串联连接方式彼此连接。

3.按照权利要求1所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机之中包括有位置传感器以及电机控制装置；所述位置传感器包括有2个霍尔传感器模块，其分别连接至电机控制装置之中，用于分别提供顺时旋转导通逻辑顺序以及逆时旋转导通逻辑顺序。

4.按照权利要求3所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，所述位置传感器之中设置有磁性圆盘，其与转子同轴安装，所述磁性圆盘之中沿其圆周径向设置有4对N-S磁极，其间隔的机械角度为90°；所述位置传感器之中，每一个霍尔传感器模块之中均包括有3个霍尔传感器元件，相邻两个霍尔传感器元件相对于磁性圆盘轴心所间隔的机械角度为15°。

5.按照权利要求1所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，所述电机控制装置包括有控制电路、驱动电路、功率变换器电路以及反充电电路；所述反充电电路包括有存储电容、负载电阻以及四个整流二极管构成，四个整流二级管构成单相桥式整流电路，反充电电路分别连接至用于驱动电动车工作的电动车电池以及反充电绕组之上。

6.按照权利要求5所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，所述反充电电路与电动车电池之间设置有充电二极管，所述反充电电路设置于充电二极管的正向侧，电动车电池设置在充电二极管的负向侧。

7.按照权利要求5或6所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，所述控制电路由单片机构成，所述驱动电路由集成驱动芯片构；所述功率变换器电路包括有7个大功率管BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7，其中，BG1与BG4、BG3与BG6、BG5与BG2分别连接至开关磁阻电机的励磁绕组之上，所述BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7分别对应并联有续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；所述BG7用于开关磁阻电机的PWM调压的斩波功率管，其串联有二极管D8；二极管D8的负极与励磁绕组的公共中心线0线相连。

8.按照权利要求7所述的延长电动车续航里程的开关磁阻电机，其特征在于，所述延长电动车续航里程的开关磁阻电机的控制电路中，功率变换器电路的功率变换方法包括有：

1）在电动车启动与低速运行状态下，功率变换器电路采用三相全桥控制方式，BG1与BG4、BG3与BG6、BG5与BG2以及D1与D4、D3与D6、D5与D2分别对于开关磁阻电机的三相励磁绕组进行控制；

2）在电动车高速运行状态下，功率变换器电路采用不对称半桥控制方式，BG4、BG6、BG2、BG7以及D4、D6、D2、D7、D8分别对于开关磁阻电机的三相励磁绕组进行控制，其中，BG7工作在开关磁阻电机PWM调压状态；其中，D8作为续流二极管。