CN106992620A - 电动车用多绕组多速永磁电机 - Google Patents

电动车用多绕组多速永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动车用多绕组多速永磁电机，属于永磁同步电机和无刷直流电机，包括有三相绕组单元中的多个分绕组，所述的每相绕组单元的多个分绕组串联连接后的接点上分别抽出引线做相线，所述的每一组相线对应一个额定转速，n个分绕组对应n组相线，连接n个切换开关，电机运行时有n个模式切换。电机运行时通过运行模式切换，电机无论是高速运行还是低速运行，都运行在高效率区间，这样，为同时解决电动车低速行驶时效率低，电动车重载、爬坡时要靠增大电流、压缩电机转速来获得大扭力，从而导致电机发热、温升高的问题，提供一种独有的方案，以达到更节能，增大电动车的续航里程，延长电机的使用寿命的目的。

Description

电动车用多绕组多速永磁电机
技术领域
本发明属于永磁同步电机和无刷直流电机，具体涉及一种电动车用多绕组、多额定转速的永磁同步电机和无刷直流电机。
背景技术
现行的电动车上使用的电动驱动装置绝大多数是直驱式，动力由驱动电机输出，经过差速器(也叫变速箱)减速后直接驱动电动车前轮毂或后轮毂行驶，行驶速度的快慢是靠调节驱动电机的转速来实现的，而电机的调速，则是靠与电机相连的电控装置(即控制器)通过控制输入电机的电源电压或频率来实现的。任何一台电动车，在同等电池容量的前提下，延长续航里程的唯一办法就是要节能，提高驱动电机运行的平均效率。电机效率是电机最重要的参数，一般所指的电机效率是电机在运行时的最高效率点的效率，正常情况下，电机的最高效率点就是电机的额定转速点，对于调速电机，它的转速范围可以从0到额定转速，再从额定转速到最高转速，电机不论是低于额定转速还是高于额定转速下运行，电机的效率都不会是最高的，电机运行的转速与额定转速相差的数值越大，运行效率越低。电动车在行驶过程中，行驶速度有块有慢，由于是直驱式，行驶速度取决于电机转速，电机的运行转速也会有块有慢，电机不可能都在额定转速点运行，所以，电动车驱动电机的平均运行效率总是会低于电机的额定效率，而且比额定效率低很多，要延长电动车的续航里程，提高电机的平均运行效率，就需要增大电机的高效率运行区间，减少低效率运行区间。如何提高电动车驱动电机的平均运行效率，是从事电机研究工作者的一大课题。
下面，从另一层面来考察直驱式电动车驱动电机的运行工况：众所周知，电动车行驶过程中，驱动电机的输出扭力是随行驶工况的变化而不断变化的，当轻载或平整路面或下坡时，电动车所需扭力小，当重载或上坡时，电动车所需扭力大，在电机输出功率不变的前提下，电机的输出扭力与转速成反比，电机转速越高，扭力越小，转速越低，扭力越大，对于直驱式电动车，当电动车需要大扭力时，电机输出大扭力的途径一是加大电流，增大输入功率，二是压缩电机的输出转速。加大电流和压缩电机转速都会是使电机处于过载状态，处于过载状态的电机一般运行在低效率区间，效率低，易发热，温升高，最后的结果是既浪费能源，又缩短了电机的使用寿命。为了获得在爬坡、加速、重载时的大扭力，一般的电动车制造商都是选择加大电机和控制器功率的方法，比如，在平路上载正常负荷只需15kw的电机和控制器就可满足要求的电动车，在考虑要同时满足爬坡、重载时就可能选择30kw的电机和控制器，这样以来，电动车在正常负荷行驶平路的情况下，就会形成一种大马拉小车的状况，浪费资源。对于直驱式电动车，如何让驱动电机在高效率运行的情况下获得大扭力输出，也是电机研究工作者的一大课题。
发明内容
本发明的目的在于针对永磁同步电机和无刷直流电机驱动电动车行驶时，怎样才能提高它的平均运行效率，在电动车重载、爬坡时，如何使电机运行在高效率区间获得大扭力，避免电机发热，保证电机在正常的温升下运行，提供一种独有的方案，以达到更节能，增大电动车的续航里程，延长电机的使用寿命的目的。
本发明采用的具体技术方案是：
电动车多绕组多速永磁电机，结构中包括定子及与定子对应的转子，所述的定子上设置有定子槽，定子槽内设置有三相绕组，所述的三相绕组中，每相绕组内设置有多个分绕组，
所述的每相绕组中，第一分绕组的尾线星接；
第一分绕组的头线与第二分绕组的尾线连接为第一组相线(U1、V1、W1)；
第二分绕组的头线与第三分绕组的尾线连接为第二组相线(U2、V2、W2)；
第(n-1)分绕组的头线与第n分绕组的尾线连接为第(n-1)组相线(U(n-1)、V(n-1)、W(n-1))；
第n分绕组的头线直为第n组相线(Un、Vn、Wn)。
所述的三相绕组的任一相中的分绕组中漆包线串联匝数为m，所述的分绕组的m匝漆包线平均分配在该相的每一个定子槽内，每个定子槽内的漆包线匝数为1/m匝，且1/m为整数。
所述的每组相线分别连接一个三相切换开关，任一相切换开关闭合前，先断开其他(n-1)个三相切换开关，再接通该三相切换开关。
本发明的有益效果是：
(1)解决了电动车驱动电机行驶过程中平均运行效率低下的问题，节能，可大幅度延长电动车的续航里程。
(2)解决了电动车在重载、爬坡需要大扭力的问题，避免了普通电机在重载、爬坡时电机发热、温升高，使用寿命短的缺陷。
附图说明
图1是实施例中多速电机的原理图
图2是实施例中多速电机的运行模式切换连接图
图3是双绕组双速电机的转速与效率、转矩曲线图
图4是普通(单速)电机的转速与效率、转矩曲线图
附图中：1、第一绕组，2、第二绕组
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：
具体实施例如图1至图4所示，根据电机效率与转速的关系特征，电机的最高效率点就是电机的额定转速点，既然最高效率点就是额定转速点，那么电机运行的高效率区间当然就是额定转速点前后的区间，我们可以在电机的调速范围内，设计n个(n＝2，3，4，.......)额定转速，每个额定转速对应一个高效率区间，这样，电机不论运行在高速区还是低速区，电机效率都会处于高效率区间。用这种电机来驱动电动车，它可以同时解决电动车低速行驶时效率低的问题，电动车重载、爬坡时要靠增大电流、压缩电机转速来获得大扭力，从而导致电机发热、温升高的问题。如图1所示，借助同一绕组单元下设置n个分绕组，实现电机n个额定转速。本具体实施列暂时用两个额定转速(即n＝2)进行说明，如图2所示，在电机的定子中，设计两个三相绕组，即图2中在同一绕组单元下的第一分绕组1和第二分绕组2，将第一分绕组1设计为高速绕组，第二分绕组2与第一分绕组1串联后做为低速绕组，第一分绕组1和第二分绕组2的匝数、漆包线并绕根数可以相同，也可以不相同；第一分绕组1的尾线星接，头线与第二分绕组2的尾线连接后抽出，做为电机的高速相线，第二分绕组2的头线直接抽出做为电机的低速相线；第一分绕组1并绕的根数由电机在高速运行时所需要的功率和电流密度的取值决定，匝数由高速额定点的转速决定，第二分绕组2的并绕根数由电机在低速运行时所需要的功率和电流密度的取值决定，匝数由低速额定点的转速决定；作为多速三相电机，电机的相线出头有两组，共六个，即，U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中，U1、V1、W1一组为高速相线，U2、V2、W2一组为低速相线。
同样如此，如图1所示，如果是n个额定转速，则设计n个分绕组，第一分绕组1尾线星接，头线与第二分绕组2的尾线连接后抽出，做为电机的高速相线，第二分绕组2头线再与第三分绕组的尾线连接后抽出，做为电机的中高速相线，以此类推，第(n-1)分绕组的头线与第n分绕组尾线连接抽出，做为电机的中低速相线，第n分绕组头线直接抽出，做为电机的低速相线。电机的相线出头有n组，共3n个，即，Un1、Vn1、Wn1、U2n、Vn2、Wn2，(n＝2，3，4..........)。
需要进一步说明的是：图2所示的技术方案中，第一分绕组1和第二分绕组2不能理解为一个绕组单元在中间的某个位置抽出一个头，将抽头的前一段作为第一分绕组1，抽头的后一段作为第二分绕组2，如果按这种方式实施，就会出现第一分绕组1和第二分绕组2分布在不同的定子槽内，这样以来，当电机运行在高速模式(第一分绕组1工作，第二分绕组2开路，不工作)时，电磁负荷全都集中在第一分绕组1所占据的槽内，第二分绕组2所占据的槽内没有电磁负荷，电机内负荷不均匀，局部发热，高速运行时的效率急剧下降。本方案中的第一分绕组1和第二分绕组2必须同时以同样多的匝数均匀分布在每个定子槽内，分布方式为缠绕分布，电机不论在何种模式下工作，确保所有定子槽内的电磁负荷都是均匀的。
按上述方案制作的多绕组电机，每个绕组对应的转子位置信息即旋变或霍尔的安装角度与单绕组电机完全一致。
图2仅仅是两个额定转速电机的两个分绕组的方案，要实现图1电机在电动车上的顺利运行，还必须有高、低速运行模式的切换方案，本发明中切换方案如图2所示：它由一个核心部件——三相切换开关组成，切换开关的三触点端的三根相线U、V、W分别连接控制器的三根相线U、V、W，六触点端的六根相线U1、U2、V1、V2、W1、W2分别连接两速电机的六根相线U1、U2、V1、V2、W1、W2。切换开关由触点和控制线路板组成，六触点可以采用电子式的功率管，也可以采用镀银紫铜板和继电器。图2所示的切换开关运行时，K1和K2杜绝同时接通，任何时候都只能断开一个，接通一个，而且是先断开，做短暂的延时，再接通，以防止断开时电机绕组的反电动势击穿切换开关和控制器的功率管。电机需要高速运行模式时，切换开关的K2断开，K1接通，电机需要低速运行模式时，切换开关的K1断开，K2接通。
如果是n个额定转速n个分绕组电机，电动车行驶时有n个切换模式，n个三相切换开关K1、K2、........Kn，有3n个触点，电机运行时根据行驶速度需要切换，每次切换时先断开所有切换开关，再接通所需转速的对应的切换开关。
下面，将按上述方案制作的两速无刷直流电机与普通无刷直流电机进行对比：
图3是双速无刷直流电机转速与效率、转矩曲线图，特征点的设计参数和实际测试的参数见下表。
设计参数
实际测试参数
图4是普通无刷直流电机转速与效率、转矩曲线图，特征点的设计参数和实际测试的参数见下表。
设计参数
额定功率kw 额定转速r/min 额定效率％ 峰值转矩N.m 堵转转矩N.m
5.0 4000 91.0 23.8 65
实际测试参数
额定功率kw 额定转速r/min 额定效率％ 峰值转矩N.m 堵转转矩N.m
5.0 4080 91.3 23.6 64
通过图3和图4的对比分析，可以看出，两速电机有两个最高效率点，一个高速额定点，效率90.1％，一个低速额定点，效率91.8％，普通电机只有一个效率最高点，额定点效率91.3％。双速电机的高效率区间远大于普通电机的高效率区间，在0——空载转速范围内，两速电机的平均运行效率是76％，普通电机的平均运行效率是63.9％，双速电机比普通电机大12.1％。两速电机的额定转矩和堵转转矩比普通电机大一倍。因此，采用两分绕组两速电机的技术方案完全可以解决电动车在行驶过程中提高平均运行效率，获得更大扭力输出，避免电机发热，达到更节能，延长续航里程的目的。
本发明的无刷直流两速电机和永磁同步两速电机已经被城市多用途纯电动环卫车、电动乘用车、电动货车作为驱动电机使用，效果非常好，产品已批量投放市场。
本发明的具体实施列方案制作的多速电机比双速电机效果更佳。

Claims (3)

1.电动车多绕组多速永磁电机，结构中包括定子及与定子对应的转子，所述的定子上设置有定子槽，定子槽内设置有三相绕组，其特征在于：所述的三相绕组的每相绕组内设置有多个分绕组，
所述的每相绕组中，第一分绕组的尾线星接；
第一分绕组的头线与第二分绕组的尾线连接为第一组相线(U1、V1、W1)；
第二分绕组的头线与第三分绕组的尾线连接为第二组相线(U2、V2、W2)；
第(n-1)分绕组的头线与第n分绕组的尾线连接为第(n-1)组相线(U(n-1)、V(n-1)、W(n-1))；
第n分绕组的头线直为第n组相线(Un、Vn、Wn)。
2.根据权利要求1所述的电动车多绕组多速永磁电机，其特征在于：所述的三相绕组的任一相中的分绕组中漆包线串联匝数为m，所述的分绕组的m匝漆包线平均分配在该相的每一个定子槽内，每个定子槽内的漆包线匝数为1/m匝，且1/m为整数。
3.根据权利要求1所述的电动车多绕组多速永磁电机，其特征在于：所述的每组相线分别连接一个三相切换开关，任一相切换开关闭合前，先断开其他(n-1)个三相切换开关，再接通该三相切换开关。
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