CN110011452A - 一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，一挡起动，每相绕组中的四个绕组单元通过三个电控开关依次串联起来；二挡加速时，每相绕组中的四个绕组单元两两串联成两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，三相绕组中的第一组绕组并联在一起，第二组绕组并联在一起；三挡高速运行时，每相绕组中的每个绕组单元单独构成一条支路，三相绕组中的所有一号绕组单元并联在一起，所有二号绕组单元并联在一起，所有三号绕组单元并联在一起，所有四号绕组单元并联在一起。本发明提供的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，通过串、并联转换的方式调整三挡接线，并构建多个相互独立的Y型并联支路，确保电机的三相平衡，提高电机运行的安全性。

Description

一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构

技术领域

本发明涉及电动汽车的电动机技术领域，特别是涉及一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构。

背景技术

电动汽车对电机的速度及转矩的技术要求为：起步时需要大转矩低速度，正常行驶时候转矩需求低但要有很高的速度，在最低速和最高速之间要求有很宽的范围。通常的电动汽车用永磁同步电机在额定转速之后，采用弱磁控制提高转速，避免反电动势过高，超过车载电池的母线电压，防止电机控制器发生崩溃。通过绕组换切形成一档、二挡、三挡，已有的接线结构中，一挡起动时，每相绕组中的四个相绕组单元全部串联，二挡加速时，每相绕组中的四个相绕组单元两两串联成两组后再将串联好的两组并联并形成一个Y形连接。，三挡高速运行时，每相绕组中的四个相绕组单元全部并联并形成一个Y形连接。这样的连线方式在某相绕组因故障意外断开时，容易使电机三相不平衡而烧毁，因而亟待加以改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，通过串、并联转换的方式调整电机的三挡接线，特别在二挡和三挡时，构建多个相互独立的Y型并联支路，互不影响，确保电机的三相平衡，并能平稳控制三相绕组通断，提高电机运行的安全性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，该结构包括永磁同步电机和控制器，所述永磁同步电机电机三相定子绕组中的每相定子绕组均由四个总匝数相同、绕组导线直径相同、绕组导线总截面积相同的绕组单元组成，分别为一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元，各相绕组单元线圈之间设置有绝缘层，通过多个电控开关对每相绕组中的四个绕组单元实施串联、并联以及串联、并联混合连接的操作方式构成变挡，且每个电控开关旁串联一个电流传感器，多个所述电控开关和电流传感器分别与所述控制器电性连接；

一挡起动时，每相绕组中的四个绕组单元通过三个电控开关依次串联起来；二挡加速时，每相绕组中的四个绕组单元两两串联成两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，三相绕组中的第一组绕组并联在一起，第二组绕组并联在一起，形成两个相互独立的Y型并联支路；三挡高速运行时，每相绕组中的每个绕组单元单独构成一条支路，三相绕组中的所有一号绕组单元并联在一起，所有二号绕组单元并联在一起，所有三号绕组单元并联在一起，所有四号绕组单元并联在一起，形成四个相互独立的Y型并联支路。

可选的，所述电控开关分为相同的三组，每组所述电控开关包括九个电控开关，分别为第一电控开关、第二电控开关、第三电控开关、第四电控开关、第五电控开关、第六电控开关、第七电控开关、第八电控开关和第九电控开关。

可选的，所述一挡起动时，每相绕组中的一号绕组单元和二号绕组单元之间串接第一控制开关，二号绕组单元和三号绕组单元之间串接第二控制开关，三号绕组单元和四号绕组单元之间串接第三控制开关，三相绕组中的第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关均分别与所述电动换挡控制器电性连接。

可选的，所述二挡加速时，每相绕组中的第一组绕组由一号绕组单元和二号绕组单元串联而成，第二组绕组由二号绕组单元和四号绕组单元串联而成，所述一号绕组单元和二号绕组单元之间串接有第一电控开关，所述二号绕组单元和四号绕组单元之间串接有第三电控开关，所述一号绕组单元和二号绕组单元之间连接有第五电控开关，所述二号绕组单元的末端连接有第八电控开关，三相绕组中的三个第八电控开关连接在一起，三相绕组中的第一电控开关、第三电控开关、第五电控开关和第八电控开关均分别与所述电动换挡控制器电性连接。

可选的，所述三挡高速运行时，每相绕组中的一号绕组单元的首端通过第四电控开关、第五绕组开关、第六绕组开关分别与二号绕组单元的首端、三号绕组单元的首端、四号绕组单元的首端连接，每相绕组中的一号绕组单元的末端连接有第七电控开关，三相绕组中的三个第七电控开关连接在一起；每相绕组中的二号绕组单元的末端连接第八电控开关，三相绕组中的三个第八电控开关连接在一起；每相绕组中的三号绕组单元的末端连接第九电控开关，三相绕组中的三个第九电控开关连接在一起，三相绕组中所有四号绕组单元的末端连接在一起；三相绕组中的第四电控开关、第五电控开关、第六电控开关、第七电控开关、第八电控开关和第九电控开关均分别与所述电动换挡控制器电性连接。

可选的，所述电控开关为交流接触器、直流继电器、固态继电器、IGBT或者MOS场效应管。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，利用多个电控开关将电动汽车用永磁同步电机的绕组通过串、并联转换的方式变成三挡电机，可以不用弱磁控制提高转速；通过电动换挡控制器控制电控开关的通断，换切绕组接线方式形成一档、二挡、三挡提高电机转速。与现有的接线结构相比，本申请的接线结构在一档时没有变化，但二挡或三档时，通过多个电控开关位置的调整和线路的调整，形成了二个或四个相互独立的Y形并联支路，避免了多个支路之间的相互影响，即使某一个Y形并联支路由于故障出现断路也不影响其他Y行并联支路的运行，从而确保了电机的三相平衡，并且在实际接线时，与传统接法相比少了三根连接线，接法简单；在每相绕组中某一个电控开关发生故障而没有按照预定指令闭合或断开时，电动换挡控制器可以将与该电控开关对应的其他电控开关同时断开，使得电机的三相绕组仍然处于平衡状态，增加了电动汽车用三档永磁同步电机的冗余度，提高了电动汽车安全性能；与传统的永磁同步三相电机弱磁升速控制方法相比，如果弱磁控制程序发生故障弱磁控制失效，电机被汽车惯性反拖发电制动，使电动汽车立即刹车从而造成翻车风险。本发明可以不用或少用弱磁控制，没有或减少了弱磁控制失效而发生上述风险的可能；此外，即使在高速弱磁区域发生弱磁控制失效的问题，本发明也可以同时断开9个电控开关，防止电机被汽车惯性反拖发电制动使电动汽车立即刹车而造成的翻车风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中电动汽车用电机一挡接线结构；

图2为现有技术中电动汽车用电机二挡接线结构；

图3为现有技术中电动汽车用电机三挡接线结构；

图4为本发明实施例永磁同步电机一挡的三相接线结构；

图5为本发明实施例永磁同步电机二挡的三相接线结构；

图6为本发明实施例永磁同步电机三挡的三相接线结构；

图7为本发明实施例永磁同步电机换挡控制框图；

图8为现有技术中电动汽车用电机扭矩-转速曲线图；

图9为本发明实施例永磁同步电机三挡绕组切换扭矩-转速曲线图；

附图标记说明：A1、A2、A3、A4分别为U相绕组中一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元的首端接点，X1、X2、X3、X4分别为U相绕组中一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元的末端接点；B1、B2、B3、B4分别为V相绕组中一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元的首端接点，Y1、Y2、Y3、Y4分别为V相绕组中一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元的末端接点；C1、C2、C3、C4分别为W相绕组中一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元的首端接点，Z1、Z2、Z3、Z4分别为W相绕组中一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元的末端接点；J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8、J9分别表示第一电控开关、第二电控开关、第三电控开关、第四电控开关、第五电控开关、第六电控开关、第七电控开关、第八电控开关和第九电控开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，通过串、并联转换的方式调整电机的三挡接线，特别在二挡和三挡时，构建多个相互独立的Y型并联支路，互不影响，确保电机的三相平衡，并能平稳控制三相绕组通断，提高电机运行的安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图3所示，现有技术中电动汽车用电机一挡接线结构，每相绕组中的四个相绕组单元全部串联；二挡接线结构中，每相绕组中的四个相绕组单元两两串联成两组后再将串联好的两组并联，形成一个Y形并联支路；三挡接线结构中，每相绕组中的四个相绕组单元全部并联，形成一个Y形并联支路；

如图4-图7所示，本发明提供的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构包括永磁同步电机和控制器，所述永磁同步电机电机三相定子绕组中的每相定子绕组均由四个总匝数相同、绕组导线直径相同、绕组导线总截面积相同的绕组单元组成，分别为一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元，各相绕组单元线圈之间设置有绝缘层，在电机轴与定子线槽之间的定子铁芯空间内安装有用于换挡的电控开关，通过多个电控开关对每相绕组中的四个绕组单元实施串联、并联以及串联、并联混合连接的操作方式构成变挡，且每个电控开关旁串联一个电流传感器，多个所述电控开关和电流传感器分别与所述电动换挡控制器电性连接；所述电控开关分为相同的三组，每组所述电控开关包括九个电控开关，分别为第一电控开关J1、第二电控开关J2、第三电控开关J3、第四电控开关J4、第五电控开关J5、第六电控开关J6、第七电控开关J7、第八电控开关J8和第九电控开关J9，在电机正常工作时，电动换挡控制器分别控制一挡、二挡、三挡相对应的连接支路的电控开关闭合。

图4所示，一挡起动时，每相绕组中的四个绕组单元通过三个电控开关依次串联起来，每相绕组中的一号绕组单元和二号绕组单元之间串接第一控制开关J1，二号绕组单元和三号绕组单元之间串接第二控制开关J2，三号绕组单元和四号绕组单元之间串接第三控制开关J3，三相绕组中的第一电控开关J1、第二电控开关J2和第三电控开关J3均分别与所述电动换挡控制器电性连接；以U相绕组中的连接结构为例，一号绕组单元的首端接点A1接U相电源，末端接点X1与J1连接，二号绕组单元的首端接点A2与J1连接，末端接点X2与J2连接，三号绕组单元的首端接点A3与J2连接，末端接点X3与J3连接，四号绕组单元的首端接点A4与J3连接，V相绕组和W相绕组同理，且U相绕组中四号绕组单元的末端接点X4与V相绕组中四号绕组单元的末端接点Y4和W相绕组中四号绕组单元的末端接点Z4连接在一起。

如图5所示，二挡加速时，每相绕组中的四个绕组单元两两串联成两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，三相绕组中的第一组绕组并联在一起，第二组绕组并联在一起，形成两个相互独立的Y型并联支路；三挡高速运行时，每相绕组中的每个绕组单元单独构成一条支路，三相绕组中的所有一号绕组单元并联在一起，所有二号绕组单元并联在一起，所有三号绕组单元并联在一起，所有四号绕组单元并联在一起，每相绕组中的第一组绕组由一号绕组单元和二号绕组单元串联而成，第二组绕组由二号绕组单元和四号绕组单元串联而成，所述一号绕组单元和二号绕组单元之间串接有第一电控开关J1，所述二号绕组单元和四号绕组单元之间串接有第三电控开关J3，所述一号绕组单元和二号绕组单元之间连接有第五电控开关J5，所述二号绕组单元的末端连接有第八电控开关J8，三相绕组中的三个第八电控开关J8连接在一起，三相绕组中的第一电控开关J1、第三电控开关J3、第五电控开关J5和第八电控开关J8均分别与所述电动换挡控制器电性连接；以U相绕组中的连接结构为例，一号绕组单元的首端接点A1接U相电源，末端接点X1与J1连接，二号绕组单元的首端接点A2与J1连接，末端接点X2与J8连接，三号绕组单元的首端接点A3通过J5与A1连接，末端接点X3与J3连接，四号绕组单元的首端接点A4与J3连接，V相绕组和W相绕组同理，且U相绕组中电控开关J8与V相绕组中二电控开关J8和W相绕组中电控开关J8连接在一起，构成一个独立的Y形零电位点；V相绕组中四号绕组单元的末端接点X4与V相绕组中四号绕组单元的末端接点Y4和W相绕组中四号绕组单元的末端接点Z4连接在一起，构成另一个独立的Y形零电位点。

如图6所示，所述三挡高速运行时，每相绕组中的每个绕组单元单独构成一条支路，三相绕组中的所有一号绕组单元并联在一起，所有二号绕组单元并联在一起，所有三号绕组单元并联在一起，所有四号绕组单元并联在一起，形成四个相互独立的Y型并联支路；每相绕组中的一号绕组单元的首端通过第四电控开关J4、第五绕组开关J5、第六绕组开关J6分别与二号绕组单元的首端、三号绕组单元的首端、四号绕组单元的首端连接，每相绕组中的一号绕组单元的末端连接有第七电控开关J7，三相绕组中的三个第七电控开关J7连接在一起；每相绕组中的二号绕组单元的末端连接第八电控开关J8，三相绕组中的三个第八电控开关J8连接在一起；每相绕组中的三号绕组单元的末端连接第九电控开关J9，三相绕组中的三个第九电控开关J9连接在一起，三相绕组中所有四号绕组单元的末端连接在一起；三相绕组中的第四电控开关J4、第五电控开关J5、第六电控开关J6、第七电控开关J7、第八电控开关J8和第九电控开关J9均分别与所述电动换挡控制器电性连接；以U相绕组中的连接结构为例，一号绕组单元的首端接点A1通过第四电控开关J4、第五绕组开关J5、第六绕组开关J6分别与二号绕组单元的首端接点A2、三号绕组单元的首端接点A3、四号绕组单元的首端接点A4连接，一号绕组单元的末端接点X1连接有第七电控开关J7，二号绕组单元的末端接点X2连接有第七电控开关J8，三号绕组单元的末端接点X3连接有第七电控开关J9，UVW三相中的三个J7连接在一起，三个J8连接在一起，三个J9连接在一起，三个四号绕组单元的末端接点Z4连接在一起，从而构成四个独立的Y形零电位点。

所述电控开关为交流接触器、直流继电器、固态继电器、IGBT或者MOS场效应管等电气或电力电子开关器件，电动换挡控制器根据转速信号设定的控制程序控制相应电控开关的通断，并通过电流传感器采集的信号判断相应电控开关的通断。例如，在二档时，3个J1开关器件中任何一个J1开关器件发生故障，应该闭合而断开时，其他对应的J1立即通过电动换挡控制器使所有J1断开，则该三相绕组仍然处于三相平衡状态，只是电功率和扭矩变为原来的二分之一，绕组不能长时间工作，这时车辆可以低速慢行。同理，3个J3、3个J5或3个J8开关器件中任何一个开关器件发生故障，上述过程同样；再如，在三档时，3个J7开关器件中任何一个J7开关器件发生故障、应该闭合而断开时，其他对应的J7立即通过控制程序使它们断开，则该三相绕组仍然处于三相平衡状态，只是电功率和扭矩变为原来的四分之三，绕组不能长时间工作，这时车辆可以低速慢行，3个J4、3个J5、3个J6、3个J8或者3个J9开关器件之中任何一个发生故障，上述过程同样。

如图8所示，为现有技术中一般电动汽车用电机扭矩-转速曲线图，A转速点是电机额定转速点，在0点至A转速之间，电机处于恒扭矩区，电机反电动势低于电动汽车电池组母线电压，不需要弱磁控制，在A转速至B转速点，电机处于恒功率区，电机反电动势高于电动汽车电池组母线电压，需要弱磁控制，在A点至B点之间，特别是靠近B点的高速区，如果弱磁控制软件发生故障弱磁控制失效，电机被汽车惯性反拖发电制动、使电动汽车立即刹车，造成翻车风险区域很广，风险很大；而电机弱磁控制比一般为1.5左右，也就是弱磁控制区占比为非弱磁控制区的1.5倍左右，由此可见，在图8中，从A点到B点整个弱磁控制区都处于弱磁控制软件失控的风险之内。

而图9为本发明实施例永磁同步电机三挡绕组切换扭矩-转速曲线图，如图9所示，0-a、a-b、b-c分别对应电机1挡、2挡、3挡的恒扭矩区，只有c-d是三挡最高速的弱磁升速区，由于c-d区段很窄，处于浅弱磁区，弱磁电流非常小；如果弱磁控制软件发生故障弱磁控制失效，电机被汽车惯性反拖发电制动、使电动汽车立即刹车而造成翻车风险的电机高速区域很窄，风险很小，另外，万一发生上述故障，本接线方式还可以立即断开所有电控开关器件J1-J9，使得电机处于空转状态，电动车辆可以惯性滑行，避免急刹车造成翻车。

本发明提供的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，利用多个电控开关将电动汽车用永磁同步电机的绕组通过串、并联转换的方式变成三挡电机，可以不用弱磁控制提升转速，通过控制器控制电控开关的通断，换切绕组接线方式形成一档、二挡、三挡提升转速；与现有的接线结构相比，本申请的接线结构在一档时没有变化，但二挡或三档时，通过多个电控开关位置的调整和线路的调整，形成了二个或四个相互独立的Y形并联支路，避免了多个支路之间的相互影响，即使某一个Y形并联支路由于故障出现断路也不影响其他Y行并联支路的运行，从而确保了电机的三相平衡，并且在实际接线时，与传统接法相比少了三根连接线，接法简单；在每相绕组中某一个电控开关发生故障而没有按照预定指令闭合或断开时，控制器可以将与该电控开关对应的其他电控开关同时断开，使得电机的三相绕组仍然处于平衡状态，增加了电动汽车用三档永磁同步电机的冗余度，提高了电动汽车安全性能；与传统的永磁同步三相电机弱磁升速控制方法相比，如果弱磁控制程序发生故障弱磁控制失效，使得电机被汽车惯性反拖发电制动，使电动汽车立即刹车从而造成翻车风险；本发明可以不用或少用弱磁控制，没有或减少了弱磁控制失效而发生上述风险的可能。此外，即使在高速弱磁区域发生弱磁控制失效的问题，本发明也可以同时断开9个电控开关，防止电机被汽车惯性反拖发电制动使电动汽车立即刹车而造成的翻车风险。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，包括永磁同步电机和控制器，所述永磁同步电机电机三相定子绕组中的每相定子绕组均由四个总匝数相同、绕组导线直径相同、绕组导线总截面积相同的绕组单元组成，分别为一号绕组单元、二号绕组单元、三号绕组单元和四号绕组单元，各相绕组单元线圈之间设置有绝缘层，其特征在于，通过多个电控开关对每相绕组中的四个绕组单元实施串联、并联以及串联、并联混合连接的操作方式构成电动变挡，且每个电控开关旁串联一个电流传感器，多个所述电控开关和电流传感器分别与所述电动换挡控制器电性连接；

一挡起动时，每相绕组中的四个绕组单元通过三个电控开关依次串联起来；二挡加速时，每相绕组中的四个绕组单元两两串联成两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，三相绕组中的第一组绕组并联在一起，第二组绕组并联在一起，形成两个相互独立的Y型并联支路；三挡高速运行时，每相绕组中的每个绕组单元单独构成一条支路，三相绕组中的所有一号绕组单元并联在一起，所有二号绕组单元并联在一起，所有三号绕组单元并联在一起，所有四号绕组单元并联在一起，形成四个相互独立的Y型并联支路。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，其特征在于，所述电控开关分为相同的三组，每组所述电控开关包括九个电控开关，分别为第一电控开关、第二电控开关、第三电控开关、第四电控开关、第五电控开关、第六电控开关、第七电控开关、第八电控开关和第九电控开关。

3.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，其特征在于，所述一挡起动时，每相绕组中的一号绕组单元和二号绕组单元之间串接第一控制开关，二号绕组单元和三号绕组单元之间串接第二控制开关，三号绕组单元和四号绕组单元之间串接第三控制开关，三相绕组中的第一电控开关、第二电控开关和第三电控开关均分别与所述电动换挡控制器电性连接。

4.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，其特征在于，所述二挡加速时，每相绕组中的第一组绕组由一号绕组单元和二号绕组单元串联而成，第二组绕组由二号绕组单元和四号绕组单元串联而成，所述一号绕组单元和二号绕组单元之间串接有第一电控开关，所述二号绕组单元和四号绕组单元之间串接有第三电控开关，所述一号绕组单元和二号绕组单元之间连接有第五电控开关，所述二号绕组单元的末端连接有第八电控开关，三相绕组中的三个第八电控开关连接在一起，三相绕组中的第一电控开关、第三电控开关、第五电控开关和第八电控开关均分别与所述电动换挡控制器电性连接。

5.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，其特征在于，所述三挡高速运行时，每相绕组中的一号绕组单元的首端通过第四电控开关、第五绕组开关、第六绕组开关分别与二号绕组单元的首端、三号绕组单元的首端、四号绕组单元的首端连接，每相绕组中的一号绕组单元的末端连接有第七电控开关，三相绕组中的三个第七电控开关连接在一起；每相绕组中的二号绕组单元的末端连接第八电控开关，三相绕组中的三个第八电控开关连接在一起；每相绕组中的三号绕组单元的末端连接第九电控开关，三相绕组中的三个第九电控开关连接在一起，三相绕组中所有四号绕组单元的末端连接在一起；三相绕组中的第四电控开关、第五电控开关、第六电控开关、第七电控开关、第八电控开关和第九电控开关均分别与所述电动换挡控制器电性连接。

6.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机的三相接线结构，其特征在于，所述电控开关为交流接触器、直流继电器、固态继电器、IGBT或者MOS场效应管。