CN110168866A - 具有多区段绕组线圈和开关组合的定子的电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过使用开关组合在车辆中以不同速度获得变化的扭矩的电机。电机包括具有多个连接的区段C1、C2、C3、C4、C5、C6的线圈，使得所有区段处于串联结构以增加Kt，并且一些区段C1、C2、C3、C4、C5、C6并联连接以减少Ke。这增加了马力动力模式期间的空载速度，并且通过使用开关装置降低了在发电模式期间由电机产生的电压。当区段C1、C2、C3、C4、C5、C6并联连接时，每相的电阻降低，从而减少了铜损耗并且因此提高了电机的效率。在任意车辆的集成起动发电机(ISG)系统中应用本发明以提供高起动转矩并且在高转速下产生较小电压。此外，可用于任意马达，以向较高速度的车辆提供扭矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆用电机。更具体地，本发明涉及一种电机定子绕组线圈，用于在车辆中以不同的速度获得变化的扭矩。
背景技术
在自动车辆中，当车辆静止时，起动马达用来起动发动机。起动马达提供了非常高的扭矩，以在起动(低速运行)时扭动发动机。该车辆还有一个磁电机，磁电机能为车辆的电力负荷和电池提供动力(高速运行)。
当起动电机和磁电机的功能组合成一个具有冲突要求(即高的起动扭矩和在高转速(rpm)下产生较小的电压)的单机时，控制器的成本随着这些产生的高电压而增加。起动扭矩要求高Kt。Kt是电机的一个设计常数，用于根据输入电流表示产生的扭矩，如下式所示。
T＝Kt*I
为了在高转速下产生更少的电压，需要更少的Ke。Ke是电机的反电动势(backemf)常数，用来表示由线圈在给定速度ωm下产生的反电动势电压。
Eb＝Kb*ωm
然而，对于Kt和KeKe电机通常具有相同的值，通过Kt和Ke，电机的起动扭矩和空载转速是固定的。改变Kt和Ke常数的方法有多种，如场弱化、移动转子以提供较少的磁通路径、双定子结构等。
EP 1255345 A1题为“高性能定子装置”中公开了通过单独选择或以“串联”连接多个线圈来改变匝数。在任何时间点，线圈单独连接或串联连接，以改变电机的Kt值。
线圈从不并联连接。并联结构允许电机通过减少损失在提高的效率区运行。在本发明中，单个线圈被抽头以产生不同匝数的绕组的效果。与EP1255345(A1)相比，线圈端不分离。
US 2016-0141996A公开了一种用于车辆的电动马达系统，该系统调节车辆电动马达的线圈绕组数量。所述电动机系统包括逆变器，所述逆变器包括并联连接于车辆电池的电源开关电路和线圈开关电路，其中，所述线圈开关电路接收并发送不同相的驱动电流，所述不同的相根据电源开关电路的开关操作而产生，与所述电源开关电路连接；电动马达，用于包括多个绕组线圈，绕组线圈接受在多个阶段中缠绕的驱动电流；以及控制器，用于检查线圈开关电路的开关操作，通过在低速驱动模式中以串联连接所有绕组线圈，将绕组数调整到多于一个线圈的最大线圈绕组数，并且通过在高速驱动模式中以串联连接绕组线圈中的一些，将绕组数调整到最小线圈绕组数。在该专利中，线圈串联连接以降低Ke以改变驱动模式的速度。
US 20140265693A1题为“集成起动发电机”，公开了集成起动发电机(ISG)系统，该系统包括磁通调节永磁电机(PMM)、缠绕场同步电机和控制线圈控制器。固定部分有控制线圈并且在磁通调节PMM中的旋转部分有一个以上的永磁旋转电枢绕组。
缠绕场同步机包括固定部分和旋转部分。固定部分包括主电枢绕组，而旋转部分包括接收来自磁通调节PMM的激励的主场绕组。控制线圈控制器控制提供给磁通调节PMM的控制线圈的电流以选择性地限制提供给旋转电枢绕组的磁通。(原文美国公开号：20140265693 Al)。
WO 2013/054349A2题为“扭矩助力马达”，公开了“一种为电动车辆/混合动力车辆中的初级马达提供选择性扭矩助力的方法。该方法包括将扭矩嵌入辅助马达在初级马达差速器的两个输出轴上。扭矩助力马达可以被接通，以在零或非常低的速度下为初级马达差速器提供短期的扭矩增加。扭矩辅助马达可以有多个绕组以提供不同的扭矩增加。”(原文公开号WO 2013/054349 A2)。
发明内容
连接具有多个区段的线圈，使得在一个实例中所有区段都处于串联结构以增加Kt，以及在另一个实例中，一些区段并联连接以减少Ke(以及由此减少Kt)。通过使用开关布置，提高了在马达动力模式期间的空载速度，并降低了在发电模式期间由电极所产生的电压。当各区段并联连接时，降低了各相的电阻，从而降低了铜的损耗。提高了电机的效率。
开关的布置使得抽头部分不与线圈区段断开连接。但是相反，电压被施加在区段和电源管脚中的一个之间的抽头部分。使用抽头部分施加电压减少了从电机连接到开关系统的线的数量。
在另一个实施例中，不同齿上的线圈串联连接并且并联连接，以使用开关改变电机的Kt(和Ke)。该连接允许电机进入下一个最接近的可能的马达动力速度范围，并且以在最高效率区的相应速度带操作。当不同齿上的线圈并联连接时，在相绕组中的匝数的有效数量减少，从而减少了电机的Kt和Ke。开关被激励，使得在连续步骤中并联路径计数增加，以逐步降低了电机的Ke。这允许电机能够在下一个马达动力速度范围内有效地操作。在给定的输入条件下，马达动力速度范围是指从零转速到电机最大空载转速的范围。
本发明可用于任何车辆，并且可应用于任何(集成起动机发电机)ISG系统，以提供高起动扭矩和在高转速下产生更少的电压。通过降低电机的Ke，可以改善牵引电机的速度范围，从而在相同的几何形状范围内提供更宽的速度范围，并且提供更好的再生能力。该应用还可以扩展到任意马达，以向车辆提供更高速度的扭矩。
附图说明
图1说明了具有线圈的三个区段和两个单掷双极型开关的齿。
图2说明了具有线圈的三个区段和两个单极单掷型开关的齿。
图3示出了具有线圈的五个区段和四个单掷多极型开关的齿。
图4示出了具有线圈的五个区段和四个单极单掷型开关的齿。
图5显示了具有线圈的五个区段和六个单极单掷型开关的齿。
图6示出了具有线圈的五个区段和六个、五个单极单掷型开关，以及一个开关为双极单掷型开关的齿。
图7a示出了具有线圈的五个区段和六个都是单极单掷型开关的齿。
图7b示出了具有线圈的五个区段和六个开关的齿，其中四个开关是单极单掷型开关，两个开关是双极单掷型开关。
图8示出了具有线圈的五个区段和八个开关的齿，这些开关可以是单极单掷型开关或多极单掷型开关。
图9示出了具有线圈的两个区段和三个单极单掷型开关的齿。
图10示出了具有线圈的四个区段和六个开关的齿，这些开关可以是单极单掷型开关或多极单掷型开关。
图11示出了具有六个线圈和八个开关的齿。
图12示出了相对于如图8所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
图13示出了相对于如图9所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
图14示出了相对于如图9所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
图15示出了相对于如图8所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
图16示出了相对于如图10所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
图17示出了相对于如图10所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
图18示出了相对于如图8和图10所示连接的线圈区段的速度的电机的扭矩和效率。
具体实施方式
集成起动发电机(ISG)或牵引马达在一开始就需要一个高起动扭矩。为了产生这种起动扭矩，该电机最初设计具有较高的Kt。为了设计具有较高的Kt的电机，每一相需要更多的匝数。不是将所有的匝数作为具有单个区段的线圈，而是提出了具有多个区段的线圈。这些具有多个区段的线圈缠绕在定子的同一个齿上。然后取出线圈每个区段的起始端线和末端线并且通过开关将起始端线和末端线连接。如图1所示，在起动期间，线圈的每个部分以这样的方式连接，即线圈3、5的第一区段的末端和线圈2、4的下一区段的起始端连接。线圈C1的第一区段的起始端6连接到控制器50的相端子，线圈C3的最后区段1的末端线连接到控制器的另一个相端子，或者可以是电机绕组60的中性点。然后，每一个相有更多的处于串联结构彼此连接的匝数。随后，为了将马达动力模式的速度范围提高到下一个可能的极限，开关结构被激励，以便根据在线圈的整个区段中的区段和匝数，使得线圈的一些区段并联连接并且线圈的一些区段串联连接。
允许该电机在该马力动力速度范围内运行，从而降低了电阻，并且可以方便地在该带的最高效率下运行。此外，下一个可能的马力动力速度带是通过开关布置通过减少匝数和增加并联线圈的区段来实现的，从而通过所有可能的开关组合确保电机在最大效率范围附近运行。
例如，在奇数个线圈区段中，如图1所示的三个区段，在正常运行时，开关s101和s102是打开的，并且所有线圈区段C1、C2、C3是以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt。开关s101和s102是单掷双极型开关。在发电模式下，开关s101和s102闭合。现在线圈区段C1、C2、C3并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。三个线圈区段C1、C2、C3并联连接，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。电机效率曲线600的峰值也移到图像的右边，提高了系统的效率。
对于奇数个线圈区段，如图2所示的三个区段，在正常运行中，开关s201和s202是打开的，并且所有线圈区段C1、C2、C3是以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s201和s202是单极单掷型开关。在发电模式下，开关s201和s202闭合。现在线圈区段C1、C2、C3并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。三个线圈区段C1、C2、C3并联连接，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线600的峰值也移到图像的右边，提高了系统的工作效率。当s201或s202中的任何一个闭合时，只有一个线圈区段将被连接。匝数的数量较少，从而增加了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线的峰值也移到图像的右侧，提高了系统的效率。对于奇数个线圈区段，如图3所示的5个线圈，在正常运行条件下，开关s301、s302、s303、s304是打开的，所有线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s301、s302、s303和s304是单掷多极开关。在发电模式下，开关s301、s302、s303和s304是闭合的。线圈区段并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率600。五个线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联，减少了各相的匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线600的峰值也被移到图像的右边，提高了系统的效率。对于图4所示的相同奇数区段线圈，在正常运行中，开关s401、s402、s403和s404是打开的。所有的线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s401、s402、s403和s404是单极单掷开关。在发电模式下，开关s401、s402、s403和s404是闭合的。线圈区段C1、C2、C3、C4和C5现在并联，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。五个线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联连接，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线600的峰值也被移到图像的右边，提高了系统的效率。
在线圈相同的区段中，如果如图5连接，在正常运行中，开关s503关闭，开关s501、s502、s504、s505打开，并且所有线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s501、s502、s503、s504、s505和s506是单极单掷型开关。当开关s506和s505闭合且其他所有开关都打开时，有两个线圈区段。C5与C4串联，C3与C2串联，这两个线圈区段C4-C5和C3-C2并联至电路。匝数减少了，电机的Ke也减少了。在发电模式下，开关s501、s502、s503、s504和s505是闭合的。现在线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。五个线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联连接，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线600的峰值也被移到图像的右边，提高了系统的效率。
相同的线圈区段，如果如图6连接，在正常运行中，开关s603是闭合的，开关s601、s602、s604和s605打开，所有线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt。开关s602、s603、s604和s605是单极单掷型开关。s606是一个双极单掷型开关。s601可以是单极单掷型开关或双极单掷型开关。当开关s606和s605闭合且所有其它开关都打开时，有两个线圈区段，C4与C5串联，C3与C2串联，两个线圈区段C4-C5和C3-C2并联至电路。匝数减少了，电机的Ke也减少了。在发电模式下，开关s601、s602、s603、s604和s605是闭合的。线圈区段C1、C2、C3、C4、C5并联连接，降低了电机的电阻，减少了各相的匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围，提高了电机的效率600的峰值。马达的效率曲线600的峰值也移到图像的右边，提高了系统的效率。
当线圈的区段如图7a连接时，在正常运行中，开关s703关闭，开关s701、S702、s704、s705和s706打开，所有线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s701、S702、s703、s704、s705和S706是单极单掷型开关。当开关s701和S706闭合且其它所有开关都打开时，有两个线圈区段，C1与C2串联，C3与C4串联，线圈区段C3、C4和线圈区段C1、C2并联至电路。匝数减少了，电机的Ke也减少了。在发电模式下，开关s701、s702、s703、s704和s705闭合。线圈区段C1、C2、C3、C4和C5现在并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。现在，五个线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线的峰值600也移到图像的右边，提高了系统的效率。
当线圈的区段如图7b连接时，在正常运行中，开关s703闭合，开关s701、s702、s707、s705和s708打开，所有线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s701、s702、s703、s707和s705是单极单掷型开关。开关s703和s708是双极单掷型开关。当开关s701和s708闭合且其它所有开关都打开时，有两个线圈区段，C1、C2串联和C3、C4串联，两个线圈区段C1-C2和C3-C4并联至电路。匝数减少了，电机的Ke也减少了。在发电模式下，开关s701、S702、s703、s707和s705闭合。现在线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。现在，五个线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线600的峰值也被移到图像的右边，提高了系统的效率。
当线圈的区段如图8连接时，在正常运行中，开关s803和s804闭合，开关s801、s802、s805、s806、s807和s808打开，并且所有线圈区段C1、C2、C3、C4和C5以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。s801、s802、s803、s804、s805、s806、s807和s808是单极单掷型开关。开关s801、s802、s804、S805、s807和s808也可以是多极单掷型开关。当开关s801、S803和s808闭合且其它所有开关都打开时，有两个线圈区段，C4与C3串联，C2与C1串联，两个线圈区段C4-C3和C2-C1并联至电路。匝数减少了，电机的Ke也减少了。当开关s804、s806和s807闭合且其它所有开关都断开时，有两个区段，线圈区段C2与C3串联，以及C4与C5串联，两个线圈区段C2、C3和C4、C5并联至电路。匝数减少了，电机的Ke也减少了。在发电模式中，开关s801、s802、s803、s804、s805和s806闭合。现在线圈区段并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率600。现在，五个线圈区段C1、C2、C3、C4和C5并联连接，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。如图12、15和18所示，马达的效率曲线600的峰值也移到图像的右侧，从而提高了系统的效率。
当线圈以两个区段连接时，在正常运行时，开关s903闭合，开关s901和s902打开，所有线圈区段C1和C2以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s901、s902和s903是单极单掷型开关。在发电模式下，开关s901和s902闭合。现在线圈区段C1和C2并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。现在，两个线圈区段C1和C2并联，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线600的峰值也移到图像的右侧，提高了系统的效率(如图14和图13所示)。在相同的线圈区段中，当如图10所连接四个区段时，在正常运行时，开关s1006闭合。开关s1OO1、s1002、s1003、s1004和s1005是打开的，所有的线圈区段C1、C2、C3和C4都以串联结构连接。串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加了电机的扭矩500。开关s1OO1、s1002、s1003、s1004、s1005和s1006是单极单掷型开关。开关s1O01、s1002、s1004和s1005也可以是多极单掷型开关。当开关s1003和sl005闭合且其它所有开关都打开时，有两个线圈区段，C1、C2串联以及C3、C4串联，两个线圈区段C1、C2和C3、C4并联至电路板。匝数减少了，电机的Ke也减少了。在发电模式下，开关s1OO1、s1002、s1004和s1005闭合。现在线圈区段C1、C2、C3和C4并联连接，降低了电机的电阻，从而提高了电机的效率。现在，四个线圈区段C1、C2、C3和C4并联，减少了匝数，从而提高了马达的空载速度和马达动力速度范围。马达的效率曲线的峰值也移到图像的右侧，提高了系统的效率，如图16-18所示。
同样的结构也可以扩展到不同齿上的线圈，这些线圈也可以串联连接或并联连接。例如，如图11所示定子每相具有六齿，当齿中的所有线圈C1、C2、C3、C4、C5和C6串联连接时，电机具有较高的Kt，从而增加电机的扭矩500和Ke值。在这种结构中，第一相的末端线圈和下一相的起始端线圈通过闭合开关s1101而串联，以实现串联结构。当需要降低电机的Ke时，如开关s1102，s1103与电路连接，开关s1101断开。有效地，每个相有两条并行路径。这种布置将电机从单条并行路径切换到两条并行路径。通过闭合开关s1101、s1105、s1106、s1107和s1108，并打开开关s1104、s1102、s1103和s1109，也可以将其扩展到三条并行路径。在并行路径之间切换的优点增加了马达的马达动力速度范围，从而使电机能够在或接近最高效率的工作区上工作。
所有开关都可以独立操作，也可以同时操作，以创建不同的Ke(或Kt)值。线圈的区段可以是串联连接或并联连接，并且不同的齿上的线圈也可以是串联连接的，以可以降低Ke值。
有利的是，本发明旨在通过用于定子绕组的开关组合以不同的速度实现不同的Ke(或Kt)值。
在不偏离本发明的范围的情况下，改进和修改可以并入本文。
Claims (12)
1.一种电机，包括：
定子绕组线圈，所述定子绕组线圈具有多个区段；开关；以及电压端子；
所述定子端线圈利用开关组合以串联方式和并联方式连接所述区段，用于改变扭矩常数(Kt)和反电动势常数(Ke)；具有多个区段C1、C2、C3、C4、C5、C6的所述线圈缠绕在所述定子的同一个齿上；
所述线圈的每个区段的起始端线和末端线被取出，并通过所述开关连接所述起始端线和所述末端线；
在起动期间，连接线圈的每个区段，使得线圈(3)、(5)的第一区段的末端和线圈(2)、(4)的下一区段的起始端连接；并且线圈C1的所述第一区段的起始端(6)连接到控制器(50)的相端子，并且线圈C3的最后区段(1)的末端线连接到所述控制器(50)的另一个相端子或电机绕组(60)的中性点，使得每个相具有更多的串联连接的匝数。
2.根据权利要求1所述的电机，其中所述开关是单极单掷型开关、多极单掷型开关以及双极单掷型开关。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，为了将马达动力模式下的速度范围提高到下一个最低可能限度，开关结构被激励，以便根据在线圈的整个区段中的区段和匝数，使得线圈的一些区段并联连接并且线圈的一些区段串联连接。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，将具有多个区段的所述线圈连接，使得：
所有区段均为串联结构，以增加所述Kt，并且在不同时间点，一些区段并联连接，以减少所述Ke；
利用开关布置，在马达动力模式期间提高空载速度，并且在发电模式期间降低由所述电机产生的所述电压；以及
当所述区段并联连接时，降低各相的电阻，从而使铜的损耗最小化。
5.根据权利要求1所述的电机，其中，开关布置使得电压施加在所述区段和电源管脚中的一个之间的抽头部分上，而不是断开线圈区段的连接和使用抽头部分以施加所述电压，从而减少从所述电机连接到开关系统的线的数量。
6.根据权利要求1所述的电机，其中，不同齿上的线圈串联连接并且并联连接，从而使用所述开关以改变电机的Kt和Ke值。
7.根据权利要求6所述的电机，其中，连接允许所述电机进入下一个最接近的可能的操作速度范围，并且以在最高效率区的相应速度带操作。
8.根据权利要求6所述的电机，其中，不同齿上的线圈的并联连接减少了相绕组中的匝数的有效数量，从而降低了所述电机的所述Kt和所述Ke。
9.根据权利要求6所述的电机，其中，所述开关被激励，导致在连续步骤中并联路径计数增加，以逐步降低了所述电机的所述Ke，从而允许在下一工作范围内的有效操作。
10.根据权利要求1所述的电机，其中，串联结构中的较高匝数提供了较高的Kt，从而增加所述电机的扭矩(500)。
11.根据权利要求1所述的电机，其中，所述开关独立地操作，以产生不同的Ke(或Kt)值。
12.根据权利要求1所述的电机，其中，所述开关同时独立地操作，以产生不同的Ke(或Kt)值。
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