CN1905353A - 电动车无刷电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车无刷电机驱动系统，所述系统在低速段时，通过增加电机的绕组匝数，以较小的电流产生大的转矩；在高速段时，通过减弱磁场强度来提高因绕组匝数增加而带来的速度的降低，保持现有的额定工作点不变；所述系统采用特定方式设计电机的绕组匝数和磁场强度的改变值，从而提高其安全性并延长其寿命。

Description

电动车无刷电机驱动系统

技术领域

本发明涉及一种电动车无刷电机驱动系统。

背景技术

无刷电机因其可靠性高的特点，被广泛应用在电动自行车、电动三轮车、电动四轮车等电动车上。但现有无刷电机驱动系统难以适应不同的驱动状况下的变速要求，特别是采用驱动系统来驱动电动车时，不能同时满足平路行驶时的高速运行性能要求和在低速运行条件下转矩的要求，电动车在正常路况及爬坡低速运行时，负载差别较大，对控制器及功率部分的电流过载倍数要求较高，危及控制器的安全运行，长期使用会使蓄电池和电机的使用寿命大大缩短。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种能使系统在低速段以较小的电流产生大的转矩，在高速段保持现有的额定工作点不变的直流无刷电机驱动系统；提高其安全性并延长其寿命。

本发明的无刷电机驱动系统如下：系统在低速段时，通过增加电机的绕组匝数，以较小的电流产生大的转矩；系统在高速段时，通过减弱磁场强度来提高因绕组匝数增加而带来的速度的降低，保持现有的额定工作点不变；采用以下方式设计电机的绕组匝数和磁场强度的改变值：

(1)测定现有直流无刷电机驱动系统的机械特性曲线，该曲线包括低速段和高速段两部分，特性曲线的参数包括堵转转矩T_ST1、额定电流n_N1和堵转电流I_ST1；

(2)根据在减小堵转电流I_ST的同时，即I_ST2＝KI_ST1，保持机械特性曲线特性参数T_ST2＝T_ST1，n_N2＝n_N1的负载要求，确定新直流无刷电机驱动系统的特性曲线；

(3)根据以下公式计算电机绕组匝数的改变系数，确定低速段部分的特性曲线参数；

电机绕组匝数的改变系数＝1/K

具体计算方法如下：

公式中每个参数的含义：

T_ST：额定转矩               n_N：额定转速       I_ST：堵转电流

Te：电磁转矩                 p：电机的极对数     Ce：电机的电磁常数

αi：计算极弧系数            φ_δ：每极磁通量   U_S：电源电压

U_T：开关器件的管压降        r：电枢电阻         Ia：电枢电流

W_φ：电枢绕组每相串联匝数   K：电流减少系数

下标：1-现有系统参数  2-新系统参数

设：I_ST2＝KI_ST1  K设定为0.7～0.9；

(K的确定取决于两个因素，一是控制器的过流能力，二是电机线槽对绕组增加的限制)

T_ST2＝T_ST1

即： $\frac{4p_2{W}_{\mathrm{\φ}2}}{\mathrm{\πa}{i}_2}.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}.I_{\mathrm{ST}2}=\frac{4p_1{W}_{\mathrm{\φ}1}}{\mathrm{\πa}{i}_1}.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}.I_{\mathrm{ST}1}$

∵不改变电机磁场设计

∴p₂＝p₁  αi₂＝αi₁  φ_δ2＝φ_δ1

∴ $W_{\mathrm{\φ}2}=W_{\mathrm{\φ}1}.\frac{I_{\mathrm{ST}1}}{I_{\mathrm{ST}2}}=W_{\mathrm{\φ}1}.\frac{1}{K}$

即：新系统电机匝数是现有系统电机匝数1/K倍，电机匝数的改变系数为1/K；

$n_2=\frac{U_S-2U_T-2r_2{\mathrm{Ia}}_2}{C{e}_2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}}=\frac{U_S-2U_T-2r_2{\mathrm{Ia}}_2}{\frac{2p_2{W}_{\mathrm{\φ}2}}{15\mathrm{\α}{i}_2}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}}$

$n_1=\frac{U_S-2U_T-2r_{1}I{a}_1}{{\mathrm{Ce}}_1{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}}=\frac{U_{S}2U_T-2r_{1}I{a}_1}{\frac{2p_1{W}_{\mathrm{\φ}1}}{15a{i}_1}.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}}$

∵ $r_{2}I{a}_2=\frac{1}{K}{r}_1.\mathrm{KI}{a}_1=r_1.I{a}_1$ (假设绕组线径保持不变)

p₂＝p₁

αi₂＝αi₁

φ_δ2＝φ_δ1

∴ $n_2=\frac{W_{\mathrm{\φ}1}}{W_{\mathrm{\φ}2}}.n_1=K.n_1$

即：低速段时，新系统的转速是现有系统的K倍；

(4)根据步骤(3)得到绕组匝数的改变系数，确定高速段部分的特性曲线参数；

具体计算方法如下：

设n_N2＝n_N1

$n_{N2}=\frac{U_S-2U_T-2r_{2}I{a}_2}{\frac{{2p}_2{W}_{\mathrm{\φ}2}}{15a{i}_2}.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}}$

$n_{N1}=\frac{U_S-2U_T-2r_1.I{a}_1}{\frac{2p_1{W}_{\mathrm{\φ}1}}{15a{i}_1}.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}}$

∴ ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}=\frac{W_{\mathrm{\φ}1}}{W_{\mathrm{\φ}2}}.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}=K.{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}$ (假设r₁Ia₁＝r₂Ia₂)

即：把磁场强度减弱为以前的K倍，就可以使新系统获得与现有系统相同的额定工作点。

为了系统运行更可靠和准确，可以制作样机，对设计的驱动系统的机械特性曲线进行测试，如果符合设计要求，就完成了设计，否则重新回到步骤(3)进行修正，直到符合要求为此。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)系统在低速段通过增加电机的绕组匝数，能以较小的电流产生大的转矩，提高了电机和控制器的可靠性，延长了电池的续行里程和使用寿命；(2)系统在高速段通过弱磁控制能提高因绕组匝数增加而带来的速度的降低，保持现有的额定工作点不变。

附图说明

图1是本发明和现有的无刷电机驱动系统机械特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，现有无刷电机驱动系统的机械特性曲线由低速段1和高速段2组成，本发明的方法通过对现有无刷电机机械特性曲线的分析，根据负载特性要求，在新特性曲线的低速段3通过增大转矩系数，即线圈匝数的方法，实现相同起动转矩下减少起动电流，在高速段4通过弱磁控制的方法使驱动系统的额定工作点n_N满足负载要求。

实施例1

对电动车用直流无刷电机驱动系统进行改进，在保持起动转矩不变的情况下，起动电流减少10％，即K＝0.9。

首先是测定现有驱动系统的机械特性曲线，确定堵转转矩T_ST1、额定电流n_N1和堵转电流I_ST1；

其次确定需要改进的机械特性曲线及参数T_ST2、n_N2和I_ST2，即T_ST2＝T_ST1、n_N2＝n_N1、I_ST2＝0.9I_ST1；

第三、根据公式计算线圈匝数改变数量， $W_{\mathrm{\φ}2}=\frac{1}{0.9}.W_{\mathrm{\φ}1}=1.11W_{\mathrm{\φ}1}$ ，即线圈匝数增加11％。

同时注意，由于电动机的线槽已确定，增加线圈匝数时，入需减少线径，由于公式推导中假设了线径不变，因此会对特性曲线产生影响。

第四、根据设计好的匝数改变系数，确定磁场需改变的比例，φ_δ2＝0.9φ_δ1。

最后，制作样机，同时对设计的驱动系统的机械特性曲线进行测试，如果符合设计要求，就完成了设计，否则重新回到第三步进行修正，直到符合要求为止。

实施例2

对电动车用直流无刷电机驱动系统进行改进，在保持起动转矩不变的情况下，起动电流减少20％，即K＝0.8。

首先是测定现有驱动系统的机械特性曲线，确定堵转转矩T_ST1、额定电流n_N1和堵转电流I_ST1；

其次确定需要改进的机械特性曲线及参数T_ST2、n_N2和I_ST2，即T_ST2＝T_ST1、n_N2＝n_N1、I_ST2＝0.8I_ST1；

第三、根据公式计算线圈匝数改变数量， $W_{\mathrm{\φ}2}=\frac{1}{0.8}.W_{\mathrm{\φ}1}=1.25W_{\mathrm{\φ}1}$ 即线圈匝数增加10％。

同时注意，由于电动机的线槽已确定，增加线圈匝数时，入需减少线径，由于公式推导中假设了线径不变，因此会对特性曲线产生影响。

第四、根据设计好的匝数改变系数，确定磁场需改变的比例，φ_δ2＝0.8φ_δ1。

第五、制作样机，同时对设计的驱动系统的机械特性曲线进行测试，如果符合设计要求，就完成了设计，否则重新回到第三步进行修正，直到符合要求为止。

实施例3

对电动车用直流无刷电机驱动系统进行改进，在保持起动转矩不变的情况下，起动电流减少30％，即K＝0.7。

首先是测定现有驱动系统的机械特性曲线，确定堵转转矩T_ST1、额定电流n_N1和堵转电流I_ST1；

其次确定需要改进的机械特性曲线及参数T_ST2、n_N2和I_ST2，即T_ST2＝T_ST1、n_N2＝n_N1、I_ST2＝0.7I_ST1；

第三、根据公式计算线圈匝数改变数量， $W_{\mathrm{\φ}2}=\frac{1}{0.7}.W_{\mathrm{\φ}1}=1.42W_{\mathrm{\φ}1},$ 即线圈匝数增加42％。

同时注意，由于电动机的线槽已确定，增加线圈匝数时，入需减少线径，由于公式推导中假设了线径不变，因此会对特性曲线产生影响。

第四、根据设计好的匝数改变系数，确定磁场需改变的比例，φ_δ2＝0.7φ_δ1。

第五、制作样机，同时对设计的驱动系统的机械特性曲线进行测试，如果符合设计要求，就完成了设计，否则重新回到第三步进行修正，直到符合要求为止。

Claims (2)

1、一种电动车无刷电机驱动系统，其特征在于，所述系统在低速段时，通过增加电机的绕组匝数，以较小的电流产生大的转矩；在高速段时，通过减弱磁场强度来提高因绕组匝数增加而带来的速度的降低，保持现有额定工作点不变；所述系统采用以下方式设计电机的绕组匝数和磁场强度的改变值：

(1)测定现有直流无刷电机驱动系统的机械特性曲线，该曲线包括低速段和高速段两部分，特性曲线的参数包括堵转转矩T_ST1、额定转速n_N1和堵转电流I_ST1；

(2)根据在减小堵转电流I_ST的同时，即I_ST2＝KI_ST1，保持机械特性曲线特性参数T_ST2＝T_ST1，n_N2＝n_N1的负载要求，确定新直流无刷电机驱动系统的特性曲线；

(3)根据以下公式计算电机绕组匝数的改变系数，确定低速段部分的特性曲线参数；

电机绕组匝数的改变系数＝1/K

具体计算方法如下：

公式中每个参数的含义：

T_ST：堵转转矩        n_N：额定转速       I_ST：堵转电流

Te：电磁转矩          p：电机的极对数     Ce：电机的电磁常数

αi：计算极弧系数     φ_δ：每极磁通量   U_S：电源电压

U_T：开关器件的管压降  r：电枢电阻         Ia：电枢电流

W_φ：电枢绕组每相串联匝数  K：电流减少系数

下标：1-现有系统参数    2-新系统参数

设：I_ST2＝KI_ST1，K设定为0.7～0.9；

T_ST2＝T_ST1

即： $\frac{4p_2{W}_{\mathrm{\φ}2}}{\mathrm{\π\α}{i}_2}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}\·I_{\mathrm{ST}2}=\frac{4p_1{W}_{\mathrm{\φ}1}}{\mathrm{\π\α}{i}_1}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}\·I_{\mathrm{ST}1}$

∵不改变电机磁场设计

∴p₂＝p₁    αi₂＝αi₁    φ_δ2＝φ_δ1

∴ $W_{\mathrm{\φ}2}=W_{\mathrm{\φ}1}\·\frac{I_{\mathrm{ST}1}}{I_{\mathrm{ST}2}}=W_{\mathrm{\φ}1}\·\frac{1}{K}$

即：新系统电机匝数是现有系统电机匝数1/K倍，电机匝数的改变系数为1/K；

$n_2=\frac{U_S-2U_T-2r_{2}I{a}_2}{C{e}_2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}}=\frac{U_S-2U_T-2r_{2}I{a}_2}{\frac{2p_2{W}_{\mathrm{\φ}2}}{15\mathrm{\α}{i}_2}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}}$

$n_1=\frac{U_S-2U_T-2r_{1}I{a}_1}{C{e}_1{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}}=\frac{U_S-2U_T-2r_{1}I{a}_1}{\frac{2p_1{W}_{\mathrm{\φ}1}}{15\mathrm{\α}{i}_1}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}}$

∴ $r_{2}I{a}_2=\frac{1}{K}{r}_1\·\mathrm{KI}{a}_1=r_1\·I{a}_1,$ 假设绕组线径保持不变；

p₂＝p₁

αi₂＝αi₁

φ_δ2＝φ_δ1

∴ $n_2=\frac{W_{\mathrm{\φ}1}}{W_{\mathrm{\φ}2}}\·n_1=K\·n_1$

即：低速段时，新系统的转速是现有系统的K倍；

(4)根据步骤(3)得到绕组匝数的改变系数，确定高速段部分的特性曲线参数；

具体计算方法如下：

设n_N2＝n_N1

∵ $n_{N2}=\frac{U_S-2U_T-2r_{2}I{a}_2}{\frac{2p_2{W}_{\mathrm{\φ}2}}{15\mathrm{\α}{i}_2}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}}$

$n_{N1}=\frac{U_S-2U_T-2r_{1}I{a}_1}{\frac{2p_1{W}_{\mathrm{\φ}1}}{15\mathrm{\α}{i}_1}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1}}$

∴ ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}=\frac{W_{\mathrm{\φ}1}}{W_{\mathrm{\φ}2}}\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}2}=K\·{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δ}1},$ 假设r₁Ia₁＝r₂Ia₂

即：把磁场强度减弱为现有的K倍，使新系统获得与现有系统相同的额定工作点。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制作电动车无刷电机驱动系统的样机，按步骤(3)对其机械特性曲线进行测试，直至其低速段和高速段符合要求。