CN1921262A - 电动车多挡宽调速轮毂电机 - Google Patents

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Abstract

电动车多挡宽调速轮毂电机，直接装在电动汽车轴上，驱动电动车辆行驶。根据永磁分数槽电机具有对称的电枢绕组，对称绕组视为单元绕组，具有每相4个单元绕组的电机，每相用11个电子开关元件，可换接成串、并或混联，使电动汽车有多挡变速(如机械换挡)，拓宽了车辆运行速度范围，满足车辆低速大转矩(T＝常数)、高速恒功率(P＝常数)要求，同时高速时绕组并联、混联铜损小，效率高，功率增大。提高了电动车辆的越野性和超车性能。

Description

电动车多挡宽调速轮毂电机
所属技术领域
本发明涉及一种用于电动车多挡宽调速轮毂电机，属电动车永磁无刷驱动电机领域，可安装在电动车固定轴上，直接驱动电动车行驶。
背景技术
已有电动车永磁无刷驱动电机，可以改变电机定子接法，达到变速控制的目的，如三相绕组‘Y’形(星形)可以改接成‘Δ’形(三角形)，这种改变方式的“换挡”每相绕组的匝数仍然不变，只是在外加额定电压条件下，变换了电机定子绕组总阻抗3倍，使输入电机功率有3倍突变，无法满足电动车对驱动电机的机械特性要求。另一种是永磁开关磁阻电机，采用裂开线圈的方法，它是将电机定子绕组分开成若干段，根据电动车运行在不同工况下，分别投入不同段绕组(换挡)，当投入100％绕组时，具有低速大力矩(T＝常数)；当只投入部分绕组时，电动车运行在恒功率区(P＝常数)；只投入部分绕组运行时，绕组电阻小，铜损小，电机的效率可提高，这种换挡变速方法，在一般永磁无刷电机中，尤其是整数槽绕组，在工艺制作上很难实施，例如：一台36槽电机，有36个线圈，每个线圈均要按换挡要求抽出多根引线，然后又需把同位置的抽出的引线联接起来，若有3挡换接，引线接头总数是36个线圈的3倍，不仅联接困难，而且大大增加了电机线圈的引线电组，使电机绕组的总铜损增大，电机效率显著降低。
发明内容
为了克服现有技术对永磁无刷电机整数槽绕组不能实现多挡位换接，同时又要能满足电动车多种变速要求，并显著减少电机绕组导线铜损，提高效率为目的。
本发明是在分析永磁无刷电机分数槽绕组的对称条件，即具有对称条件的永磁分数槽电机，如三相或多相电机，在每一相对称的每组绕组中，可获得对称的电动势和磁动势。任何一相中的每组绕组电动势和磁动势在数值上是相等的。通过绕组对称条件可得出结论是：
永磁分数槽电机每相中的对称绕组，都可视为单元绕组，单元绕组可独立投入运行，又可串联、并联或混联分别投入运行；具有对称条件的每相单元绕组电机，如：三相电机60极56槽(或52极56槽)、40极36槽(或32极36槽)、28极24槽(或20极24槽)、16极12槽(或8极12槽)；四相电机34极32槽(或30极32槽)；20极16槽(或12极16槽)五相电机中22极20槽(或18极20槽)；每相有4个单元绕组的电机，三相共有12个单元绕组，每相接有11个开关元件1-11，当元件1、2、3接通时，4个单元绕组串联；当元件2、3、6接通时，3个单元绕组串联；当元件1、3、4、5接通时，2个单元绕组分成两组串联后再并联(混联)；当元件6、7、8、9、10、11接通时，4个单元绕单元组并联；三相绕组共有33个开关元件，每相中11个开关元件的接法对应相同；每相有2个单元绕组的电机，五相共有12个单元绕组，每相都工作在2个单元绕组串联，1个单元绕组独立工作和2个单元绕组并联，每相绕组有3个开关元件，五相共有15个开关元件，每相中的三个开关元件接法对应相同。
由于电机中多种接法的改变，它能改变电机的内阻和安匝数，达到换挡和拓宽电机调速范围的目的，实现电动车运行时多种行驶速度的变挡，在每种换挡速度运行中，又可均匀调速，犹如燃油汽车机械换挡变速一样，以满足电动汽车不同路况行驶的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：把符合对称条件的每相中每1个单元绕组，分别接线圈绕组的(引入端)“头”和(引出端)“尾”，通过换接的开关元件(电子开关元件或机械触点元件)，联接成符合串联、并联或混联的方式，达到电机可以多种换挡变速控制目的。
本发明的有益效果：与现有绕组抽头换挡变速相比，制造工艺简化，换挡接法多，由于4个单元绕组可串联换接成2个单元绕组相串再并联，还可以换接成4个单元绕组并联。因此不仅每相绕组的总电阻值，按其改变接法的顺序，呈R2减小，而且电机绕组上的电阻功率损耗显著降低，电机效率明显提高；同时每相绕组导线横截面积增大，电机的过载能力也会成倍增大，这一点对电动车是很重要的，它可以增大电机输出功率，可以提高电动车的越野性能和超车性能。
现以三相永磁无刷电机分数槽设计的40极36槽电机为例：三相电机定子每相对称的4组绕组中，接有11个开关元件1-11，当元件1、2、3接通时，4个绕组串联；当元件2、3、6接通时，三个绕组串联；当元件1、3、4、5接通时，2个绕组分成两组串联后再并联(混联)；当元件6、7、8、9、10、11接通时，4个绕组并联；电机定子为三相绕组，每相中均有11个开关元件，三相共有33个开关元件。若是五相20槽，每相只有2个绕组，可工作在2个绕组串联，1个绕组工作和2个绕组并联；每相绕组有3个开关元件，五相共有15个开关元件。开关元件可以选用晶闸管SCR、门极可关断晶闸管CTO、双极性功率晶体管BJT、功率场效应管MOSEFT或有机械触点的凸轮转换组合开关等。均可正常工作，满足多种换挡要求。(参考附图1、2、3)。因此，这种换接方式，对电机的定子绕组，每相都有4挡转换，每一挡位绕组的总电阻值不同，所以，电机有4种不同的特性，即分别投入100％、75％、50％、25％的绕组运行。其机械特性如附图1、(b)所示。
永磁无刷电机的多挡开关元件，若选用电子开关元件，可以把电子开关元件装在轮毂电机内部；也可以把电机的单元绕组引线从电机壳体中引出，安装在电机壳体外部的专用控制盒中。若选用有机械触点的凸轮转换组合开关，电机内部无法安装，只有把线引出接到组合开关中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：在附图1中，(a)为三相40极36槽电机，每相有4个对称的单元绕组，图1中(a)为简化图，仅画出一相绕组的4种联接方法，其余2相相同。4个单元绕组串联(参考附图2中开关元件的编号)，从附图2(b)中，U、V、W三相均有1、2、3、4共4种不同的工作状态，顺序分别为4个单元绕组串联，这时绕组100％投入；3个单元绕组串联，绕组75％投入；2个单元绕组串联后再并联，绕组50％投入；4个单元绕组并联，绕组25％投入。但每相绕组总电阻R值按串联至并联1、3、4的三种接法的顺序呈R2减小。从附图1(b)机械特性分析：电动车要求的低速段(绕组100％投入)，为恒转矩区(T＝常数)；高速段(绕组逐部投入75％、50％和25％)，为恒功率区(P＝常数)。
在附图3中，(a)为五相20槽电机中，一相绕组的三个开关变接法联接图：(b)为五相(A、B、C、D、E)，每相是相同的接法变换表，每一相中的开关序号1接通时为2个单元绕组串联；2接通时为1个单元绕组工作；2、3接通时为2个单元绕组并联工作。
在附图4和附图5中，分别为8极12槽，40极36槽电机结构示意图，图中外部为轮毂转子，内部为电机定子结构。从永磁无刷电机分数槽设计的对称条件，在附图4、附图5的示意图可以看出，图中90°对称线位置顺时针方向，第一块均为N极，其对应的定子U相的齿，都处在相同的磁场极性和强度位置，无论电机是顺时针或反时针方向旋转，单元绕组上的电动势和磁动势在数值上均相等，这是各个单元绕组可以串联和并联的理论基础，是本法明的核心。
具体实施方式
从附图2中，电子开关元件，若选用门极可关断晶闸管GTO，按(a)的联接方法，GTO元件可安装在电机内部的定子铁芯三个腰型孔中，分别将1、2、3、4三相控制元件的控制极，分成4组。即每相的1、2、3元件，共9只元件的控制极，联接在一根引出控制线上，其余分别把每相的2、3、6；1、3、5；和6、7、8、9、10、11的控制极分别联接在一根引出线上，4种换挡接法，共有4根引出控制线，加上公共线共有5根，都从电机壳体中引出至专用控制盒中，即可对该电机实施换挡变速控制。
从附图3中可以看出，采用有触点的凸轮组合开关(示意图)，作为电机换挡变速控制器。图3(a)为一相有2个单元绕组采用3个机械开关触点，五相共有15个触点，参考附图3(b)，根据凸轮组合开关可以灵活组合的结构，可与开关厂家协作，按要求定做供货，以满足该方式的控制要求。
附注中的参考文献复印件：(共10页)
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Claims (3)

1、一种电动车多挡宽调速轮毂电机，属电动车永磁无刷驱动电机领域，根据永磁无刷电机分数槽绕组对称条件，按电机每相绕组电动势和磁动势相等的线圈，换接成串联，并联或混联多种联接方法(多挡)，达到电动车轮毂电机多挡和宽调速要求，其特征是：
a、永磁分数槽电机每相中的对称绕组，都可视为单元绕组，单元绕组可独立投入运行，又可串联、并联或混联分别投入运行；
b、具有对称条件的每相单元绕组电机，如：三相电机60极56槽(或52极56槽)、40极36槽(或32极36槽)、28极24槽(或20极24槽)、16极12槽(或8极12槽)；四相电机34极32槽(或30极32槽)；20极16槽(或12极16槽)；五相电机中22极20槽(或18极20槽)；
c、每相有4个单元绕组的电机，三相共有12个单元绕组，每相接有11个开关元件1-11，当元件1、2、3接通时，4个单元绕组串联；当元件2、3、6接通时，3个单元绕组串联；当元件1、3、4、5接通时，2个单元绕组分成两组串联后再并联(混联)；当元件6、7、8、9、10、11接通时，4个单元绕组并联；三相绕组共有33个开关元件，每相中11个开关元件的接法对应相同；
d、每相有2个单元绕组的电机，五相共有12个单元绕组，每相都工作在2个单元绕组串联，1个单元绕组独立工作和2个单元绕组并联，每相绕组有3个开关元件，五相共有15个开关元件，每相中的三个开关元件接法对应相同。
2、根据权利1所述的电动车多挡宽调速轮毂电机，其特征是：开关元件可以选用晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO，双极型功率晶闸管BJT，功率场效应晶体管MOSEFT或有机械触点的凸轮转换组合开关。
3、根据权利要求1所述的电动车多挡宽调速轮毂电机，其特征是：永磁无刷电机的多挡开关元件，若选用电子开关元件，可以把电子开关元件装在轮毂电机内部；也可以把电机的单元绕组引线从电机壳体中引出，安装在电机壳体外部的专用控制盒中。
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