CN201113736Y - 直流六相无刷电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流六相无刷电机。在电机内装有叠片铁心，铁心齿上绕有顺序均匀分布的六相绕组。六相绕组在与六相无刷控制器配合工作时，在空间产生十二角矢量旋转磁场，带动贴有稀土磁钢的转子围绕电机轴旋转输出动力。十二角矢量的每两个相邻矢量的电角度夹角为30度。本实用新型与现有产品三相无刷电机相比，力矩平稳性好，抖动和噪音小，换相脉冲电流小，效率高，磁性材料节省。本实用新型特别适用于各种电动汽车、电动游览车、电动摩托车的驱动应用和大功率低速直驱风力发电机应用。

Description

直流六相无刷电机

所属技术领域

本发明涉及一种直流六相无刷电机。(以下简称为本电机)

本电机所采用的技术属于机械、电机设计制造技术领域。本电机特别适用于高、中、低速调速驱动方面的应用，尤其适用于各种型式的以蓄电池和燃料电池为动力的电动车辆的驱动应用，如电动汽车、电动游览车、电动摩托车、电动自行车和电动轮椅车等。本实用新型可以显著改善驱动用直流无刷电机的运行性能，提高效率，在各种电动车辆的驱动应用中节省蓄电池电源消耗。其应用分类属于电动车辆的驱动技术。本电机还特别适用于低速直驱风力发电机机组配套作为发电机应用。

背景技术

本实用新型其主要相关技术为：

以蓄电池或其他类似直流电源为能源，用于电动车辆驱动的电机分为有刷电机和无刷电机2类。其中有刷电机又分为串励有刷电机和永磁有刷电机2种。而无刷电机一般均采用三相六状态“两两通电”的一种形式。有刷和无刷2类电机各有优缺点。近几年来，由于无刷电机控制技术的进步和所用的功率电子器件性能的改善，以及无刷电机所固有的无磨损、基本免维护的特点，无刷电机主要是三相无刷电机得到了较快的发展，在市场上的占有率逐步提高。

目前电动车行业中采用现有技术的直流三相无刷电机，由于全部采用“两两通电”的三相六状态工作方式，所以每相绕组的通电“电角度”都是120度。也就是在半个周期的180度电角度内(一个周期是360度电角度)，有120度通电，从电源接受能量，另外60度不通电，绕组不工作。由于无刷电机从原理上规定了电机电枢波形要求是梯形波或方波，对于三相六状态“两两通电”的无刷电机，就要求电机电枢相电势波形的顶部平台宽度不能小于120度。如果平台宽度小于120度，则在通电持续的时间内，以及在电流换相的时刻，相电压波形就要发生降落和塌陷，也就是电势波形的瞬时值降低。由于此时的电机电势与电源(蓄电池)电压的差距增大，电机电流的瞬时值将急骤上升，引起电机工作电流和电机力矩的大幅度脉动。直接导致电机的损耗增加、力矩抖动、电机运转的噪音增大等明显的负面效果。

无论此种电机的内部结构是采用隐极式斜槽跨多齿绕组，还是采用显极式直槽跨单齿绕组，电机相电压波形平顶部位的理论宽度都只有120度。虽然在理论上是可以满足“平台换相”的要求，但是由于槽口宽度的存在和磁极漏磁等因素的影响，相电势波形的平顶部位宽度全部都小于120度。据实测，多数电机只是在100-110度范围内，设计和制造差一些的电机，“平台宽度”还不到此数。做得最好的电机也只能是接近而不能达到120度。依据以上分析，现有三相无刷电机的换相时刻均落在相电势波形的斜坡位置，不能满足“平台换相”的要求。此时相电势的瞬时值与电源电压的差距增大，引起换相时刻的冲击电流加大，电机的力矩抖动、噪音增大，效率降低，控制器的功率电子器件以及蓄电池的负担加重，对无刷电机系统的安全稳定运行不利，也降低电动车辆的乘坐舒适性。这是目前在电动车驱动领域中三相无刷电机普遍存在的问题，是难以消除的原理性的缺陷。

发明内容

本实用新型“直流六相无刷电机”的目的是提供一种能消除现有三相无刷电机由于原理性缺陷所引起的力矩抖动、噪音较大和控制器功率电子器件负担加重等不利因素，使性能和品质得到显著提高的新型驱动电机。

本实用新型“直流六相无刷电机”的构成和原理为：(见附图1)

在硅钢片叠片铁心1上冲有槽齿2，围绕每个槽齿分别绕有A，B，C，D，E，F六相线圈3，各相线圈的排列布置及其绕线方向按照所设计的一定规律，并如附图1所示。以上六相绕组可以连接成两个错开30度电角度的三相系统。叠片铁芯和线圈与心轴4一起构成电机的定子。在定子的外围套有低碳钢筒体5，在筒体5的内圆表面粘贴固定有稀土磁钢6。稀土磁钢按照N极向内和S极向内交替分布排列，磁钢的数量按照设计的极数。稀土磁钢的内表面与定子冲片的外圆表面保持一定距离作为空气间隙。低碳钢筒体5起到支承磁钢的作用，也是磁极磁路的磁轭，并且也作为电机的外壳。筒体5与电机端盖相连结，端盖通过滚动轴承安装在心轴4上。因此，端盖连同筒体5和磁钢6成为电机的转子，可以围绕心轴旋转，也就是围绕电机定子旋转。这样就构成了心轴和定子不转动而磁场和外壳旋转的轮毂电机。在电机的外壳上安装轮辋(或者通过辐条安装轮辋)，在轮辋上安装轮胎，电机通电旋转时就可以驱动车辆前进。

在与无位置传感器的六相无刷控制器配套工作时，本电机不需要装设霍尔位置传感器或其他任何形式的位置传感器。在与需要位置传感器的六相无刷控制器配套工作时，需要在本电机内的定子齿部按照120度电角度或60度电角度的间距，装设3个(或者也可以是6个)霍尔位置传感器。

本电机也可以按照常规电机结构的形式，做成外定子、内转子的方式。在环形定子冲片的内圆冲有齿和槽，在槽内按照设计绕制六相绕组。低碳钢制作的磁轭钢芯固定在转轴上，钢芯外表贴有稀土磁钢。叠片铁芯1的内圆面与磁钢的外圆面保留有空气间隙。如果需要，在定子齿部可以安装霍尔位置传感器。定子铁芯固定在电机外壳中，外壳设有底脚或法兰盘以便安装固定。转轴连同磁钢和钢芯成为电机转子，通过轴承与端盖，由电机外壳支承。在与专用六相控制器配套和绕组通电以后，电机转子旋转并通过转轴对外输出动力。本电机采用常规结构时也可以做成有或无位置传感器的两种形式。

在本电机专用六相无刷控制器的配合和控制下，通过控制器六相桥式电路12个桥臂的功率电子开关器件的控制，电机绕组通入六相电流。按照通电的顺序和连接电源的极性，依次为：A+，D+，C-，F-，B+，E+，A-，D-，C+，F+，B-，E-，因此本电机的六相绕组及其通电的极性所产生的磁场，形成了空间分布的十二角矢量旋转磁场。每相邻两个矢量的夹角是30度电角度，如附图2所示。每相绕组通电的持续时间是120度电角度。

按照附图1电机绕组的形态和分布规律，通过简单的分析可以知道，本电机各相的相电压波形是梯形波或方波，波形的平顶部分的理论宽度是150度电角度。按照前面的分析，由于槽口宽度的存在和磁极漏磁现象的影响，本电机相电压波形平顶部分的实际宽度会小于150度电角度，约在140度电角度左右。但是本电机的相电流通电持续时间是120度电角度，比相电压平顶部分的宽度要小很多。在换相时刻控制准确的前提条件下，(这是容易满足的)可以充分地确保每相的整个通电周期和其起、止时刻(也就是控制器的换相时刻)都保持在波形的平顶部位，充分确保实现“平台换相”。且对换相时刻和霍尔元件位置误差的敏感性大大降低，在换相过程中和通电周期中几乎没有电流冲击，电机和控制器的损耗降低，效率提高，还可以不需要控制器进行波形修正。

由于本六相电机的波形平台宽度与120度通电电角度的要求值相比有较多富裕，因此可以在设计中把波形平台宽度减小到满足要求为止即可，更大的宽度是不必要的。为此可以减小磁极的极弧系数，减小磁极的宽度而不影响电机的性能。因而可以节省20％左右的稀土磁性材料。极弧系数减小以后，铁芯中磁通的无效部分减少，损耗随之减小。经过优化，电机效率还可因此而提高。极弧系数减小以后，磁钢的漏磁系数减小，磁钢材料的利用率提高。

本电机采用的六相12状态系统与传统的三相6状态系统相比，在两个三相系统的其中一个换相时，另一个正处于稳定工作的中心时段，是力矩最平稳的位置。电机的换相频率增大一倍，而每次换相的电流和力矩变化大大降低。通过电机和全车的惯性系统滤波，由于频率加倍和脉动幅度锐减的双重因素，电机的力矩抖动几近消失，噪音大大减小。在试验台试验和道路试验中，本电机的优良表现完全证实了这一点。

虽然本电机的换相频率增大了一倍，但专用控制器两个三相桥的12个桥臂换相频率保持不变，工作负担和损耗并未增加。控制器桥臂总数虽然增加一倍，但每个桥臂只承担原来电流的一半。对于功率在600W以上的电动摩托车和功率在2000W以上的电动汽车电机应用场合，每个桥臂的并联功率元件数减半，功率管总数保持不变。并联功率管之间的电流分配不均问题减轻或消失。由于桥臂脉冲电流的显著减小，电源电流更加平稳，控制器的损耗和干扰水平均可显著降低，控制器的工作更加稳定可靠。

由于本电机的六相十二状态系统与传统的三相六状态系统相比，在功率相同的情况下，任何工作条件时大电流换相脉冲的幅度均可降低一半以上到70％，工作电流更加平稳，还可以延长蓄电池寿命。对于电流在20A以上的12管控制器和功率在600W以上的电摩电机，尤其是对于功率为2-100千瓦的电动汽车和电动游览车电机来说，采用六相无刷电机驱动系统明显是更合理的。

本电机采用单齿绕组和分布磁极结构时，适合于做成低速多极大功率六相发电机，特别适应在低速直驱风力发电机的应用。与现有风力发电机组的低速直驱永磁同步发电机相比，在功率200到3000千瓦范围内，发电机体积减小40％左右，重量和成本减少50％左右，发电机的转速和电压适应性更好，运行性能更优良，因此具有重大的经济价值。由于大功率发电机尺寸和重量的显著降低，给设备运输和起吊安装带来很大的便利。也可以在指定的尺寸、重量等运输安装条件下，设计制造功率更大的低速直驱风力发电机。

附图说明

图1是本电机的横断面和六相线圈分布图。

图2为本电机六相绕组的十二角矢量图

在图1中的硅钢片叠片铁心1固定在轴4上，在叠片铁心1的齿2上绕有线圈3。在本电机的外围有通过轴承支持的低碳钢筒型转子5，筒型转子的内表面粘贴安装有磁钢6，磁钢6按照N极和S极的极性交替分布。线圈3按照空间分布位置连接成均布的六相绕组，相邻两个线圈的电角度夹角是150度。

在图2中表示六相绕组的磁势矢量分布。六相绕组A、B、C、D、E、F按照正向和反向绕法，可以形成A+、D+、C-、F-、B+、E+、A-、D-、C+、F+、B-、E-共12个矢量，每相邻两个矢量形成30度电角度的夹角，在配套的六相无刷控制器的控制和供电下产生旋转磁场，带动电机的转子旋转和作功。

具体实施方式

本电机可以制成电枢固定、外壳旋转的轮毂电机，直接驱动车轮前进。在图1的示例中，将轴4固定安装于车架，将车轮安装于旋转的电机外壳筒型转子5，不需要任何传动装置，在电机工作时就可以驱动车辆行驶。如果将轴固定安装，用外部动力(如风力发电机组的风轮或内燃机)来带动筒型转子5，本电机就可以向外部负载提供电力。

Claims (4)

1. 直流六相无刷电机，其特征是：直流无刷永磁电机的绕组具有六相线圈并在空间顺序均匀分布。

2. 根据权利要求1所述的直流六相无刷电机，其特征是该电机六相线圈的磁势在空间形成十二角矢量，每相邻两个矢量之间的夹角是30度。

3. 根据权利要求1所述的直流六相无刷电机，其特征是该电机的结构形式可以是内电枢外磁场，也可以是外电枢内磁场，电枢是电机的定子，装有永磁体的磁场是电机的转子。

4. 根据权利要求1所述的直流六相无刷电机，其特征是该电机作为电动机以直流电为电源，通过与六相控制器配合工作向外输出机械功率，或作为发电机被原动机拖动，通过六相整流器向外输出电功率。

Images