CN204681224U - 一种三相永磁无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三相永磁无刷电动机，包括安装在壳体内的转子永磁钢体和定子铁芯，所述定子铁芯上安装有三相绕组，所述永磁钢体上设置有用于安装每一相所述绕组的齿和槽，还包括一切换电路，所述三相绕组中的每一相绕组均包括与所述切换电路相连接的主绕组和副绕组，所述切换电路切换副绕组是否投入运行实现改变电机的电势系数和力矩系数。本实用新型提供的三相永磁无刷电动机的有益效果为：由一组三相单刀双掷型接点开关切换主绕线与副绕线,使电动机能在不同运行速度,不同负载条件,得到比较于单一绕组更佳的低速高扭力及高效率输出特性。

Description

一种三相永磁无刷电动机

技术领域

本实用新型涉及双速永磁无刷电动机，更具体地说，涉及一种具有主副绕组的三相永磁伺服电动机，该电动机适用于电动滑板车、电动自行车、电动摩托车等应用。

背景技术

在电流不变的情况下，为了使电机低速时能够输出大的力矩，必须通过增加每相绕组匝数来提高力矩系数。但是，力矩系数大的电机，其最高转速就低，常常无法满足最高转速的要求。输出大的力矩就不能输出大的转速，这是电机设计中不可调和的矛盾。

解决上述矛盾的方法有两种：

(1)通过超前角控制方法，采用驱动控制的方法来扩展转速范围。这种方法的本质是，利用电流来影响转子磁场，产生类似的弱磁升速的效果。这种方法的缺点是，弱磁需要消耗能量，电机电流增大，导致电机和驱动器发热，电机效率变低。这种方法只能在发热和效率要求不高，转速扩展范围不大的场合采用。

(2)采用双绕组甚至更多绕组的电机，通过继电器或手动开关，改变和切换绕组匝数的多少来改变电机的电势系数和力矩系数，电势系数与转速成正比，同时与匝数成正比。当然电势系数也与力矩系数成正比，因此匝数也正比于力矩。这种方法的缺点是，电机的引出线成倍增加，继电器的接点或手动开关的数量很多，电机制造工艺复杂，生产成本高，特别是切换过程的可靠性和电磁兼容很成问题。因此该方法几乎没有实用性。20～30年前，在两相交流异步电机的有极调速中，曾经广泛地采用改变副绕组匝数来调速的方法，但其原理完全不同，它是通过调整两相绕组不对称来调速的。由于该方法只需要单刀开关，多一种转速多一根引出线，非常方便，因此被广泛应用。

实用新型内容

本实用新型采用具有主副绕组的三相永磁伺服电动机，通过继电器切换副绕组是否投入运行的方法，改变电机的电势系数和力矩系数。主副绕组同时投入运行为低速大力矩模式，主绕组投入运行为高速小力矩模式。

按照本实用新型提供的一种三相永磁无刷电动机采用的主要技术方案为：包括安装在壳体内的转子永磁钢体和定子铁芯，所述定子铁芯上安装有三相绕组，所述定子铁芯上设置有用于安装每一相所述绕组的齿和槽，还包括一切换电路，所述三相绕组中的每一相绕组均包括与所述切换电路相连接的主绕组和副绕组，所述切换电路切换副绕组是否投入运行实现改变电机的电势系数和力矩系数。

本实用新型提供的三相永磁无刷电动机还可具有如下附属技术特征：

安装每一相所述绕组的齿和槽的数量均为2Nx3个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组安装在2N的所述齿和槽上，每相所述绕组由N个所述主绕组和N个所述副绕组构成，主绕组的匝数K1，副绕组匝数K2。

所述主绕组和所述副绕组为沿所述定子铁芯圆周方向间隔设置，所述主绕组和所述副绕组为主副的顺序间隔设置。

安装每一相所述绕组的齿和槽的数量为2N个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组由2N个所述主绕组和2N个所述副绕组构成，所述主绕组的匝数为K1，所述副绕组匝数为K2。

所述主绕组安装在偶数的所述齿上，所述副绕组安装在偶数的所述齿的外层。

安装每一相所述绕组的齿和槽的数量为2N个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组由2N个所述主绕组和2N个所述副绕组构成，所述主绕组和所述副绕组同时装绕在偶数的所述齿上。

所述主绕组和所述副绕组的匝数相同，即所述主绕组的匝数K1等于所述副绕组匝数K2。

三相所述绕组中的主绕组和副绕组形成Y型连接，引出所述主绕组的首端U1、V1、W1和副绕组的首端U2、V2、W2，再按主、副绕组反电势迭加方式将主绕组的首端U1、V1、W1分别与副绕组的尾端U20、V20、W20串联。

所述切换电路包括控制器以及与所述控制器相连接的继电器，所述继电器与所述主绕组和副绕组相连接。

当所述继电器的输入端分别切换到与副绕组的首端U2、V2、W2相联时，所述继电器的输出U、V、W形成所述主绕组和所述副绕组串联的Y型连接，此时每相所述绕组的总匝数为K1+K2；当所述继电器的输入端分别切换到与所述主绕组的首端U1、V1、W1相联时，此时所述副绕组为开路，所述继电器的输出U、V、W形成的所述主绕组的Y型连接，此时每相所述绕组总匝数为K1。

采用本实用新型提供的三相永磁无刷电动机带来的有益效果为：

(1)仅仅需要一个3刀2掷开关的继电器。与传统方法比较开关数量减少一半。

(2)三相永磁伺服电动机的引出线从3根仅仅增加到6根。与传统方法比较引出线数量减少一半。

(3)主、副绕组与3种不同的布置方法，可以满足不同的需要。

(4)通过继电器切换时序，可以解决可靠性和电磁兼容问题。

简化了结构和制造工艺。本实用新型通过继电器切换，主副绕组同时投入实现低速大力矩运行模式，主绕组投入实现高速小力矩运行模式。两种模式正好非常适合于电动滑板车、电动自行车、电动摩托车等应用。每相绕组各有主绕组,副绕组,并可采用集中绕组,分散绕组,并绕等方式排列绕线.主绕组的匝数K1，副绕组匝数K2。并由一组三相单刀双掷型接点开关切换主绕线与副绕线,使电动机能在不同运行速度,不同负载条件,得到比较于单一绕组更佳的低速高扭力及高效率输出特性。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的电路原理图。

图2为本实用新型实施例二的电路原理图。

图3为本实用新型实施例三的电路原理图。

图4为本实用新型的结构图。

图5为本实用新型实施例一的结构图。

图6为本实用新型实施例二的结构图。

图7为本实用新型实施例三的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详述：

如图1至图7所示，按照本实用新型提供的一种三相永磁无刷电动机的实施例，包括安装在壳体内的转子永磁钢体和定子铁芯，所述定子铁芯上安装有三相绕组U、V、W，所述定子铁芯上设置有用于安装每一相所述绕组的齿2和槽3，还包括一切换电路1，所述三相绕组中的每一相绕组均包括与所述切换电路1相连接的主绕组和副绕组，所述切换电路切换副绕组是否投入运行实现改变电机的电势系数和力矩系数。采用具有主副绕组的三相永磁伺服电动机，通过继电器切换副绕组是否投入运行，改变电机的电势系数和力矩系数。主副绕组同时投入运行为低速大力矩模式，主绕组投入运行为高速小力矩模式，两种模式正好非常适合于电动滑板车、电动自行车、电动摩托车等应用。

参见图1和图5，按照本实用新型提供的三相永磁无刷电动机的实施例一，安装每一相所述绕组的齿2和槽3的数量各为2Nx3个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组安装在偶数的所述齿2上，每相所述绕组由N个所述主绕组和N个所述副绕组构成，主绕组的匝数K1，副绕组匝数K2，所述主绕组和所述副绕组为沿所述定子铁芯圆周方向间隔设置，所述主绕组和所述副绕组为主副的顺序间隔设置。

参见图2和图6，按照本实用新型提供的三相永磁无刷电动机的实施例二，安装每一相所述绕组的齿2和槽3的数量各为2Nx3个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组由2N个所述主绕组和2N个所述副绕组构成，所述主绕组的匝数为K1，所述副绕组匝数为K2，所述主绕组安装在偶数的所述齿上，所述副绕组安装在偶数的所述齿的外层。

参见图3和图7，按照本实用新型提供的三相永磁无刷电动机的实施例三，安装每一相所述绕组的齿2和槽3的数量各为2Nx3个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组由2N个所述主绕组和2N个所述副绕组构成，所述主绕组和所述副绕组同时装绕在偶数的所述齿上，所述主绕组和所述副绕组的匝数相同，即所述主绕组的匝数K1等于所述副绕组匝数K2。

通过本实用新型提供三相永磁无刷电动机的主副绕组的上述3种不同的布置方法，可以满足多种需要。其中附图4至附图6中齿2和槽3上的数字为齿或槽的标号，图中仅示出了编号的举例，并不是对齿和槽的编号方式进行限定。

参见图1至图7，按照本实用新型提供的三相永磁无刷电动机的实施例三相所述绕组中的主绕组和副绕组形成Y型连接，引出所述主绕组的首端U1、V1、W1和副绕组的首端U2、V2、W2，再按主、副绕组反电势迭加方式将主绕组的首端U1、V1、W1分别与副绕组的尾端U20、V20、W20串联，所述切换电路1包括控制器11以及与所述控制器相连接的继电器12，所述继电器12与所述主绕组和副绕组相连接，当所述继电器12的输入端分别切换到与副绕组的首端U2、V2、W2相联时，由于主、副绕组是串联的，所述继电器的输出U、V、W形成所述主绕组和所述副绕组串联的Y型连接，此时每相所述绕组的总匝数为K1+K2；当所述继电器的输入端分别切换到与所述主绕组的首端U1、V1、W1相联时，此时所述副绕组为开路，所述继电器的输出U、V、W形成的所述主绕组的Y型连接，此时每相所述绕组总匝数为K1。由于电机转速与匝数成反比，如果每相总匝数从K1+K2，减少到K1，电机转速会提高到，(K1+K2)/K1。显然多匝数为电动机高速状态，少匝数为电动机高速状态，两种模式正好非常适合于电动滑板车、电动自行车、电动摩托车等应用。仅仅需要一个3刀2掷开关的继电器。与传统方法比较开关数量减少一半；三相永磁伺服电动机的引出线从3根仅仅增加到6根。与传统方法比较引出线数量减少一半。

工作原理：

本实用新型的继电器采用采用单刀双掷开关，控制器通过采用单刀双掷开关与的三相永磁无刷电动机的绕组U、V、W相联，通过改变单刀双掷继电器的状态来切换电机的高转速和低转速运行状态；在上述切换过程中，首先停止对电动机通电，再改变单刀双掷继电器状态，延时△t＝2～20ms，待继电器切换过程稳定后再恢复对电动机通电。

控制器根据电动机当前转速自动切换单刀双掷继电器的状态，自动切换到(K1+K2)多匝数为电动机的高速状态，自动切换到K1少匝数为电动机高速状态。如果电动机的转速范围是M，自动切换点的转速是M/(1+K2/K1)。

控制器在从低速状态切换到高速时，为了防止电机突然加速，需要改变速度增益；如果低速状态驱动控制器速度增益是H1，那么切换到高速时的驱动控制器速度增益是H2＝H1/(1+K2/K1)。

在本实用新型提供的电动机的具体实施例一中，其转子铁芯上装有P＝10对永磁体，定子的齿槽中装有三相绕组，所述定子铁芯的齿、槽数均为2N×3，N＝3。于是每相绕组占有数量为2N＝6的齿2和槽3；所述每相2N＝6个集中绕组，分别装于每相偶数的齿上；而且2N＝6的绕组被分成两类，其中主、副绕组各有N＝3个。主、副绕组沿圆周按：主、副、主、副的规律相间排列。主绕组的匝数K1，副绕组匝数K2＝K1。该电机的制造工艺比较简便，由于绕组的自感与绕组的匝数的平方成正比，即与(K1)2成正比，所以该电机主绕组的自感比较大。自感比较大，意味着电机的内阻比较大。

在本实用新型提供的电动机的具体实施例二中，其转子铁芯上装有P＝10对永磁体，定子铁芯的齿、槽数均为2N×3，N＝3。每相绕组被分成两类，其中2N＝6个主绕组，2N＝6个副绕组；先将2N＝6个主绕组装于2N＝6个齿上，再将2N＝6个副绕组装于相应的2N＝6个齿的外层。主绕组的匝数K1，副绕组匝数K2＝K1。该电机需要先绕主绕组再绕副绕组，制造工艺比较复杂。由于绕组的自感与绕组的匝数的平方成正比，即与2(K1/2)2＝0.5(K1)²成正比，所以该电机主绕组的自感比较小。

在本实用新型提供的电动机的具体实施例三中，其转子铁芯上装有P＝10对永磁体，定子铁芯的齿、槽数均为2N×3，N＝3。电机每相有主、副绕组两套绕组，主、副绕组两套绕组的匝数K1＝K2，导线直径相同，采用并绕的方法；每相绕组占有数量为2N的齿2和槽3；所述每相主、副各2N集中绕组，同时装绕在2N齿上。

Claims (10)

1.一种三相永磁无刷电动机，包括安装在壳体内的转子永磁钢体和定子铁芯，所述定子铁芯上安装有三相绕组，所述定子铁芯上设置有用于安装每一相所述绕组的齿和槽，其特征在于：还包括一切换电路，所述三相绕组中的每一相绕组均包括与所述切换电路相连接的主绕组和副绕组，所述切换电路切换副绕组是否投入运行实现改变电机的电势系数和力矩系数。

2.如权利要求1所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：安装每一相所述绕组的齿和槽的数量均为2Nx3个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组安装在2N的所述齿和槽上，每相所述绕组由N个所述主绕组和N个所述副绕组构成，主绕组的匝数K1，副绕组匝数K2。

3.如权利要求2所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：所述主绕组和所述副绕组为沿所述定子铁芯圆周方向间隔设置，所述主绕组和所述副绕组为主副的顺序间隔设置。

4.如权利要求1所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：安装每一相所述绕组的齿和槽的数量为2N个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组由2N个所述主绕组和2N个所述副绕组构成，所述主绕组的匝数为K1，所述副绕组匝数为K2。

5.如权利要求4所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：所述主绕组安装在偶数的所述齿上，所述副绕组安装在偶数的所述齿的外层。

6.如权利要求1所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：安装每一相所述绕组的齿和槽的数量为2N个，N＝1、2、3……为自然数，每相所述绕组由2N个所述主绕组和2N个所述副绕组构成，所述主绕组和所述副绕组同时装绕在偶数的所述齿上。

7.如权利要求6所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：所述主绕组和所述副绕组的匝数相同，即所述主绕组的匝数K1等于所述副绕组匝数K2。

8.如权利要求1-7任一项所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：三相所述绕组中的主绕组和副绕组形成Y型连接，引出所述主绕组的首端U1、V1、W1和副绕组的首端U2、V2、W2，再按主、副绕组反电势迭加方式将主绕组的首端U1、V1、W1分别与副绕组的尾端U20、V20、W20串联。

9.如权利要求8所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：所述切换电路包括控制器以及与所述控制器相连接的继电器，所述继电器与所述主绕组和副绕组相连接。

10.如权利要求9所述的三相永磁无刷电动机，其特征在于：当所述继电器的输入端分别切换到与副绕组的首端U2、V2、W2相联时，所述继电器的输出U、V、W形成所述主绕组和所述副绕组串联的Y型连接，此时每相所述绕组的总匝数为K1+K2；当所述继电器的输入端分别切换到与所述主绕组的首端U1、V1、W1相联时，此时所述副绕组为开路，所述继电器的输出U、V、W形成所述主绕组的Y型连接，此时每相所述绕组总匝数为K1。