本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)，具體涉及一種電動(dòng)車(chē)用單繞組、雙額定轉(zhuǎn)速的永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)行的電動(dòng)車(chē)上使用的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置絕大多數(shù)是直驅(qū)式，動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出，經(jīng)過(guò)差速器(也叫變速箱)減速后直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)前輪轂或后輪轂行駛，行駛速度的快慢是靠調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而電機(jī)的調(diào)速，則是靠與電機(jī)相連的電控裝置(即控制器)通過(guò)控制輸入電機(jī)的電源電壓或頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。任何一臺(tái)電動(dòng)車(chē)，在同等電池容量的前提下，延長(zhǎng)續(xù)航里程的唯一辦法就是要節(jié)能，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的平均效率。電機(jī)效率是電機(jī)最重的要參數(shù)，一般所指的電機(jī)效率是電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的最高效率點(diǎn)的效率，正常情況下，電機(jī)的最高效率點(diǎn)就是電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，對(duì)于調(diào)速電機(jī)，它的轉(zhuǎn)速范圍可以從0到額定轉(zhuǎn)速，再?gòu)念~定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，電機(jī)不論是低于額定轉(zhuǎn)速還是高于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，電機(jī)的效率都不會(huì)是最高的，電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速相差的數(shù)值越大，運(yùn)行效率越低。電動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中，行駛速度有快有慢，由于是直驅(qū)式，行駛速度取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速也會(huì)有快有慢，電機(jī)不可能都在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)運(yùn)行，所以，電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均運(yùn)行效率總是會(huì)低于電機(jī)的額定效率，而且比額定效率低很多，要延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程，提高電機(jī)的平均運(yùn)行效率，就需要增大電機(jī)的高效率運(yùn)行區(qū)間，減少低效率運(yùn)行區(qū)間。如何提高電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均運(yùn)行效率，是從事電機(jī)研究工作者的一大課題。下面，從另一層面來(lái)考察直驅(qū)式電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行工況：眾所周知，電動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭力是隨行駛工況的變化而不斷變化的，當(dāng)輕載或平整路面或下坡時(shí)，電動(dòng)車(chē)所需扭力小，當(dāng)重載或上坡時(shí)，電動(dòng)車(chē)所需扭力大，在電機(jī)輸出功率不變的前提下，電機(jī)的輸出扭力與轉(zhuǎn)速成反比，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，扭力越小，轉(zhuǎn)速越低，扭力越大，對(duì)于直驅(qū)式電動(dòng)車(chē)，當(dāng)電動(dòng)車(chē)需要大扭力時(shí)，電機(jī)輸出大扭力的途徑一是加大電流，增大輸入功率，二是壓縮電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。加大電流和壓縮電機(jī)轉(zhuǎn)速都會(huì)是使電機(jī)處于過(guò)載狀態(tài)，處于過(guò)載狀態(tài)的電機(jī)一般運(yùn)行在低效率區(qū)間，效率低，易發(fā)熱，溫升高，最后的結(jié)果是既浪費(fèi)能源，又縮短了電機(jī)的使用壽命。為了獲得在爬坡、加速、重載時(shí)的大扭力，一般的電動(dòng)車(chē)制造商都是選擇加大電機(jī)和控制器功率的方法，比如，在平路上載正常負(fù)荷只需15kw的電機(jī)和控制器就可滿(mǎn)足要求的電動(dòng)車(chē)，在考慮要同時(shí)滿(mǎn)足爬坡、重載時(shí)就可能選擇30kw的電機(jī)和控制器，這樣以來(lái)，電動(dòng)車(chē)在正常負(fù)荷行駛平路的情況下，就會(huì)形成一種大馬拉小車(chē)的狀況，浪費(fèi)資源。對(duì)于直驅(qū)式電動(dòng)車(chē)，如何讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)在高效率運(yùn)行的情況下獲得大扭力輸出，也是電機(jī)研究工作者的一大課題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對(duì)永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)行駛時(shí)，怎樣才能提高它的平均運(yùn)行效率，在電動(dòng)車(chē)重載、爬坡時(shí)，如何使電機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)間獲得大扭力，避免電機(jī)發(fā)熱，保證電機(jī)在正常的溫升下運(yùn)行，提供一種技術(shù)方案，以達(dá)到更節(jié)能，增大電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命的目的。本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是：電動(dòng)車(chē)用單繞組雙速永磁電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子及設(shè)置在定子槽內(nèi)的定子繞組，特點(diǎn)是：定子繞組的頭線(xiàn)和尾線(xiàn)抽出作為相線(xiàn)，所述的相線(xiàn)借助三相切換開(kāi)關(guān)連接為星形連接和角形連接并通過(guò)三相切換開(kāi)關(guān)在星形連接和角形連接之間切換，所述的位置信息傳感器設(shè)置有兩組且兩組之間間隔30°電角度安裝。所述的位置信息傳感器為霍爾線(xiàn)路板或旋變編碼器，所述的兩組位置信息傳感器，一組位于定子繞組星接時(shí)的檢測(cè)位，一組位于定子繞組角接時(shí)的檢測(cè)位，兩組位置信息傳感器的信號(hào)線(xiàn)通過(guò)傳感器切換開(kāi)關(guān)連接有控制線(xiàn)路板，所述的傳感器切換開(kāi)關(guān)與三相切換開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)；所述的三相切換開(kāi)關(guān)將定子繞組接為星形連接時(shí)，傳感器切換開(kāi)關(guān)接入位于星接時(shí)檢測(cè)位的位置信息傳感器；所述的三相切換開(kāi)關(guān)將定子繞組接為角形連接時(shí)，傳感器切換開(kāi)關(guān)接入位于角接時(shí)檢測(cè)位的位置信息傳感器。所述的單繞組雙速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼為內(nèi)置式、氣隙磁場(chǎng)為理想正弦波，轉(zhuǎn)子磁極為凸極極靴結(jié)構(gòu)，凸極極靴外緣線(xiàn)與定子齒內(nèi)緣組成的氣隙，其氣隙長(zhǎng)度δ符合δ＝k/sina，式中k是常量、a為位置角。本發(fā)明的有益效果是：1、本技術(shù)方案中，解決了永磁電機(jī)由于星接繞組和角接繞組電流換相時(shí)轉(zhuǎn)子的最佳位置存在30°電角度差異，繞組的連接方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)星、角接切換，即：無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)單繞組以星、角接切換方式獲得兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。2、本技術(shù)方案中，解決了絕大多數(shù)永磁電機(jī)由于反電動(dòng)勢(shì)中大量存在3次和3的倍數(shù)次諧波，定子繞組的連接方式只可以星接、不可以角接，即：無(wú)法實(shí)現(xiàn)以角接的方式來(lái)獲得高額定轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。附圖說(shuō)明圖1是轉(zhuǎn)子理想正弦波氣隙磁場(chǎng)鐵芯沖片圖圖2是單繞組雙速電機(jī)的運(yùn)行模式切換連接圖圖3是單繞組雙速電機(jī)的轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)圖圖4是普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)圖附圖中：1、氣隙，2、轉(zhuǎn)子極靴，3、磁鋼，4、定子繞組，5、控制線(xiàn)路板，6、三相切換開(kāi)關(guān)，7、傳感器切換開(kāi)關(guān)，8、相線(xiàn)切換開(kāi)關(guān)與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)控制板，9、位置信息傳感器。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：電動(dòng)車(chē)用單繞組雙速永磁電機(jī)內(nèi)部包括定子繞組4，轉(zhuǎn)子理想正弦波氣隙1，轉(zhuǎn)子極靴2、轉(zhuǎn)子磁鋼3，定子繞組4的六根相線(xiàn)u1、v1、w1、u2、v2、w2與控制器5，三相切換開(kāi)關(guān)6連接，雙速永磁電機(jī)的兩路位置信息傳感器9的信號(hào)線(xiàn)與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換開(kāi)關(guān)7連接，通過(guò)相線(xiàn)切換開(kāi)關(guān)與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換開(kāi)關(guān)控制板8實(shí)現(xiàn)三相切換開(kāi)關(guān)6與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換開(kāi)關(guān)7聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高、低速模式的切換運(yùn)行，進(jìn)而獲得高、低兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速。所述的位置信息傳感器為霍爾線(xiàn)路板或旋變編碼器，所述的兩組位置信息傳感器，一組位于定子繞組星接時(shí)的檢測(cè)位，一組位于定子繞組角接時(shí)的檢測(cè)位，兩組位置信息傳感器的信號(hào)線(xiàn)通過(guò)傳感器切換開(kāi)關(guān)連接有控制線(xiàn)路板5，所述的傳感器控制開(kāi)關(guān)與三相切換開(kāi)關(guān)6聯(lián)動(dòng)；相線(xiàn)切換開(kāi)關(guān)與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換開(kāi)關(guān)控制板8采用單片機(jī)或其他成熟硬件驅(qū)動(dòng)，借助控制線(xiàn)路板5驅(qū)動(dòng)執(zhí)行操作，所述操作的流程為：所述的三相切換開(kāi)關(guān)6將定子繞組4接為星形連接時(shí)，傳感器切換開(kāi)關(guān)接入位于星接時(shí)檢測(cè)位的位置信息傳感器9；所述的三相切換開(kāi)關(guān)6將定子繞組4接為角形連接時(shí)，傳感器切換開(kāi)關(guān)接入位于角接時(shí)檢測(cè)位的位置信息傳感器9。具體接入方式參考圖3所示轉(zhuǎn)速。根據(jù)圖4普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)特性圖，電機(jī)的最高效率點(diǎn)就是電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，既然最高效率點(diǎn)就是電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，那么電機(jī)運(yùn)行的高效率區(qū)間當(dāng)然就是額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)前后的區(qū)間，我們可以在電機(jī)的調(diào)速范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速，在本發(fā)明中，我們就是利用電機(jī)繞組相線(xiàn)星、角接的不同連接方式的切換實(shí)現(xiàn)所謂的雙速。兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速一個(gè)在高速區(qū)，一個(gè)在低速區(qū)，當(dāng)電機(jī)角接運(yùn)行在高速區(qū)域時(shí)，電機(jī)效率處于高效率區(qū)間，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在星接低速區(qū)域時(shí)，電機(jī)效率也處于高效率區(qū)間。這樣，它可以同時(shí)解決電動(dòng)車(chē)低速行駛時(shí)效率低，電動(dòng)車(chē)重載、爬坡時(shí)要靠增大電流、壓縮電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)獲得大扭力，從而導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱、溫升高的問(wèn)題。本發(fā)明中，實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)單繞組通過(guò)星、角接切換實(shí)現(xiàn)兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速的技術(shù)方案關(guān)鍵技術(shù)是：第一，永磁電機(jī)的星接繞組與角接繞組的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的最佳位置相差30°電角度，采用同一個(gè)霍爾線(xiàn)路板或旋變編碼器，電機(jī)在星接和角接不同模式運(yùn)行不可以共用，本方案采用兩個(gè)安裝位置相差30°電角度的霍爾線(xiàn)路板或旋變編碼器，分別對(duì)應(yīng)星接和角接的最佳位置，以此得到的星接位置信號(hào)和角接位置信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)切換開(kāi)關(guān)7與相線(xiàn)星、角接切換開(kāi)關(guān)6聯(lián)動(dòng)，分別匹配于電機(jī)星接運(yùn)行與角接運(yùn)行，獲得兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速；第二，通常永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)大多數(shù)是等氣隙長(zhǎng)度的方波磁場(chǎng)，這種方波磁場(chǎng)感應(yīng)的繞組相電動(dòng)勢(shì)也為方波，由于方波反電動(dòng)勢(shì)中含有大量3次和3的倍數(shù)次諧波，定子繞組的連接方式只可以采用星接，如果采用角接，則3次和3的倍數(shù)次諧波電動(dòng)勢(shì)會(huì)在角接的閉路環(huán)形中產(chǎn)生環(huán)流，使銅損增加，電機(jī)發(fā)熱，溫升提高，效率降低，本方案的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用內(nèi)置磁鋼3，凸極轉(zhuǎn)子極靴2，轉(zhuǎn)子氣隙長(zhǎng)度δ符合δ＝k/sina、式中k是常量、a是位置角的理想正弦波氣隙1，這種理想正弦波氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)的繞組相電動(dòng)勢(shì)也為理想正弦波，3次以上的奇次諧波含量極低，電機(jī)繞組無(wú)論角接還是星接運(yùn)行，對(duì)電機(jī)的性能沒(méi)有影響，因而可以用星、角接切換的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙速。采用一個(gè)繞組，利用星接和角接的運(yùn)行模式切換，獲得星接時(shí)的低額定轉(zhuǎn)速、角接時(shí)的高額定轉(zhuǎn)速，低額定轉(zhuǎn)速與高額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速之比為0.577、輸出轉(zhuǎn)矩之比為1.732，即：星接額定轉(zhuǎn)速是角接額定轉(zhuǎn)速的0.577倍，星接輸出轉(zhuǎn)矩是角接輸出轉(zhuǎn)矩的1.732倍。下面，將按上述方案制作的雙速無(wú)刷直流電機(jī)與普通無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行對(duì)比：圖3是雙速無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)圖，特征點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際測(cè)試的參數(shù)見(jiàn)下表。設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)際測(cè)試參數(shù)圖4是普通無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)圖，特征點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際測(cè)試的參數(shù)見(jiàn)下表。設(shè)計(jì)參數(shù)額定功率kw額定轉(zhuǎn)速r/min額定效率％峰值轉(zhuǎn)矩n.m堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩n.m5.0400091.023.865實(shí)際測(cè)試參數(shù)額定功率kw額定轉(zhuǎn)速r/min額定效率％峰值轉(zhuǎn)矩n.m堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩n.m5.0408091.323.664通過(guò)圖3和圖4的對(duì)比分析，可以看出，雙速電機(jī)有兩個(gè)最高效率點(diǎn)，一個(gè)高速額定點(diǎn)，效率90％，一個(gè)低速額定點(diǎn)，效率91.5％，普通電機(jī)只有一個(gè)效率最高點(diǎn)，額定點(diǎn)效率91.3％。雙速電機(jī)的高效率區(qū)間遠(yuǎn)大于普通電機(jī)的高效率區(qū)間，在0——空載轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，雙速電機(jī)的平均運(yùn)行效率是74.4％，普通電機(jī)的平均運(yùn)行效率是64％，雙速電機(jī)比普通電機(jī)大10.5％。雙速電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩比普通電機(jī)大1.732倍。因此，采用單繞組雙速電機(jī)的技術(shù)方案完全可以解決電動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中提高平均運(yùn)行效率，獲得更大扭力輸出，避免電機(jī)發(fā)熱，達(dá)到更節(jié)能，延長(zhǎng)續(xù)航里程的目的。本發(fā)明的無(wú)刷直流雙速電機(jī)和永磁同步雙速電機(jī)樣機(jī)經(jīng)測(cè)試，完全達(dá)到預(yù)想的效果。本發(fā)明與現(xiàn)有的普通電機(jī)相比所產(chǎn)生的有益效果如下：(1)解決了電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛過(guò)程中平均運(yùn)行效率低下的問(wèn)題，提高了電機(jī)的平均運(yùn)行效率，節(jié)約了電能，延長(zhǎng)了電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程，具有廣闊的應(yīng)用前景。(2)解決了電動(dòng)車(chē)在重載、爬坡需要大扭力的問(wèn)題，避免了普通電機(jī)在重載、爬坡時(shí)電機(jī)運(yùn)行效率低下，易發(fā)熱、溫升高，使用壽命短的缺陷。當(dāng)前第1頁(yè)12