延長電動車續航裡程的開關磁阻電機的製作方法
2023-09-16 12:37:10
本發明涉及電力電子領域，尤其是一種延長電動車續航裡程的開關磁阻電機。
背景技術：
隨著我國經濟的不斷發展，對環境的汙染已越來越明顯，因此，節能減排不僅是客觀經濟發展的需要，更是人類生態文明發展的需要。汽車產業是國民經濟的重要支柱產業，但其尾氣的排放卻成為城市汙染的主要來源，由此帶來的能源緊張和環境汙染問題將更加突出，因此 減少汽車尾氣對城市汙染，研製新能源汽車已引起世界各國極大的重視。
電動汽車是一個能源消耗低，環境汙染小，能夠滿足大眾需求，拉動內需的新型產業。目前，世界主要汽車生產國紛紛加快部署，將發展新能源汽車作為國家戰略，加快推進技術研發和產業化，同時大力發展和推廣應用汽車節能技術。眾所周知，電動車推廣應用的關鍵在於電動車的電池，電池的優劣在很大程度上決定了電動車的續航裡程。而電動汽車受限於電池技術以及實際使用環境，其電池容量始終未能達到理想狀態，因此，在電池容量有限的前提下儘可能提高電動車的續航裡程成為電動車發展過程中的技術關鍵所在。
開關磁阻電動機是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之後發展起來的新一代無級調速系統，其具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點，尤其對於電動汽車等相關領域，開關磁阻電動機得以廣泛的運用。當前，開關磁阻電機在電動車領域裡的應用主要是作為電動車的動力驅動；然而，作為動力驅動的開關磁阻電機在運用過程中對於電池續航裡程的改進上並無幫助。另一方面，現有的開關磁阻電機在進行功率變換過程中，其難以在製造成本、工作噪音以及電流上升速度之間得以平衡，進而間接影響了電動車的使用體驗以及續航裡程。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種用於電動車運行過程中動力驅動的開關磁阻電機，其可在進行動力驅動的同時通過對於電動車電池的反充電處理以使得電動車電池的續航裡程得以改善。
為解決上述技術問題，本發明涉及一種延長電動車續航裡程的開關磁阻電機，其用於電動車的動力驅動；所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機包括有定子與轉子，定子包括有採用環形結構的定子軛，以及設置在定子軛之上的多個定子齒極，轉子之中包含有多個轉子齒極；所述定子之中，任意兩個彼此相對的定子齒極分別構成一個定子極對，每一對定子極對分別連接有勵磁繞組；所述定子之中設置有反充電繞組，其安裝在定子軛之上。
作為本發明的一種改進，每一對定子極對中的兩個定子齒極之上的勵磁繞組分別採用並聯連接方式；所述定子軛之中，多個反充電繞組採用串聯連接方式彼此連接。
作為本發明的一種改進，所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機之中包括有位置傳感器，位置傳感器包括有2個霍爾傳感器模塊，其分別連接至電機控制裝置的控制電路之中，用於分別提供順時旋轉導通邏輯順序以及逆時旋轉導通邏輯順序。
作為本發明的一種改進，所述位置傳感器之中設置有磁性圓盤，其與轉子同軸安裝，所述磁性圓盤之中沿其圓周徑向設置有4對N-S磁極，其間隔的機械角度為90°；所述位置傳感器之中，每一個霍爾傳感器模塊之中均包括有3個霍爾傳感器元件，相鄰兩個霍爾傳感器元件相對於磁性圓盤軸心所間隔的機械角度為15°。
採用上述技術方案，其可通過兩個霍爾磁傳感器模塊分別提供不同的導通邏輯順序，從而有效地解決了開關磁阻電機在正反轉轉換過程中的提前角問題，以在提高電機最高轉速的同時，有效降低本申請中開關磁阻電機的啟動電流，進而間接提高電動車電池的續航裡程。
作為本發明的一種改進，所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機之中設置有電機控制裝置，其包括有控制電路、驅動電路、功率變換器電路以及反充電電路；所述反充電電路包括有存儲電容、負載電阻以及四個整流二極體構成，四個整流二級管構成單相橋式整流電路，反充電電路分別連接至用於驅動電動車工作的電動車電池以及反充電繞組之上。
作為本發明的一種改進，所述反充電電路與電動車電池之間設置有充電二極體，所述反充電電路設置於充電二極體的正向側，電動車電池設置在充電二極體的負向側。
採用上述技術方案，其可通過反充電電路中單相橋式整流電路的設置以將反充電繞組輸入的交流電流電變為直流電流，並存儲在存儲電容之上；當電動車電池需進行充電時，即充電二極體的正向電壓（存儲電容存儲電壓）大於其負向電壓（電動車電池電壓）時，存儲電容內部存儲的電能通過充電二極體的單向導通性向電動車電池內進行傳輸與充電處理；當充電二極體的正向電壓（存儲電容電壓）小於其負向電壓（電動車電池電壓）時，根據充電二極體的單向導通性，存儲電容停止向電動車電池充電。
由於電動車在行駛過程中開關磁阻電機在不停運轉，故通過反充電繞組的磁通同樣在不斷的變化，因此，反充電繞組始終存在著感應電壓，從而不斷的向存儲電容進行充電；開關磁阻電機的轉速越快，其感應電壓越高，故向存儲電容輸送的電能就越多。當存儲電容上的存儲電壓再次高於電池電壓時，存儲電容又可向電動車電池充電。上述過程在電動車行駛過程中不斷循環進行，直至電動車停車，開關磁阻電機內部沒有變化的磁通，故充電亦停止。
上述反充電電路可實現對於反充電繞組形成電能的儲存、檢測以及充電處理，進而使得本申請中的開關磁阻電機相對於電動車電池的反充電處理的工作穩定性與可靠性得以顯著改善。
作為本發明的一種改進，所述控制電路由單片機構成，所述驅動電路由集成驅動晶片構；所述功率變換器電路包括有7個大功率管BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7，其中，BG1與BG4、BG3與BG6、BG5與BG2分別連接至開關磁阻電機的勵磁繞組之上，所述BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7分別對應並聯有續流二極體D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；所述BG7用於開關磁阻電機的PWM調壓的斬波功率管，其串聯有二極體D8；二極體D8的負極與勵磁繞組的公共中心線0線相連。
作為本發明的一種改進，所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機的控制電路中，功率變換器電路的功率變換方法包括有：
1）在電動車啟動與低速運行狀態下，功率變換器電路採用三相全橋控制方式，BG1與BG4、BG3與BG6、BG5與BG2以及D1與D4、D3與D6、D5與D2分別對於開關磁阻電機的三相勵磁繞組進行控制；
2）在電動車高速運行狀態下，功率變換器電路採用不對稱半橋控制方式，BG4、BG6、BG2、BG7以及D4、D6、D2、D7、D8分別對於開關磁阻電機的三相勵磁繞組進行控制，其中，BG7工作在開關磁阻電機PWM調壓狀態；其中，D8作為續流二極體。
採用上述技術方案，其可針對電動車高速運行狀態下，採用不對稱半橋控制方式替代三相全橋控制方式的控制方式進行控制，進而有效避免了電動車在高速運轉狀態下，採用傳統全橋控制方式中由於開關磁阻電機二相同時導通的繞組匝數多、線圈電感大，進而阻礙電流快速上升的現象；上述不對稱半橋控制方式在電動車高速運行狀態下二個導通的繞組線圈是互相獨立的，其較於三相全橋控制的二相導通中互相串聯的線圈繞組，不對稱半橋控制方式導通時的電感量是三相全橋控制的1/2，進而更有利於電流快速上升、以及磁通的快速變化和反充電電流的增加，致使電動車的續航裡程得以改善。
開關磁阻電機的工作原理是「磁路最小化原理」，即：磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。當轉子齒極中心與定子齒極的軸中心線不重合時，此時的磁阻最大，通過的磁通量最少；給任意定子極對上的一相繞組通電後，轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩作用，可實現轉子齒極中心轉向與定子齒極中心線的位置使其重合。此時的磁阻最小，通過的磁通量最大，由於定轉子的磁極中心線重合，切向磁拉力消失，轉子不再轉動。當再給相鄰的定子極對通電時，上述磁通變化過程得以重複，即轉子齒極朝向通電側的定子極對進行轉動。而開關磁阻電機在運行過程中，其磁通的變化總是從最小→最大→最小，這樣周而復始地循環變化，進而使得轉子相對於定子的旋轉。
採用上述技術方案的延長電動車續航裡程的開關磁阻電機，其可通過設置在開關磁阻電機定子軛之上的反充電繞組以使得開關磁阻電機在電動車行駛的過程中能夠給電動車即時的補充電能，從而使得電動車電池能較長的時間保持容量，以延長其續航裡程。開關磁阻電機在整個運行過程中，其磁通不斷地變化；依據「法拉第電磁感應定律」，即：「當穿過線圈的磁通發生變化時，在線圈中會產生感應電壓，磁通變化越快，感應電壓就越高」的原理。由於反充電繞組是安裝在開關磁阻電機的磁路上，當開關磁阻電機在運轉時，根據開關磁阻電機的工作特點，在其磁路上的磁通隨其運行而發生不斷的變化，故在開關磁阻電機運行中始終存在變化的磁通穿過反充電繞組，進而在反充電繞組中產生感應電壓，當接上負載（電動車電池）時，就產生了反充電的電流。上述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機可在原有的開關磁阻電機的基礎上實現其在運轉過程中的反充電處理，進而以低成本的方式顯著改善了電動車的續航裡程；同時上述反充電繞組的反充電工作隨開關磁阻電機的運行而運行，進而使其相對於電動車電池的充電效率以及效果較於一般充電方式得以改進。
附圖說明
圖1為本發明中開關磁阻電機結構示意圖；
圖2為本發明中開關磁阻電機以及控制裝置連接示意圖；
圖3為本發明中位置傳感器示意圖；
圖4為本發明中不對稱半橋控制示意圖；
附圖標記列表：
1—定子、101—定子軛、102—定子齒極、2—轉子、201—轉子齒極、3—勵磁繞組、4—反充電繞組、5—控制電路、6—驅動電路、7—功率變換器電路、8—反充電電路、9—磁性圓盤、10—霍爾傳感器元件、11—位置傳感器。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發明，應理解下述具體實施方式僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。需要說明的是，下面描述中使用的詞語「前」、「後」、「左」、「右」、「上」和「下」指的是附圖中的方向，詞語「內」和「外」分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。
實施例1
如圖1所示的一種延長電動車續航裡程的開關磁阻電機，其用於電動車的動力驅動；所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機包括有定子1與轉子2，定子1包括有採用環形結構的定子軛101，以及設置在定子軛101之上的多個定子齒極102，轉子2之中包含有多個轉子齒極201；所述定子1之中，任意兩個彼此相對的定子齒極102分別構成一個定子極對，每一對定子極對分別連接有勵磁繞組3；所述定子1之中設置有反充電繞組4，其安裝在定子軛102之上。所述開關磁阻電機採用12/8極、三相四線制開關磁阻電機，即其包括有12個定子齒極102，8個轉子齒極201，其中，每四個定子齒極102構成一相，其分別對應連接有開關磁阻電機A、B、C三相，另設有開關磁阻電機公共中心線0線。
作為本發明的一種改進，每一對定子極對中的兩個定子齒極102之上的勵磁繞組3分別採用並聯連接方式；所述定子軛101之中，多個反充電繞組4採用串聯連接方式彼此連接。
作為本發明的一種改進，如圖2所示，所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機之中設置有電機控制裝置，其包括有控制電路5、驅動電路6、功率變換器電路7以及反充電電路8；所述反充電電路8包括有存儲電容CL、負載電阻R以及四個整流二極體FD1、FD2、FD3、FD4構成，四個整流二級管FD1、FD2、FD3、FD4構成單相橋式整流電路，反充電電路8分別連接至用於驅動電動車工作的電動車電池以及反充電繞組4之上。
作為本發明的一種改進，所述反充電電路8與電動車電池之間設置有充電二極體FD5，所述反充電電路8設置於充電二極體FD5的正向側，電動車電池設置在充電二極體FD5的負向側。
採用上述技術方案，其可通過反充電電路中單相橋式整流電路的設置以將反充電繞組輸入的交流電流電變為直流電流，並存儲在存儲電容之上；當電動車電池需進行充電時，即充電二極體的正向電壓（存儲電容存儲電壓）大於其負向電壓（電動車電池電壓）時，存儲電容內部存儲的電能通過充電二極體的單向導通性向電動車電池內進行傳輸與充電處理；當充電二極體的正向電壓（存儲電容電壓）小於其負向電壓（電動車電池電壓）時，根據充電二極體的單向導通性，存儲電容停止向電動車電池充電。
由於電動車在行駛過程中開關磁阻電機在不停運轉，故通過反充電繞組的磁通同樣在不斷的變化，因此，反充電繞組始終存在著感應電壓，從而不斷的向存儲電容進行充電；開關磁阻電機的轉速越快，其感應電壓越高，故向存儲電容輸送的電能就越多。當存儲電容上的存儲電壓再次高於電池電壓時，存儲電容又可向電動車電池充電。上述過程在電動車行駛過程中不斷循環進行，直至電動車停車，開關磁阻電機內部沒有變化的磁通，故充電亦停止。
上述反充電電路可實現對於反充電繞組形成電能的儲存、檢測以及充電處理，進而使得本申請中的開關磁阻電機相對於電動車電池的反充電處理的工作穩定性與可靠性得以顯著改善。
採用上述技術方案的延長電動車續航裡程的開關磁阻電機，其可通過設置在開關磁阻電機定子軛之上的反充電繞組以使得開關磁阻電機在電動車行駛的過程中能夠給電動車即時的補充電能，從而使得電動車電池能較長的時間保持容量，以延長其續航裡程。開關磁阻電機在整個運行過程中，其磁通不斷地變化；依據「法拉第電磁感應定律」，即：「當穿過線圈的磁通發生變化時，在線圈中會產生感應電壓，磁通變化越快，感應電壓就越高」的原理。由於反充電繞組是安裝在開關磁阻電機的磁路上，當開關磁阻電機在運轉時，根據開關磁阻電機的工作特點，在其磁路上的磁通隨其運行而發生不斷的變化，故在開關磁阻電機運行中始終存在變化的磁通穿過反充電繞組，進而在反充電繞組中產生感應電壓，當接上負載（電動車電池）時，就產生了反充電的電流。上述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機可在原有的開關磁阻電機的基礎上實現其在運轉過程中的反充電處理，進而以低成本的方式顯著改善了電動車的續航裡程；同時上述反充電繞組的反充電工作隨開關磁阻電機的運行而運行，進而使其相對於電動車電池的充電效率以及效果較於一般充電方式得以改進。
經實際路測可獲知，採用本申請中開關磁阻電機作為動力驅動的電動車，其可實際行駛過程中可使得行駛裡程延長40至60%，從而使得電動車的行駛持續性得以顯著改善。
實施例2
作為本發明的一種改進，如圖3所示，所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機之中包括有位置傳感器11，位置傳感器11包括有2個霍爾傳感器模塊，其分別連接至電機控制裝置的控制電路之中，用於分別提供順時旋轉導通邏輯順序以及逆時旋轉導通邏輯順序。
作為本發明的一種改進，所述位置傳感器之中設置有磁性圓盤9，其與轉子2同軸安裝，所述磁性圓盤9之中沿其圓周徑向設置有4對N-S磁極，其間隔的機械角度為90°；所述位置傳感器之中，每一個霍爾傳感器模塊之中均包括有3個霍爾傳感器元件10，相鄰兩個霍爾傳感器元件10相對於磁性圓盤9軸心所間隔的機械角度為15°。
上述位置傳感器在一個90°的電周期內產生100、110、111、011、001、000六種邏輯狀態；當電機順時針旋轉時，其邏輯順序為100→110→111→011→001→000；當電機逆時針旋轉時，其邏輯順序為011→111→110→100→000→001。
採用上述技術方案，其可通過兩個霍爾磁傳感器模塊分別提供不同的導通邏輯順序，從而有效地解決了開關磁阻電機在正反轉轉換過程中的提前角問題，以在提高電機最高轉速的同時，有效降低本申請中開關磁阻電機的啟動電流，進而間接提高電動車電池的續航裡程。
本實施例其餘特徵與優點均與實施例1相同。
實施例3
作為本發明的一種改進，如圖2所示，所述控制電路5由單片機構成，所述驅動電路6由集成驅動晶片構；所述功率變換器電路7包括有7個大功率管BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7，其中，BG1與BG2、BG3與BG4、BG5與BG6分別連接至開關磁阻電機的勵磁繞組之上，所述BG1、BG2、BG3、BG4、BG5、BG6、BG7分別對應並聯有續流二極體D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；所述BG7用於開關磁阻電機的PWM調壓的斬波功率管，其串聯有二極體D8；二極體D8的負極與勵磁繞組的公共中心線0線相連。
實施例4
作為本發明的一種改進，所述延長電動車續航裡程的開關磁阻電機的控制電路中，功率變換器電路的功率變換方法包括有：
1）在電動車啟動與低速運行狀態下，功率變換器電路採用三相全橋控制方式，BG1與BG4、BG3與BG6、BG5與BG2以及D1與D4、D3與D6、D5與D2分別對於開關磁阻電機的三相勵磁繞組進行控制；
2）在電動車高速運行狀態下，功率變換器電路採用不對稱半橋控制方式，BG4、BG6、BG2、BG7以及D4、D6、D2、D7、D8分別對於開關磁阻電機的三相勵磁繞組進行控制，其中，BG7工作在開關磁阻電機PWM調壓狀態；其中，D8作為續流二極體。
如圖4所示，設BG1與BG4、BG3與BG6、BG5與BG2分別連接至開關磁阻電機的A相、B相與C相，BG7連接至開關磁阻電機的中心O線，則上述2）中不對稱半橋控制的工作原理為：
1、AB二相導通時，BG4、BG6導通。電流從電源正極→BG7→三相繞組的中心0線→A相繞組→BG4→電源負極；同時，電流還由電源正極→BG7→三相繞組的中心0線→B相繞組→BG6→電源負極。
2、BC二相導通時，BG6、BG2導通。電流從電源正極→BG7→三相繞組的中心0線→B相繞組→BG6→電源負極；同時，電流還由電源正極→BG7→三相繞組的中心0線→C相繞組→BG2→電源負極。
3、CA二相導通時，BG2、BG4導通。電流從電源正極→BG7→三相繞組的中心0線→C相繞組→BG2→電源負極；同時，電流還由電源正極→BG7→三相繞組的中心0線→A相繞組→BG4→電源負極。
當開關磁阻電機進行換相處理時，其工作過程包括：A相換B相：關斷BG4，開通BG6；B相換C相：關斷BG6，開通BG2；C相換A相：關斷BG2，開通BG4。
上述換相處理的瞬間續流過程如下：
1、A相換B相時，因BG4關斷，電流由a點→D1→電容C0正極→電容C0負極→D8→三相繞組的中心0線→A相繞組→a點；
2、B相換C相時，因BG6關斷，電流由b點→D3→電容C0正極→電容C0負極→D8→三相繞組的中心0線→B相繞組→b點；
3、C相換A相時，因BG2關斷，電流由c點→D5→電容C0正極→電容C0負極→D8→三相繞組的中心0線→C相繞組→c點。
採用上述技術方案，其可針對電動車高速運行狀態下，採用不對稱半橋控制方式替代三相全橋控制方式的控制方式進行控制，進而有效避免了電動車在高速運轉狀態下，採用傳統全橋控制方式中由於開關磁阻電機二相同時導通的繞組匝數多、線圈電感大，進而阻礙電流快速上升的現象；上述不對稱半橋控制方式在電動車高速運行狀態下二個導通的繞組線圈是互相獨立的，其較於三相全橋控制的二相導通中互相串聯的線圈繞組，不對稱半橋控制方式導通時的電感量是三相全橋控制的1/2，進而更有利於電流快速上升、以及磁通的快速變化和反充電電流的增加，致使電動車的續航裡程得以改善。
本實施例其餘特徵與優點均與實施例3相同。