串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機的製作方法

2023-07-12 00:06:56 3

專利名稱：串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機的製作方法
技術領域：
串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機技術領域[0001 ] 串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，屬於電動汽車用直流無刷電動機。
技術背景[0002]隨著我國清潔能源的不斷發展應用，我國純電動汽車市場也越來越熱，一旦國 家的相關政策出臺，純電動汽車市場會有一個大的井噴式發展。現在純電動汽車一般使 用兩類電機有刷串勵電機和無刷直流電機。因為有刷電機存在電刷磨損的種種弊端， 越來越多的電動汽車廠家開始採用無刷直流電動機來直接驅動車輛前進。此類直驅型電 動汽車，在平路上或路的坡度不大時是沒有問題的，但當汽車爬坡時，還需要電機能夠 提供額定負載3-5倍以上轉矩。這種既需要車輛在平路上行駛時具有高效率又要車輛在 上坡時能夠具有很大的過載能力，這大大超出了一般無刷電機的性能要求，導致電動汽 車在20%的半坡起動考核時失敗。實用新型內容[0003]本實用新型要解決的技術問題是克服現有技術存在的問題，提供一種能夠解 決電動汽車半坡起動和汽車爬較陡的坡時動力不足這一難題的串並聯式三相雙繞組結構 直流無刷電動機。[0004]本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是該串並聯式三相雙繞組結構 直流無刷電動機，包括定子，其特徵在於定子為分體式，定子繞組為多路並聯的高速 主繞組和串聯的低速輔繞組兩套獨立繞組。[0005]定子的兩套獨立繞組為繞制在定子槽內的三路並聯的高速主繞組和一路串聯的 低速輔繞組。[0006]所述的並聯的高速主繞組最大支路數為極數與槽數的最大公約數。[0007]所述的高速主繞組為6極9槽3路。[0008]高速主繞組為高速小轉矩係數；低速輔繞組為低速大轉矩係數，所述的高速主 繞組與低速輔繞組速比一般為1 2.5-3，通過模擬普通汽車的換擋對電機的高速主繞組 和低速輔繞組進行切換。[0009]所述的高速主繞組為6極9槽3路，低速輔繞組繞線採用一路串聯，1-4-7包首 尾串聯為A相，B、C相與A相相同；高速主繞組繞線採用三路並聯，1-4-7包首端並聯 為A相，B、C相與A相相同。[0010]我們知道汽車的大部分時間行駛在平坦的道路上，因此電動汽車電機 80%-90%時間工作在高速、小扭矩狀態。因此在設計電機時，我們將主繞組設計為高 速、小轉矩係數；輔繞組設計為低速、大轉矩係數。通過模擬普通汽車的換擋對電機的 高速主繞組和低速輔繞組進行手動切換，即保證了汽車在平路上高速、高效率的行駛， 又使汽車具有較大的啟動扭矩和爬坡能力。[0011]但一般普通電機的定子衝片都是整體式開口槽結構，槽面積較小，且採用傳統嵌線工藝槽滿率最高在75-78%。如果對整體式定子結構採用雙繞組方案會帶來兩套繞 組的截面積過小，電機運行時銅耗過大，效率較低，甚至無法達到有刷電機的效率。因 此，我們採用了定子分體式、閉口槽來實現雙繞組這一結構，同時我們還採用了集中式 繞組的方法來進行雙繞組電機的設計製造。此種結構的採用，使我們的總槽滿率可以達 到82-85%，有效降低了電機銅耗，提高了電機在高、低速繞組時的運行效率。[0012]原理如下[0013]設電機極數為P，槽數為Q，其公約數有Ni，N2...(設其最大公約數為N)，每 個槽內最多容納截面積為V的導線。首先對於低速繞組採取元件串聯的方式，設串聯繞 組為單根截面積Sl的導體，E匝，若繞線方式為雙層繞組則其佔槽內的總截面積為Vl = 2*E*S1。在此，我們將Vl控制在槽內總面積V的0.6-0.7倍左右(因為低速繞組僅在起 步或大於10%以上坡度的時候才會使用，所以使用時間和頻率較少，電流密度可以做的 比高速繞組稍微高一些，支路數多者此數值取大值)。我們設高速並聯繞組為單根截面積 S2的導體，F匝，則雙層繞組則其佔槽內的總截面積為V2 = 2*F*S2(電機設計為高、低 速速比約2.5-3，所以高速繞組匝數F = E*2.5-3/N)。又電機的極數和槽數之間有大於1 的公約數存在，所以最多可以將其並聯支路數分成N路。因此我們將剩餘的0.3-0.4倍總 槽面積V分配給高速繞組，並採取N路並聯，這樣高速繞組每路承擔的電流僅有總電流 的1/N，相當於在電流與低速繞組相同情況下高速繞組的總截面積提高了 N倍，達到V2 =(0.3-0.4) *N*V。這樣我們通過採取串並聯的方式，相當於使串、並聯後的繞組總截 面積達到了 V3 = V1+V2*N = (0.6-0.7) *V+(0.3-0.4) *N*V = V* (0.6-0.7+N*0.3_0.4)。 從此式中我們可以看到當支路數N為3路或4路時，m假設N = 3，則V2 = 1.2*V，而V1=0.6*V，V3=1.8*V，即相當於在同樣電流下高速繞組的電流密度比低 速繞組電流密度小2倍，大大降低了電機高速運行時的銅耗；同理假設N = 4，則V2 = 1.2*V，而 V1 = 0.7*V，V3 = 1.9*V。[0014]與現有技術相比，本實用新型串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機所具有 的有益效果是通過模擬普通汽車的換擋對電機的高速主繞組和低速輔繞組進行手動切 換，即保證了汽車在平路上高速、高效率的行駛，又使汽車具有較大的啟動扭矩和爬坡 能力。在同一臺電機上實現了兩臺單繞組電機的功能。同時具有便於工藝操作、電機總 槽滿率可以達到82-85%，有效降低了電機銅耗，提高了電機在高、低速繞組時的運行效 率等優點。


[0015]圖1是採取串聯方式的低速輔繞組的繞線圖；[0016]圖2是採取並聯方式的高速主繞組的繞線圖；[0017]圖3是先繞好包的串聯低速輔繞組的分體式定子鐵心三連包；[0018]圖4是在已經繞制完畢的低速輔繞組基礎上再繞制高速主繞組的分體式定子鐵芯圖5是電機與控制器、三個單刀雙擲繼電器相連的整體接線圖。[0020]圖1-5是本實用新型的最佳實施例。其中A、B、C為三相繞組。
具體實施方式
[0021]
以下結合附圖1-5對本實用新型的串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機做 進一步說明[0022]如圖1-4所示[0023]因為高速主繞組匝數較少，對高速繞組設計為三路並聯的方式，並繞的電磁線 較多，線徑較粗，只要使每個槽內高速主繞組的電流方向與串聯低速輔繞組的槽內電流 方向保持相同即可。通過對槽內兩套繞組分別實行串、並聯設計，實現了高速主繞組和 低速輔繞組在各佔一半槽面積的情況下並聯高速主繞組的截面積比串聯低速輔繞組的截 面增大了3倍，匝數相當於串聯繞組的3倍。這樣就達到了高速繞組的額定轉速比低速 繞組高3倍，而低速輔繞組的轉矩係數比高速主繞組高3倍，實現了既能爬坡又能跑高速 的目的。[0024]以6極9槽結構樣機為例[0025]如圖1所示[0026]低速輔繞組採用一路串聯的方式繞線，1-4-7包首尾串聯為A相，B、C相與A 相相同，設計為繞組截面積佔據一個槽的槽面積的一半。一路串聯繞線的方式通過將單 個定子鐵心繞製成三聯包，減少了定子線包之間的焊接點數量，使整個定子的生產效率 和工藝可靠性都有了很大的改進。[0027]如圖2所示[0028]高速主繞組的繞線圖，採用3路並聯的方式1-4-7包首端並聯為A相，B、C相 與A相相同，這樣可以使每個定子線包的線圈線徑保持同低速輔繞組基本相同，但高速 主繞組並聯以後相當於繞組的截面積增大了3倍。採用此種並聯繞線法後，包與包之間 的聯接需要採用焊接的方式進行。[0029]如圖5所示[0030]當繼電器觸點連接定子高速主繞組A、B、C相時，電動汽車為平路高速行駛 狀態；當電動汽車在起步或爬較陡的坡時高速主繞組一旦無法提供必需的轉矩，可以 使用高低速檔位開關將高速主繞組手動切換至大扭矩的低速輔繞組，即讓繼電器連接到 A』、B』、C』相。在進行切換時，電機控制器會智能的在200毫秒之內將電源暫時斷 開，然後繼電器才會動作，進行切換，這樣可以大大保護繼電器的觸點壽命。切換到低 速輔繞組後的電機轉速會下降到高速主繞組的40-20%左右，這樣電機在相同的電流下就 會比高速主繞組提供給汽車的轉矩大3-5倍，徹底解決汽車在爬坡時的動力不足問題。[0031]同理，當電動汽車一旦起步完成或爬坡成功進入平坦路面以後，可以模擬換擋 通過手動開關控制繼電器將電機由低速輔繞組切換回高速主繞組，這樣汽車就又可以高 速行駛。[0032]通過採用定子雙繞組結構，使我們的同一臺電機可以具有兩種不同的工作區域 和工作特性高速、高效率工作區和低速大轉矩工作區。[0033]下表為採用定子分體式雙繞組結構的電機和單繞組的電機在轉矩、效率等各方 面的比較[0034]
權利要求1.串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，包括定子，其特徵在於定子為分體 式，定子繞組為多路並聯的高速主繞組和串聯的低速輔繞組兩套獨立繞組。
2.根據權利要求1所述的串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，其特徵在於 定子的兩套獨立繞組為繞制在定子槽內的三路並聯的高速主繞組和一路串聯的低速輔繞 組。
3.根據權利要求1或2所述的串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，其特徵在 於所述的並聯的高速主繞組最大支路數為極數與槽數的最大公約數。
4.根據權利要求3所述的串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，其特徵在於 所述的高速主繞組為6極9槽3路。
5.根據權利要求2所述的串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，其特徵在於 所述的高速主繞組與低速輔繞組速比為1 2.5-3，通過模擬普通汽車的換擋對電機的高 速主繞組和低速輔繞組進行切換。
6.根據權利要求4所述的串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，其特徵在於 所述的高速主繞組為6極9槽3路並聯，低速輔繞組繞線採用一路串聯，1-4-7包首尾串 聯為A相，高速主繞組繞線採用三路並聯，1-4-7包首端並聯為A相。
專利摘要串並聯式三相雙繞組結構直流無刷電動機，屬於電動汽車用直流無刷電動機。包括定子，其特徵在於定子為分體式，定子繞組為多路並聯的高速主繞組和串聯的低速輔繞組兩套獨立繞組。與現有技術相比，通過模擬普通汽車的換擋對電機的高速主繞組和低速輔繞組進行手動切換，即保證了汽車在平路上高速、高效率的行駛，又使汽車具有較大的啟動扭矩和爬坡能力。在同一臺電機上實現了兩臺單繞組電機的功能。同時具有便於工藝操作、電機總槽滿率可以達到82-85％，有效降低了電機銅耗，提高了電機在高、低速繞組時的運行效率等優點。
文檔編號H02K3/12GK201805294SQ201020506248
公開日2011年4月20日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者許東 申請人:山東山博電機集團有限公司