蓄電池供電的多相永磁無刷直流電動機的製作方法

2023-05-17 04:16:51 1

專利名稱：蓄電池供電的多相永磁無刷直流電動機的製作方法
技術領域：
本發明屬於轉矩閉環控制的電動機領域，涉及到電動汽車等由蓄電池供電的多相 永磁無刷直流電動機。
背景技術：
電動汽車要求其驅動系統能滿足各種工況的要求在電動汽車啟動、加速、爬坡、 駐坡啟動工況下，需要其驅動系統在中、低速下能提供3-4倍額定轉矩的峰值轉矩；在最高 車速工況下，需要驅動系統在最高轉速下提供克服相應行車阻力的等效轉矩。永磁無刷直流電動機的電磁轉矩Te = Kt · 10，其中Kt是永磁無刷直流電動 機的轉矩常數，單位是Ν·πι/Α ；I0是永磁無刷直流電動機的相電流，Α;永磁無刷直流電動機 的線反電勢E1 = Ke · m,Ke是反電勢常數，單位是V/rad · s—1 ； com是電動機輸出角速度， 單位是rad/s。在國際單位制下，Ke與Kt數值上是相等的，但它們的物理含義和量綱是不 同的。在一定的電源電壓下，加大Ke(Kt)受與最高車速相對應的電動機最高角速度 "m(max)限制，因此，增大電磁轉矩Te就只能增加電動機相電流10;相電流I0增大，就使蓄 電池放電電流Idc增大。對於一定的額定容量的蓄電池來說，不同放電率下的蓄電池有不同實際容量，這 種關係大致可以用Peukert經驗公式來表示t = Κ/Γ其中，t為實際放電時間，h ；I為放 電電流，A ;K、m為大於1的電池結構常數。從上式可知配備一定額定容量的蓄電池，電動機相電流I0越大，蓄電池的放電電 流Idc也越大，放電時間按非線性比例縮短，蓄電池的實際容量也相應變小。對於電動汽車 來說，大電流放電將使其一次充電的續行裡程急速變短。

發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種在不提高成本基礎上使系統綜合性能提高; 在裝備的蓄電池額定容量不增加前提下，使電動汽車的一次充電的續行裡程延長；使蓄電 池充放電循環次數增加；或者在一次充電的續行裡程不變情況下，減少蓄電池的額定容量。為解決上述的技術問題，本發明採取的技術方案本發明包括電動機本體、轉子位置傳感器和控制器，其特殊之處在於所述的永磁 無刷直流電動機的轉子為P對N、s相間的永磁轉子；定子鐵芯開設有Z個槽，槽中嵌有η個 獨立的3相整距繞組；所述的η個獨立的3相整距繞組分別與控制器的η個3相逆變橋輸 出端相連；所述的轉子位置傳感器的U、V、W、R、S、T 二值傳感元件輸出轉子位置的12種有 效信息至控制器，控制器處理信息後輸出控制信號到η個3相逆變器，控制其輸出狀態。上述的控制器通過指令電流Γ和反饋電流的比較來決定3相逆變器的脈寬調製 的輸出電壓的佔空比δ ；所述的η個逆變橋分成兩組，每組為η/2個逆變橋，兩組逆變橋的
3輸出電壓的調製頻率相等，但兩組的脈寬調製波的初相位相互移相秒。
2r pwM上述的永磁轉子的極對數P，定子鐵芯的槽數Ζ，η個獨立的3相整距繞組的關係 可以是Z = 6ρ ·η，也可以在η彡ρ時，Z = 6ρ ；在η個獨立3相繞組之間，其相繞組的有效 串聯導體數，可以是相等的，也可以是不相等的。與現有技術相比，本發明的有益效果(1)可以用較少的定子槽數構成η個3相繞組，η個3相繞組之間可以是對稱的也 可以是不對稱的；(2)η個3相繞組的電時間常數比單3相繞組的電時間常數小，且η越大，電時間常 數越小；η越大，脈動轉矩頻率越高，幅值越小；(3)有了 η彡2的3相繞組，就可以採用PWM移相方法使蓄電池峰值放電電流減小， 從而在相同負載下可以使額定容量相同的蓄電池放電時間延長，使電動汽車的一次充電續 行裡程延長；(4)可以採用多個相互間不對稱的3相繞組適應不同工況，減少功率器件的冗餘 成本和進一步減小蓄電池放電電流；(5)可以減少功率器件的並聯數，提高功率器件的利用率，對於低電壓大容量控制 器來說，優越性十分明顯；(6)具有η個裕度設計，在電動機或控制器出現故障時，可以使系統仍能運行，提 高了電動汽車的自救能力。


附圖1為3相永磁無刷直流電動機的相電流和蓄電池放電電流；附圖2為雙3相永磁無刷直流電動機的相電流和蓄電池放電電流； 附圖3為雙3相PWM移相的永磁無刷直流電動機的相電流和蓄電池放電電流；附圖4為η個3相繞組的系統結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。一臺3相永磁無刷直流電動機轉矩常數Kt 一定時，增大電磁轉矩，勢必增大電機 相電流10，10增大勢必使蓄電池放電電流Idc增加，見附圖1。圖中細實線是繞組相電流10， 粗實線為電池放電電流IDC。所以說3相永磁無刷直流電動機在6狀態工作狀態下電池放 電電流Idc的峰值僅正比於電動機的電磁轉矩Te。一臺雙3相永磁無刷直流電動機，如果 雙3相控制器的PWM的頻率和初相位均相同，在電動機的電磁轉矩Te相同時，每一套3相 繞組中相電流僅為單3相繞組電機的相電流的1/2，但蓄電池放電電流Idc卻與單3相電機 相同，如附圖2。如將附圖2所示的電機的兩個載波頻率相同，但初相位相差1/2TPWM，從附 圖3可見，在雙3相相電流l0i、102不變情況下，電池放電電流Idc中幅值卻只有附圖1和 2中Iirc的一半，但Irc的佔空比卻增加一倍。附圖2、3中細實線為I01，細虛線為102，粗實線 為 Idc°對電動汽車來說，只有在中、低速下才需要電動機輸出峰值轉矩(Tp)，相應的峰值
4CN 相電流IP(0)，佔空比δ ( 0. 5，對應的蓄電池放電峰值電流Ip(DC)，佔空比D彡1。在相同輸出轉矩和轉速時，對於η = 1的單3相系統來說Ι ρ(Βθ = 2 Ιρ(0)，δ = 0. 5，D = 0. 5，蓄電池放電時間為t ;n = 2且兩個逆變橋輸出電壓有相同的fPWM但初相位相 互移相1/2Tpwm的雙3相系統來說ΓΡρο = Ip(0)，δ 『 = 0.5, D' = 1，蓄電池放電時間為 t'。按蓄電池放電電流和放電時間的關係，可得 則t' = 1. 23t這就是說由同一組蓄電池供電，在相同輸出轉矩和相同轉速時，雙3相系統的 PWM調製頻率相同且相互移相1/21~_的工作時間比單3相系統的工作時間延長了 23%。實現這種特殊模式必須解決20kw以下，η彡2的3相永磁無刷直流電動機定子衝 片槽數太多的生產技術問題。20kw左右的永磁無刷直流電動機的定子衝片內經大約在0140 mm上下。當極對 數ρ = 4，n = 2——3相繞組，常規需在定子衝片上開Z = 2pX3n = 2X4X3X2 = 48個 槽，這將帶來槽面積利用率降低和齒的寬度太窄等問題。為了解決這個問題，可以使用「單元電機」(「unit motor")概念使定子最小槽數 Z = 6ρ，η彡ρ。如ρ = 4時，Z = 24，可以得到的最多的3相繞組數η = ρ = 4，而採用常 規方式，構建P = 4，η = 4的3相定子繞組需要在定子衝片上衝制Z = 2ρ X 3η = 8 X 12 = 96槽。不論是常規方式——定子槽數Z = 2ρΧ3η，還是採用「單元電機」方式——定子 槽數Z = 6ρ，η < ρ，每個3相繞組必是對稱的，但η個3相繞組之間可以是對稱的也可 以是不對稱的——比如η個各自對稱的3相繞組，其相繞組的有效串聯導體數^可以是 N01=N02=N03=N04，也可以是N01= N02 ,N03=N04，但N01 乒N03，還可以是N01 乒N02乒N03乒N04等 等，就是說，可以構成η個相互對稱3相繞組，也可以構成η個相互不對稱的3相繞組。本發明的多相永磁無刷直流電動機系統包括電動機本體、位置傳感器、控制器，其 結構見附圖4。電動機本體除機殼、端蓋、軸、軸承、冷卻系統等結構件外，還有ρ對N、S相 間的永磁轉子。定子鐵芯衝片上開有Z個槽，Z = 2ρX 3η (ρ為電機極對數，η = 2、3、4…)， 在Z個槽中嵌入η個獨立的3相對稱的單層繞組。當電動機定子尺寸較小時，也可以用「單 元電機」方式，在定子鐵芯衝片上最少開出Z個槽，其中Z = 6ρ，這個開有Z = 6ρ的定子上 最多可以布置成η ^ ρ個獨立的3相對稱的單層繞組。不論定子鐵芯開有Z = 2ρΧ3η個 槽還是最少開有Z = 6ρ個槽，都可以嵌入η個對稱的3相繞組，η個3相繞組之間可以是 繞組數據(比如每槽有效串聯導體數等)相同的，也可以是繞組數據不相同的。不相同的 繞組數據使其反電勢係數Ke (Kt)也不同，形成一臺多個Ke (Kt)繞組的3相永磁無刷直流 電動機。這種電動機可以適應低速時以較小電流提供大轉矩，高速時提供等效恆功率。轉子位置傳感器傳感器U、V、W在空間互相差120°電角度，R、S、T分別與U、V、 W在空間相差30°電角度，提供轉子位置的12種有效信息。
控制器包括信息處理和η個3相電壓源逆變器兩部分，其功能是(1)接受指令運 行/停止(0N/0FF)、電動機順時針/逆時針(CW/CCW)轉向信號、電動機相電流(即轉矩) 指令信號Γ ；接受U、V、W、R、S、T轉子位置信號；接受IA1、Ici, ΙΑ2、込…..IAn、Icn相電流反 饋信號；(2)根據Γ與反饋電流If的比較改變PWM的佔空比、使電動機相電流跟蹤指令 Γ ； (3) 2組PWM移相TPWM/2，使兩組相電流不疊加；(4)受制於轉子位置信號和移相的PWM信 號構成各個逆變器的驅動信號，使η個電壓型逆變器按指令向各個電動機3相繞組輸送電 流。本發明的必要和充分條件是有η = 2、3、4…的η個獨立的3相電樞繞組分別由η 個3相電壓源逆變器以相同調製頻率fPWM的PWM方式供電，且η/2或近η/2個逆變器的PWM
的初始相位與其餘的逆變器的PWM初始相位相差1/2Tpwm (Τ = ^ )，這就是PWM移相。
IPWM
權利要求
蓄電池供電的多相永磁無刷直流電動機，包括電動機本體、轉子位置傳感器和控制器，其特徵在於所述的永磁無刷直流電動機的轉子為p對N、S相間的永磁轉子；定子鐵芯開設有Z個槽，槽中嵌有n個獨立的3相整距繞組；所述的n個獨立的3相整距繞組分別與控制器的n個3相逆變橋輸出端相連；所述的轉子位置傳感器的U、V、W、R、S、T二值傳感元件輸出轉子位置的12種有效信息至控制器，控制器處理信息後輸出控制信號到n個3相逆變器，控制其輸出狀態。
2.根據權利要求1所述的蓄電池供電的多相永磁無刷直流電動機，其特徵在 於所述的控制器通過指令電流Γ和反饋電流的比較來決定3相逆變器的脈寬調 制的輸出電壓的佔空比δ ；所述的η個逆變橋分成兩組，每組為η / 2個逆變橋， 兩組逆變橋的輸出電壓的調製頻率相等，但兩組的脈寬調製波的初相位相互移相1-^秒。
3.根據權利要求1或2所述的蓄電池供電的多相永磁無刷直流電動機，其特徵在於 所述的永磁轉子的極對數P，定子鐵芯的槽數z，η個獨立的3相整距繞組的關係可以是Z = 6ρ · η，也可以在η彡ρ時，Z = 6ρ;在η個獨立3相繞組之間，其相繞組的有效串聯導體 數，可以是相等的，也可以是不相等的。
全文摘要
本發明涉及到由蓄電池供電的用於電動汽車的永磁無刷直流電動機系統。3相永磁無刷直流電動機的相電流Iφ正比於電磁轉矩Te，蓄電池的放電電流的峰值與相電流峰值相等，佔空比D也相同；Te增加時，相電流峰值和放電電流峰值也同比增加，使蓄電池在高倍率下放電，其實際放電安時數大大低於蓄電池的裝備安時數。本發明的n個獨立的3相電樞繞組與n個3相電壓源逆變橋輸出一一相連；n個3相電壓源逆變橋的PWM調製頻率fPWM相同，但半數的逆變橋與其餘逆變橋的PWM初相位卻相互移相1/2TPWM,TPWM=1/fPWM。本發明可以使蓄電池在同樣工況下運行的電動汽車的一次充電續行裡程延長20%～25%，或在一次充電的續行裡程不變時，將電池裝備容量減小到原來的80%～75%。
文檔編號H02P6/08GK101917108SQ201010263088
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月26日 優先權日2010年8月26日
發明者劉大椿, 劉晨 申請人:劉大椿;劉晨