一種sr電機低高速均能高效運行的方法及其sr電機的製作方法

2023-10-12 00:05:04 3

專利名稱：一種sr電機低高速均能高效運行的方法及其sr電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及SR電機，尤其涉及一種在低速段和高速段均能使SR電機高效率運行的方法及其SR電機。
背景技術：
據統計電動機的耗電量為整個電網耗電量的60%左右。因此，提高電動機運行效率是節能的重要舉措，特別在調速技術應用領域，由於電動機運行於額定高轉速段時效率較高，而為了同時滿足被驅動設備的高、低速運行要求，通常需通過機械變速換檔機構傳動。由此即增加了機械傳輸間隙和傳動摩擦損耗，也降低了整個調速系統的效率和動態響應性。而為此所產生的電動機直接驅動結構，其效率在低速段也就較低。電動汽車已被公認為節能環保的未來汽車。任何一類電動汽車也都需用電動機作為執行機構來驅動車輪行駛，因此選擇較佳的驅動結構對電動汽車推廣應用意義重大。綜合車輛動力學、電機拖動及其控制工程等多項理論分析，採用輪轂電機直接驅動電動汽車可歸納總結出如下諸多優點:簡化機械結構和降低車載自重以利汽車結構布局，即可省去所有龐大而笨重的機械傳動鏈，騰出大量空間供蓄電池布局；降低汽車質心與車身高度；提高車輪控制快速響應性；易實現四輪驅動四輪轉向來提高車輪對地面附著力、轉向性能以及動能回收率等，易實現傳統轎車較難實施的各種高性能控制，從而極大改善汽車行駛安全性、操控性和穩定性。目前國際上也已越來越多地認識到採用輪轂電機直驅的優越性，近年來美、英、法、德等國紛紛將輪轂電機應用於軍用越野車和輕型坦克上，並取得相應成果。即通過理論分析和實踐證實，均說明直驅輪轂電動機已被國內外認可的電動汽車的最佳、最終驅動方式，但由此對電動機的調速性能等也提出更高的獨特要求。針對汽車行駛於多變路況，以及用蓄電池為能源等特點，對直驅輪轂電動機提出了啟動力矩大、啟動電流小、短時過載能力強、動態響應快、能高效發電回饋制動、故障容錯性和系統可靠性高等要求。為此通過對永磁直流無刷、交流變頻矢量控制以及開關磁阻電機驅動SRD等各類電機調速系統的比較分析，其中SR電機(開關磁阻電動機)是最能較全面地滿足上述獨特要求的電動機。特別是輪轂電機採用直接驅動汽車車輪，省去常規的機械減速等所有傳動鏈，對電機的低速段運行特性提出了更高的獨特要求，即要低速時有較大輸出轉矩，又需限制相應電流以避免蓄電池大電流放電而損壞。而通過電機相應的電磁理論即可證明交、直流電機的轉矩隨轉速降低成一次方增加；而SR電機轉矩隨轉速降低將成二次方指數增加，並在低速段採用斬波限流控制即可實現上述的獨特要求。針對SR電機運行的非線性特點，又利用計算機有限元分析仿真來獲得交、直流電機與SR電機的效率與轉速曲線圖，通過對該三類電機的仿真曲線比較，可知無刷永磁電機和三相異步電機的固有調速特性均在高速段效率較高，這也是大部分調速電機的特點；而SR電機卻可在低速段獲得較高效率，並通過修改電機的相關設計參數，還可改變高效曲線段所對應的轉速值。但汽車通常在市區行駛時速度較低，而在高速路段行駛車速較高。如何使SR電動機在低速段和高速段均能獲得更高的效率，是使直驅輪轂電動機更有效發揮其優勢的關鍵所在。在現有技術中，主要通過改善SR電動機控制器的性能以及轉子、定子的物理結構等來改善SR電動機的性能。比如
公開日為2010年10月13日、公開號為CN101860298A的專利文獻公開的名稱為一種開關磁阻電機控制器的技術方案，它採用STC單片機接收手柄及按鈕控制電路發出的控制信號、轉子位置傳感器檢測電路發出的位置信號以及電流檢測電路發出的電流信號，通過驅動電路與功率變換器連接SR電機，蓄電池分別向STC單片機和功率變換器供電，能夠避免功率變換器出現直通故障，提高了系統可靠性。但是該技術方案並不能改善SR電動機運行效率尤其是高、低速段的運行效率。又比如
公開日為2008年
11月26日、公開號為CN101313449A的專利文獻公開了這樣的技術方案,一種開關磁阻電動機，包括:具有多個以預定的間距向內突出的磁極的定子鐵芯；纏繞於該定子鐵芯的突出的磁極周圍的線圈，以及轉子鐵芯，其以預定間隙可轉動地容置於該定子鐵芯的內側並具有多個沿徑向向外突出的磁極，突出的磁極的前端最初靠近定子鐵芯的每一個突出的磁極，從而使得定子鐵芯的突出的磁極與轉子鐵芯的突出的磁極之間的間隙逐漸減小。該技術方案雖然能夠使定子鐵芯與轉子鐵芯的重疊部分中的間隙不是突變而是逐漸變化使轉矩不發生突變，從而減小了轉子轉動產生的噪音，但是對於SR電動機在低速段及高速段的運行效率提聞沒有進一步幫助。

發明內容
本發明主要目的在於提供一種SR電機低高速均能高效運行的方法及其SR電機，使SR電機無論運行在低速段還是運行在高速段均能獲得高運行效率。本發明針對現有技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的，一種SR電機低高速均能高效運行的方法，用於徑向分相的SR電機結構，繞組在定子上，包括下述步驟:
A.將SR電機每相繞組劃分為分繞組繞制在該相各凸極上並在每個凸極進行分繞組始、末端接線；
B.將所述的每相繞組各分繞組的始、末端接線從所述SR電機定子內引出連接到串並聯換接器上，所述串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接為串聯方式或並聯方式，並進行串聯方式與並聯方式之間的轉換；
C.SR電機運行於低速段時，串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接成串聯方式，在SR電機運行於高速段時，串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接成並聯方式。本發明適用於將每相繞組繞制在該相各凸極的繞組由並聯方式改接為串聯方式時，可成倍提高每相繞組匝數的SR電機，即主要適用於徑向分相的SR電機結構。由於電機運行於額定轉速時通常效率最高，又根據SR電機繞組匝數計算的設計要求與其額定轉速為反比例關係，說明SR電機高效運行的理想狀態是隨運行轉速的提高，應使其繞組匝數減少而線徑增粗，這似乎是無法實施的理想要求，但是經過細加推敲SR電機繞組的接線方式，如將繞制在每相各凸極的繞組由串聯改接為並聯方式，即可成倍降低每相繞組匝數而增粗其線徑，如同機械有級分段變速，但避免了其齒輪箱固有的一切弊端，並進一步提高了整個調速系統的效率。本發明通過將每相繞組分為多個分繞組在該相的每個凸極上繞制，每個凸極上一個分繞組，每個分繞組具有始、末端接線，再將每個分繞組的始、末端接線引到外面的串並聯換接器上進行串、並聯連接和串、並聯轉換，從而實現SR電機無論在低速段運行還是在高速段運行都具有高的運行效率。經過上千次的計算機有限元仿真分析，證實了 SR電機各相繞組採用串聯連接具有較低額定轉速運行時的高效率，而改接為並聯方式具有成倍的較高額定轉速運行時的高效率。作為優選，在SR電機每相的凸極數多於2個時每相繞組的分繞組採用局部串接和/或並接後將接線引出，再通過串並聯換接器連接成串聯方式或並聯方式，串聯方式是每相繞組處於串聯連接狀態的分繞組數多於並聯連接狀態的分繞組數，並聯方式是每相繞組處於並聯連接狀態的分繞組數多於串聯連接狀態的分繞組數。在SR電機每相的凸極數較多比如4個或四個以上時，按SR電機的相數和極數不同可有多種結構，由於相數和極數不同對每相繞組的串、並聯連接可有許多種方式。此時在電機定子內保留並聯方式和串聯方式連接時所需的共同連接部分，將非共同連接所需的始、末端接線由電機定子內引出，當電機運行於低速調速段時，由串並聯換接器將繞組引出線連接成串聯方式，當電機運行於高速調速段時，將繞組引出線連接成並聯方式。在這裡，串聯方式與並聯方式是相對而言，只要該方式每相各凸極繞組(分繞組)間的串聯數大於並聯數，該方式就為串聯方式；同理，只要每相各凸極繞組(分繞組)間的並聯數大於串聯數，該方式就為並聯方式。比如，對每相為兩個凸極就最為簡單，即每相繞組的兩個分繞組兩並為並聯方式，而兩串為串聯方式；如每相有四個凸極，每相繞組的四個分繞組就有四並、兩並兩串、四串三種接線方式，前者相對後者就為並聯方式，而後者相對前者即為串聯方式。如每相有六個凸極，每相繞組就的六個分繞組有六並、三並兩串、兩並三串、六串四種接線方式，前者相對後者就為並聯方式，而後者相對前者即為串聯方式。對於更多極數的串、並聯方式以此類推。作為優選，SR電機每相的凸極數多於2個時，每相繞組的分繞組間局部連接方式按所配電源的電壓等級來確定，電壓高時選用分繞組局部串聯，而電壓低時選用分繞組局部並聯。每相各凸極繞組(分繞組)間的連接方式主要可按所配電源的電壓等級來決定，通常電壓越高要求多選用串聯方式，而電壓較低時可多選用並聯方式。對於SR電機的每相凸極數越多可選用的連接方式也就越多越靈活，相對採用換接繞組串、並聯方式的分段變速級數也可越多。作為一種SR電機低高速均能高效運行的方法的實現，一種低高速均能高效運行的SR電機，採用徑向分相結構，包括定子和轉子，還包括串並聯換接器，將SR電機的每相繞組劃分為分繞組繞制在該相各凸極上並在每個凸極進行分繞組始、末端接線，將每相繞組各分繞組的始、末端接線從SR電機定子內引出連接到串並聯換接器上。作為優選，在SR電機每相的凸極數多於2個時每相繞組的分繞組採用局部串接和/或並接將接線引出，再通過串並聯換接器連接成串聯方式或並聯方式，串聯方式是每相繞組處於串聯連接狀態的分繞組數多於並聯連接狀態的分繞組數，並聯方式是每相繞組處於並聯連接狀態的分繞組數多於串聯連接狀態的分繞組數。此時在電機定子內保留串聯方式和並聯方式時所需的共同連接部分，將非共同連接所需的始、末端接線由電機定子內引出連接到串並聯換接器上。在進行局部串並聯時考慮所配電源的電壓等級。作為優選，串並聯換接器是手控開關或接觸器或可控矽電路或功率開關管電路。串並聯換接器是通過接通或斷開各凸極繞組間的接線，來改變繞組的串、並聯方式，即起到一種多級開關作用，按要求即可採用手控開關(比如雙向刀閘開關)、接觸器、可控矽和功率開關管等器件來實現。作為優選，串並聯換接器是具有多個常閉開關和多個常斷開關的接觸器，常閉開關和常斷開關連接分繞組的引出線。綜合成本、可靠性和使用方便性，選用接觸器較為適且。作為優選，SR電機是直驅輪轂式電機，直驅輪轂式電機是外轉子內定子結構。通過對汽車各種輪胎型號規格的計算，設定相應輪轂電機的各種外形尺寸、電樞直徑，並按多種設計參數對SR直驅輪轂電機進行計算設計，為此通過如同接觸器等串並聯換接器來改變SR電機相繞組在各凸極間的串、並聯方式，使SR電機在低速段和高速段均能獲得較高效率，從而由串並聯換接器即可替代傳統調速系統中的機械變速箱，避免了機械傳輸間隙和傳動摩擦損耗，提高了整個調速系統的動態響應性。並且串並聯換接器的重量、體積和成本都將遠低於傳統的機械變速箱，更便於控制切換，即由電氣替代機械切換提高了低、高調速段轉換的響應性。對於SR電機的整個調速範圍可通過驅動控制器採用電流斬波(CCC)恆轉矩控制及角度位置(APC)恆功率控制等方式，即可獲得相當寬的無級調速範圍，完全可滿足電動汽車在多變路況的各種車速要求。作為優選，SR電機採用伺服控制系統。使SR電機的轉動速度、轉動角度和加速度控制更加準確和高效。本發明帶來的有益效果是，1、使SR電機運行在低速段和高速段均能獲得較高效率，尤其是用於電動汽車作為直驅輪轂電機更能發揮電動汽車的優越性；2、由所述串並聯換接器替代傳統調速系統中的機械變速箱，避免了機械傳輸間隙和傳動摩擦損耗，提高了整個調速系統的動態響應性，並且其重量、體積和成本都將遠低於傳統的機械變速箱，並更便於控制切換。


圖1是本發明的流程圖2是四相16/12極SR電機每相四個繞組採用四並聯的接線圖3是四相16/12極SR電機每相四個繞組採用先兩串聯再兩並聯的接線圖4是四相16/12極SR電機每相四個繞組採用先兩串聯再兩並聯與四並聯互為轉換連接的引出端接線圖5是四相16/12極SR電機每相四個繞組採用先兩並聯再兩串聯的接線圖6是四相16/12極SR電機每相四個繞組採用先兩並聯再兩串聯與四並聯互為轉換連接的引出端接線圖7是採用一臺專用於換接SR電機繞組串、並聯方式的接觸器。圖中:A+、B+、C+、D+，A-、B-、C-、D-,A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, D2 是分繞組引出線接線端子，KM是接觸器的開斷機構，K1-K8是常斷開關，S1-S4是常閉開關。
具體實施例方式下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體說明。實施例:如圖1所示為流程圖，基本步驟包括: 5101:在徑向分相結構的SR電機上，將每相繞組劃分為與該相凸極數相同的分繞組繞制在該相所屬的每個凸極上，並在凸極上進行分繞組始、末端接線；
5102:判斷每相凸極數是否等於2個，如果是轉S103，否則(即每相的凸極數大於2個)轉步驟S104 ；
5103:將各分繞組的始、末端接線從SR電機定子內引出連接到串並聯換接器上；
S104:根據串聯方式和並聯方式所要求的接線將每相分繞組的共同用始末端進行局部
串並聯組合；
5105:根據串聯方式和並聯方式所要求的接線將每相分繞組的非共同用的始末端接線從SR電機定子內引出連接到串並聯換接器；
5106:判斷SR電機是否運行於低速段？如果是則轉S107，否則轉入步驟S108 ；
5107:在低速段運行，串並聯換接器將每相繞組的分繞組連接成串聯方式；
5108:在高速段運行，串並聯換接器將每相繞組的分繞組連接成並聯方式。本實施例以低速運行性能較好、轉矩脈動較小的四相16/12極結構的SR電機為例進行分繞組的串並聯連接和轉換。對於四相16/12極SR電機每相四個繞組，採用先兩並聯再兩串聯方式與四並聯方式互為轉換。採用專用於SR電機的計算機有限元分析仿真可以進行驗證。在設計各種規格的SR直驅輪轂電機時，先經仿真分析比較後，選用四相16/12極SR電機為基礎，而對電機外形尺寸、電樞直徑，及定子和轉子的極距、極弧係數、軛高、凹槽深、各相繞組匝數和其線徑等結構設計參數，經優化後均採用完全相同的僅改變繞於定子各凸極上繞組的串、並聯方式，並設定成倍的額定轉速值。其額定轉速值按各種轎車輪胎型號所估算的輪胎周長，分別按汽車時速約為45km/h (適於市區行駛速度)和90 km/h (適於高速路行駛速度)計算，則獲得要求電機的額定轉速分別設為375rpm和750rpm。採用電機結構設計參數與其完全一致，繞組分別為兩並兩串和四並聯連接，相應額定轉速分別設為375rpm和750rpm進行計算機仿真比較。並對各種輪胎型號所適於的SR輪轂電機設計仿真後結果進行統計比較，兩種方法在相差I倍的額定轉速時效率均可達90%以上，採用繞組兩並兩串連接時，運行在額定轉速375rpm時效率雖比採用繞組四並聯連接、運行於額定轉速750rpm時略低約I個百分點，但採用繞組四並聯連接運行於250rpm (相當於車速約30km/h)時效率僅為40 50%，而採用繞組兩並兩串連接運行於250rpm時效率可達88%左右。為明確各相繞組採用並聯方式和串聯方式連接時所需的共同連接(局部連接)部分，首先需按每相繞組通電時，使其相鄰凸極所產生磁場極性互為相反的原則，分別繪製出兩種連接方式的繞組接線圖，通過比較兩種接線圖來找出共同連接部分。然後再繪製兩種方式轉換連接的引出端接線圖時，保留共同連接部分，而將所有非共同連接部分的各凸極繞組始、末端均引出為接線端點。由於四相16/12極SR電機的每相繞組有四並、兩並兩串、四串三種接線方式，本實施例僅選用四並與兩並兩串互為轉換的兩種接線方式，又因兩並兩串按連接順序不同可有如下兩種方法:
一種是通常採用的如圖3所示每相四個繞組採用先兩串聯再兩並聯的接線方式，比較如圖2所示的每相四個繞組採用四並聯的接線圖，即可得出如圖4所示的每相四個繞組採用先兩串聯再兩並聯與四並聯互為轉換連接的引出端接線圖。由圖4比較圖2和圖3可知:兩種方式如採用接觸器互為轉換連接，每相繞組就需兩個常閉開關和四個常斷開關來轉接。以A相為例，當電機運行於低速調速段時，要求將A1與A2、A3與A4分別由兩個常閉開關連接成兩極繞組並聯兩極繞組串聯的接線方式，當電機運行於高速調速段時，要求將A+與A2與ApA1與A3與A-分別由四個常斷開關連接成四極繞組均並聯的接線方式。根據每相繞組通電時，要求使其相鄰凸極所產生磁場極性互為相反的原則，另一種可採用如圖5所示的每相四個繞組採用先兩並聯再兩串聯的接線方式，比較如圖2所示的每相四個繞組採用四並聯的接線圖，即可得出如圖6所示的每相四個繞組採用先兩並聯再兩串聯與四並聯互為轉換連接的引出端接線圖。由圖6比較圖2和圖5可知:兩種方式如採用接觸器互為轉換連接，每相繞組僅需一個常閉開關和兩個常斷開關來轉接。以A相為例，當電機運行於低速調速段時，要求將A1與A2由一個常閉開關連接成兩極繞組並聯兩極繞組串聯的接線方式，當電機運行於高速調速段時，要求將A+與A2、A1與A-分別由兩個常斷開關連接成四極繞組均並聯的接線方式。如此即可較多減少每極繞組由定子內引出的接線端點，對於四相16/12極SR電機共需有4個常閉開關和8個常斷開關，即可僅用一臺專用於換接電機繞組串、並聯方式的接觸器來實現串、並聯互為轉換連接。如圖7所示為採用一臺專用於換接電機繞組串、並聯方式的接觸器(串並聯換接器)，對四相16/12極SR電機每相四個繞組採用先兩並聯再兩串聯與四並聯互為轉換連接的電路圖，常斷開關K1-K4 一側連接A+、B+、C+、D+、另一側連接A2、B2、C2、D2並通過常閉開關S1-S4連接A1' B1' C1' D1,常斷開關K5-K8 一側連接A1' B1' C1' D1,另一側連接A-、B-、C-、D-。而對於電動汽車直驅輪轂電機，經設計計算，由於其內定子的內徑約大於Φ 100mm,定子繞組接線即可從內徑約Φ80ι πι的空心軸引出，一臺換接用接觸器還可直接安裝在其空心軸內，如此即可極大減少從輪轂電機引出的電纜線。
權利要求
1.一種SR電機低高速均能高效運行的方法，用於徑向分相的SR電機結構，繞組在定子上，其特徵在於包括下述步驟: A、將SR電機每相繞組劃分為分繞組繞制在該相各凸極上並在每個凸極進行分繞組始、末端接線； B、將所述的每相繞組各分繞組的始、末端接線從所述SR電機定子內引出連接到串並聯換接器上，所述串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接為串聯方式或並聯方式，並進行串聯方式與並聯方式之間的轉換； C、所述SR電機運行於低速段時，所述串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接成串聯方式，在SR電機運行於高速段時，串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接成並聯方式。
2.根據權利要求1所述一種SR電機低高速均能高效運行的方法，其特徵在於:在所述SR電機每相的凸極數多於2個時每相繞組的分繞組採用局部串接和/或並接將接線引出，再通過所述串並聯換接器連接成串聯方式或並聯方式，所述串聯方式是每相繞組處於串聯連接狀態的分繞組數多於並聯連接狀態的分繞組數，所述並聯方式是每相繞組處於並聯連接狀態的分繞組數多於串聯連接狀態的分繞組數。
3.根據權利要求2所述一種SR電機低高速均能高效運行的方法，其特徵在於:SR電機每相的凸極數多於2個時，每相繞組的分繞組間局部連接方式按所配電源的電壓等級來確定，電壓高時選用分繞組局部串聯，而電壓低時選用分繞組局部並聯。
4.一種低高速均能高效運行的SR電機，採用徑向分相結構，包括定子和轉子，其特徵在於:還包括串並聯換接器，將所述SR電機的每相繞組劃分為分繞組繞制在該相各凸極上並在每個凸極進行分繞組始、末端接線，將所述的每相繞組各分繞組的始、末端接線從SR電機定子內引出連接到所述串並聯換接器上。
5.根據權利要求4所述一種低高速均能高效運行的SR電機，其特徵在於:在SR電機每相的凸極數多於2個時每相繞組的分繞組採用局部串接和/或並接將接線引出，再通過所述串並聯換接器連接成串聯方式或並聯方式，所述串聯方式是每相繞組處於串聯連接狀態的分繞組數多於並聯連接狀態的分繞組數，所述並聯方式是每相繞組處於並聯連接狀態的分繞組數多於串聯聯連接狀態的分繞組數。
6.根據權利要求4或5所述一種低高速均能高效運行的SR電機，其特徵在於:所述串並聯換接器是手控開關或接觸器或可控矽電路或功率開關管電路。
7.根據權利要求6所述一種低高速均能高效運行的SR電機，其特徵在於:所述串並聯換接器是具有多個常閉開關和多個常斷開關的接觸器，所述常閉開關和常斷開關連接所述分繞組的引出線。
8.根據權利要求4所述一種低高速均能高效運行的SR電機，其特徵在於:所述的SR電機是直驅輪轂式電機，所述直驅輪轂式電機是外轉子內定子結構。
9.根據權利要求4或8所述一種低高速均能高效運行的SR電機，其特徵在於:所述的SR電機採用伺服控制系統。
全文摘要
本發明公開了一種SR電機低高速均能高效運行的方法及其SR電機，能夠使SR電機運行在低速段和高速段均能獲得較高效率，尤其是用於電動汽車作為直驅輪轂電機更能發揮電動汽車的優越性，它包括下述步驟將SR電機每相繞組劃分為分繞組繞制在該相各凸極上並在每個凸極進行分繞組始、末端接線；將所述的每相繞組各分繞組的始、末端接線從電機內引出連接到串並聯換接器上，串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接為串聯方式或並聯方式，並進行串聯方式與並聯方式之間的轉換；SR電機運行於低速段時，串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接成串聯方式，在SR電機運行於高速段時，串並聯換接器將每相繞組的各分繞組連接成並聯方式。
文檔編號H02K19/10GK103151865SQ201310048749
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月7日 優先權日2013年2月7日
發明者王貴明, 鄒紹洪, 陳嵩, 嶽劍鋒, 方巍 申請人:浙江中自機電控制技術有限公司