一种基于交流电动机的自动换挡系统及交流电动机的制作方法

本发明实施例涉及电动机技术，尤其涉及一种基于交流电动机的自动换挡系统及交流电动机。

背景技术：

随着技术的不断提高，新能源汽车，特别是电动汽车以其低碳排放、污染力小的优点逐渐走进人们生活中。电动机是驱动电动汽车行走的动力部件，是电动汽车的核心部件之一，它代替了传统汽车的动力部件，即汽油机或者柴油机。其中，电动机的性能优劣决定了电动汽车的加速性和吨百公里电耗等性能指标，评价电动汽车用电动机的主要性能指标有：1.重量轻，功率大，较大的比功率(千瓦/公斤)；2.重量轻，扭矩大，较大的比扭矩(牛米/公斤)；3.较宽的转速范围；4.较宽的高效率区间。

现有技术中为提高电动机性能指标主要有两种方案：

第一种是在电动机和最终负载之间增加机械变速箱，通过调节变速箱的速比满足低速大扭矩、高速小扭矩的电动汽车驱动要求；

第二种是通过提高电机和电机控制器的功率等级实现更大的调速范围，满足电动汽车的特殊驱动要求。

现有技术的缺陷是：两种方案都会增加电驱动系统的体积、重量和成本，并使得驱动系统整体效率大大降低。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于交流电动机的自动换挡系统及交流电动机，以实现减小电驱动系统的体积、重量和成本，提高整体效率的目的。

第一方面，本发明实施例提供一种基于交流电动机的自动换挡系统，包括：

电动换挡装置，根据交流电动机的相数，其每相定子绕组包括四条支路，每条支路包括至少一个线圈，且每条支路中的线圈数量相等，每条支路通过电控开关与其他支路相连；

控制器，用于根据电动机转速控制各电控开关的通断，以改变电动机每相定子绕组中四条支路的串并联方式，使得电动机在不同转速下输出对应最大扭矩。

第二方面，本发明实施例还提供了一种交流电动机，设置有上述自动换挡系统。

本发明实施例通过控制器根据电动机转速控制电动换挡装置中的电控开关，从而改变电动机定子绕组中相应支路的串并联方式，进而改变相应的串联匝数，使得电动机在不同转速下输出对应最大扭矩，如此可实现全自动多挡自动换挡的功能，相对于现有技术中需要增加机械变速箱的方案，其减小了电驱动系统的体积、重量和成本，实现了提高整体效率的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种基于交流电动机的自动换挡系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种电动换挡装置的结构示意图；

图2a为本发明实施例二提供的另一种电动换挡装置的结构示意图；

图2b为本发明实施例二提供的另一种电动换挡装置的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种电动换挡装置的结构示意图。

图3a为本发明实施例三提供的另一种电动换挡装置的结构示意图；

图3b为本发明实施例三提供的另一种电动换挡装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种基于交流电动机的自动换挡系统的结构示意图，本实施例可适用于使用交流电动机提供动力的的情况，如图1所示，该基于交流电动机的自动换挡系统具体结构包括：电动换挡装置1，根据交流电动机的相数，其每相定子绕组包括四条支路，每条支路包括至少一个线圈，且每条支路中的线圈数量相等，每条支路通过电控开关与其他支路相连；控制器2，用于根据电动机转速控制各电控开关的通断，以改变电动机每相定子绕组中四条支路的串并联方式，使得电动机在不同转速下输出对应最大扭矩。

其中，交流电动机可以是单相交流电动机，也可以是多相交流电动机，例如两相交流电动机、三相交流电动机等。优选的，可以是三相交流电动机，进一步优选的，可以是三相交流异步电动机，较为常用的，还可以是三相交流永磁同步电动机或者三相交流永磁无刷电动机(水冷或风冷)，包括轮边或轮毂电动机，特别适用于5000转/分以下的中速交流电动机。该交流电动机可以为电动车辆或者电动船舶提供动力。

其中，电动机的转速可以由速度传感器采集获得，速度传感器将实时采集的电机转速实时传输给控制器，控制器根据电机转速的变化在不同的转速阶段发出不同的控制指令，以改变定子绕组中四条支路的串并联方式。进一步，速度传感器可以是旋转变压器、旋转编码器。

其中，扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。如发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽车在一定范围内的负载能力。

进一步，电动机的扭矩和定子绕组的串联匝数成正比，定子绕组中四条支路的串并联方式改变了，相应的总串联匝数也会改变，因此在相同的定子绕组电流下，电动机输出的扭矩也随串联匝数一同改变。

优选的，当一条支路中线圈的数量≥2时，则该支路中各线圈相互串联或者相互并联。

其中，本实施例中所称支路，是指两端的接线都与电控开关相连，两端之间包括有一个或多个线圈的支路，这多个线圈可以相互串联或者相互并联。进一步，线圈的个数与电动机的极数相对应，电动机的极数确定了，线圈的个数也相应确定。在实际应用中，技术人员通常将每一线圈所在线路也称为支路，如8极的电动机对应有8条支路，对应到本实施例结构上实际是指四条支路中每条支路都设置有两个线圈，这仅仅是对“支路”的定义不同，并不影响本实施例中技术方案的实际功能。

其中，电控开关是指通电或断电来控制的开关，定子绕组四条支路引出的连线与相应电控开关相连后，控制器即可通过向各电控开关发出指令来控制各电控开关的通断，如此改变定子绕组四条支路的串并联方式。

具体地，以显极双层定子绕组的三相交流永磁同步电动机为例，每相定子绕组有4条支路，每条支路中有一个或多个线圈(多个线圈之间采用串联或者并联方式相连)，则三相交流电动机的定子绕组可从电动机非动力输出端或电机外壳体，每条支路的两端分别引出两根连线，每相引出8根连线，共可引出24根定子绕组支路连线，连接三相各自4条支路共12条支路，结合控制器2的指令，可以对该12条支路进行不同的串并联组合，从而改变每相定子绕组的总串联匝数，使电动机输出与串联匝数相对应的扭矩，满足启动大扭矩和不同速度段对扭矩的需求。

优选的，电动换挡装置1的安装位置可以根据实际需要而设定，对于电动汽车，可将电动换挡装置1与电动机结合为一体，对于电动船舶，可将电动换挡装置1布置在机舱或控制室，与电动机分离。进一步，控制器2一般与电动机分离设置，安装在电动汽车上或者电动船舶机舱内。

本实施例的技术方案，通过控制器2根据电动机转速控制电动换挡装置1中的电控开关，从而改变电动换挡装置1中相应支路的串并联方式，进而改变相应的串联匝数，使得电动机在不同转速下输出对应最大扭矩，如此可实现全自动多挡自动换挡的功能，相对于现有技术中需要增加机械变速箱的方案，其减小了电驱动系统的体积、重量和成本，且机械变速箱还会有一定机械效率损失，本实施例中为全电动控制，无机械效率损失，因此还实现了提高比扭矩和整体效率的目的。

在上述技术方案的基础上，优选的，控制器2进一步可以优化为，所述控制器2具体用于，根据电动机转速控制各电控开关的通断，来改变每一定子绕组中四条支路的串并联方式，使得在不同转速下，定子绕组分别形成串联、串并联以及并联三种形式的组合，对应串联匝数依次为最大串联匝数、最大串联匝数的一半以及最大串联匝数的四分之一。如此实现全自动三挡自动换挡的功能，使得电动机在三种不同转速下输出不同最大扭矩。

在上述技术方案的基础上，优选的，控制器2还可以优化为，所述控制器2具体用于：

在电动机启动时，控制定子绕组中的四条支路连接成一路串联电路，使得串联匝数最大；以及

检测到电动机转速达到第一预设转速时，控制定子绕组中的四条支路两两串联再并联，或者两两并联再串联，使得串联匝数为一路串联电路的串联匝数的一半；以及

检测到电动机转速达到大于第一预设转速的第二预设转速时，控制定子绕组中的四条支路相互并联，使得串联匝数为一路串联电路的串联匝数的四分之一。

如果电动机转速由高于第二预设转速降到低于第一预设转速，且电动机重新开始加速，电动机将重复上述从启动到大于第二预设转速的过程。

其中，四条支路两两串联再并联是指其中两条支路先串联为一路，另外两条支路也串联为一路，然后两路串联后的电路再并联；四条支路两两并联再串联是指其中两条支路先并联，另外两条支路也并联，然后两路并联后的电路再串联。

其中，电动汽车/电动船舶在启动时通常都需要大扭矩启动，(相当于一档起步)，因此在启动时需要电动机输出最大扭矩。对于电动机每一相定子绕组中的四条支路，当四条支路都相互串联时，其定子绕组串联匝数最大。现有技术中通常是通过安装机械减速机构来实现大扭矩启动，这在一定程度上增加了整个动力系统的重量，而本实施例实现大扭矩启动无需机械减速机构，仅通过全电动控制改变定子绕组串并联方式即可实现。

进一步，电动机的额定转速对应于一定的定子绕组串联匝数。当电动机转速达到一档(即四个支路串联为一路)的额定转速时，如果不改变串并联方式，电机控制器容量将达到最大容许值，转速继续升高，将会烧坏电机控制器的功率开关器件。因此，可将第一预设转速设置为一档的额定转速，或者稍小于额定转速，并在电机转速达到第一预设转速时，改变电动机定子绕组中四条支路的串并联方式，使得定子绕组串联匝数为一路串联电路的串联匝数的一半，即二挡运行，使得转速和扭矩都能满足电动汽车的使用要求。而现有技术中，为了实现在额定转速之上恒功率运转，通常都是采取弱磁控制策略，而弱磁控制较为复杂，且控制能力也有限，而本实施例中无需弱磁控制仍实现在不同转速下输出不同扭矩的方案。

更进一步，当转速继续增大，并到第二预设转速时，再次改变电动机定子绕组中四条支路的串并联方式，使得定子绕组串联匝数为一路串联电路的串联匝数的四分之一，即三挡运行，使得转速和扭矩都能满足电动汽车的使用要求。其中，第二预设转速可以是二挡的额定转速，也可以是稍小于二挡额定转速的数值。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述电控开关为交流接触器或者固态继电器。

其中，接触器是指低压工业电器中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。固态继电器是由微电子电路、分立电子器件以及电力电子功率器件组成的无触点开关。固态继电器用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离，实现了输入端用微小的控制信号直接驱动大电流负载目的。

实施例二

图2本发明实施例二提供的一种电动换挡装置的结构示意图，由于电动机每相定子绕组的四条支路的结构均相同，在此仅给出电动换挡装置中其中一相的结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，优选是对电动换挡装置进一步优化，所述定子绕组的四条支路包括第一支路A1、第二支路A2、第三支路A3以及第四支路A4；所述电控开关包括第一开关a1、第二开关a2、第三开关a3、第四开关a4、第五开关a5、第六开关a6、第七开关a7、第八开关a8以及第九开关a9；

第一支路A1一端与第四开关a4相连，另一端分别与第一开关a1和第七开关a7相连；

第二支路A2一端分别与第一开关a1、第四开关a4以及第五开关a5相连，另一端分别与第七开关a7、第二开关a2以及第八开关a8相连；

第三支路A3一端分别与第二开关a2、第五开关a5以及第六开关a6相连，另一端分别与第八开关a8、第三开关a3以及第九开关a9相连；

第四支路A4一端分别与第三开关a3和第六开关a6相连，另一端与第九开关a9相连。

其中，每条支路的两端都通过一个或多个电控开关与其他支路相连，这样设置的好处在于，方便控制器2通过控制每一电控开关的通断来改变电动机定子绕组中各支路的串并联状态，实现对电动换挡装置1的灵活控制，为以后对电动机做进一步改进时，无需改动硬件结构，只需对控制器2的控制方式进行配置即可实现相应功能。

优选的，控制器2具体用于：在电动机启动时，控制第一开关a1、第二开关a2以及第三开关a3同时接通，其他开关a4、a5、a6、a7、a8以及a9同时断开，第一支路A1、第二支路A2、第三支路A3以及第四支路A4接成一路串联电路，使得串联匝数最大，此时，同等电流下电机扭矩最大，实现电动机在大扭矩下一档起步。

进一步优选的，控制器2还用于：检测到电动机转速达到第一预设换档转速时，控制器2发出信号使电动换挡装置1内的第一开关a1、第三开关a3、第五开关a5以及第八开关a8同时断开，其他开关a2、a4、a6、a7以及a9同时接通，使得第一支路A1与第二支路A2并联，第三支路A3与第四支路A4并联，两个并联电路再串联，这时电动机每相定子绕组串联匝数为四条支路一路串联电路的串联匝数的一半，实现电动机在二挡变速下的最大扭矩。

更进一步优选的，控制器2还用于：检测到电动机转速达到大于第一预设转速的第二预设转速时，控制第一开关a1、第二开关a2以及第三开关a3同时断开，其他开关a4、a5、a6、a7、a8以及a9同时接通，使得第一支路A1、第二支路A2、第三支路A3以及第四支路A4相互并联，其串联匝数为四条支路一路串联电路的串联匝数的四分之一，实现电动机在三挡变速下的最大扭矩。

其中，图2中给出的仅仅是每条支路中仅为1个线圈的情况，当每条支路中的线圈数量为多个时，每条支路中的各线圈可以相互串联，其结构示意图如图2a所示，其中，n表示线圈的个数；进一步，当每条支路中的线圈数量为多个时，每条支路中的各线圈还可以相互并联，其结构示意图如图2b所示。

本实施例的技术方案，定子绕组中每条支路的两端都通过一个或多个电控开关与其他支路相连，使得控制器2仅通过控制每一电控开关的通断就可改变电动机定子绕组中各支路的串并联状态，实现对电动换挡装置1的灵活控制，且本实施提供的控制方式实现了三个挡位的全自动换挡，且每个挡位都能实现最大扭矩，大大提升了电动机的性能指标。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种电动换挡装置的结构示意图，由于电动机每相定子绕组的四条支路的结构均相同，在此仅给出电动换挡装置中其中一相的结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，优选是对电动换挡装置进一步优化，所述定子绕组的四条支路包括第一支路A1、第二支路A2、第三支路A3以及第四支路A4；所述电控开关包括第一开关a1、第二开关a2、第三开关a3、第四开关a4、第五开关a5、第六开关a6、第七开关a7、第八开关a8以及第九开关a9；

第一支路A1一端分别与第四开关a4和第五开关a5相连，另一端分别与第一开关a1和第七开关a7相连；

第二支路A2一端分别与第一开关a1和第四开关a4相连，另一端分别与第七开关a7、第二开关a2以及第八开关a8相连；

第三支路A3一端分别与第二开关a2、第五开关a5以及第六开关a6相连，另一端分别与第三开关a3和第九开关a9相连；

第四支路A4一端分别与第三开关a3和第六开关a6相连，另一端分别与第八开关a8和第九开关a9相连。

其中，每条支路的两端都通过一个或多个电控开关与其他支路相连，这样设置的好处在于，方便控制器2通过控制每一电控开关的通断来改变电动机定子绕组中各支路的串并联状态，实现对电动换挡装置1的灵活控制，为以后对电动机做进一步改进时，无需改动硬件结构，只需对控制器2的控制方式进行配置即可实现相应功能。

优选的，控制器2具体用于：在电动机启动时，控制第一开关a1、第二开关a2以及第三开关a3同时接通，其他开关a4、a5、a6、a7、a8以及a9同时断开，第一支路A1、第二支路A2、第三支路A3以及第四支路A4接成一路串联电路，使得串联匝数最大，此时，同等电流下电机扭矩最大，实现电动机在大扭矩下一档起步。

进一步优选的，控制器2还用于：检测到电动机转速达到第一预设转速时，控制第一开关a1、第三开关a3、第五开关a5以及第八开关a8同时接通，其他开关a2、a4、a6、a7以及a9同时断开，使得第一支路A1与第二支路A2串联，第三支路A3与第四支路A4串联，两个串联电路再并联，其串联匝数为一路串联电路的串联匝数的一半。实现电动机在二挡变速下的最大扭矩。其中，本实施例中的控制器2对二挡变速的控制虽然与实施例二中控制器2的控制方式不同，但其结果都是使得串联匝数为一路串联电路的串联匝数的一半，实现该转速下的最大扭矩。

更进一步优选的，控制器2还用于：检测到电动机转速达到大于第一预设转速的第二预设转速时，控制第一开关a1、第二开关a2以及第三开关a3同时断开，其他开关a4、a5、a6、a7、a8以及a9同时接通，使得第一支路A1、第二支路A2、第三支路A3以及第四支路A4相互并联，其串联匝数为一路串联电路的串联匝数的四分之一，实现电动机在三挡变速下的最大扭矩。

其中，图3中给出的仅仅是每条支路中仅为1个线圈的情况，当每条支路中的线圈数量为多个时，每条支路中的各线圈可以相互串联，其结构示意图如图3a所示；进一步，当每条支路中的线圈数量为多个时，每条支路中的各线圈还可以相互并联，其结构示意图如图3b所示，其中，n表示线圈的个数。

本实施例的技术方案，电动机定子绕组中每条支路的两端都通过一个或多个电控开关与其他支路相连，使得控制器2仅通过控制每一电控开关的通断就可改变定子绕组中各支路的串并联状态，实现对电动换挡装置1的灵活控制，且本实施提供的控制方式实现了三个挡位的全自动换挡，且每个挡位都能实现最大扭矩，大大提升了电动机的性能指标。

实施例四

本实施例提供一种交流电动机，该交流电动机设置有如上述任一实施例提供的自动换挡系统。其中，自动换挡系统包括电动换挡装置1和控制器2，优选的，电动换挡装置1的安装位置可以根据实际需要而设定，对于电动汽车，可将电动换挡装置1与电动机结合为一体，对于电动船舶，可将电动换挡装置1布置在机舱或控制室，与电动机分离。进一步，控制器2一般与电动机分离设置，安装在电动汽车上或者电动船舶机舱内。

本实施例提供的交流电动机与上述各实施例提供的自动换挡系统属于同一发明构思，与上述各实施例中的自动换挡系统具备相同的功能和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。