一种用于新能源车辆的电机及其控制方法与流程

本发明涉及新能源车辆技术领域，具体而言涉及一种用于新能源车辆的电机及其控制方法。

背景技术：

新能源车辆运行过程中，由于其自身搭载的电池储能容量有限，因此如何提高车辆运行过程中电能的利用效率已经逐渐成为行业关注的重点。新能源车辆运行过程中，驱动电机始终是车辆中耗能最多的器件之一。因此，如何提高车辆电机的运行效率是影响车辆续航距离的关键问题。

电机在设计时，具有额定工作点，电机处于额定工作点时，其运行效率最高，能够最大程度地将电池电能转换为车辆的运行动能。但是，该额定工作点仅匹配于车辆的特定负载状态。车辆轻载、重载或刚启动等状态下，电机工作点偏离额定工作点，此时电机的工作效率甚至仅有额定工作点下的70％甚至更低。因此，如何将电机的工作效率始终维持在额定工作点附近，逐渐成为新能源车辆设计的重点。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于新能源车辆的电机及其控制方法，本发明通过对电机定子、转子之间偏转角度的设计以及转子启动单元的设计，能够将电机运行状态迅速调整至额定工作点附近，并根据车辆运行需要相应调整电机输出扭矩，以提高车辆整体的运行效率。本发明具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种用于新能源车辆的电机，其包括：电机轴，其包括间隔设置并连接为一整体的圆柱段和棱柱段，所述圆柱段和棱柱段同轴；转子，其套设在电机轴中圆柱段的外周，包括转子本体，以及嵌入转子本体外周表面的转子永磁体，所述转子本体的内部与圆柱段之间连接有，所述转子本体中接近棱柱段的一侧端部设置有对接凹槽，所述对接凹槽的内壁设置有对接啮合齿，所述转子永磁体沿转子本体的外周等间距排列，且，各所述转子永磁体的长轴方向均与电机轴之间沿第一方向错开有第一预设角度；定子，其设置在转子的外周，所述定子与转子之间预留有供转子转动的间隙，所述定子的内周表面间距排列有绕组固定槽，各所述绕组固定槽的长轴方向均与电机轴之间沿第二方向错开有第二预设角度，所述第二方向与第一方向相反；转子启动单元，其设置在电机轴棱柱段的外周，所述转子启动单元在电机启动的过程中沿电机轴向转子的对接凹槽内部滑动，与所述对接啮合齿啮合并向转子输出驱动其转动的瞬时扭矩；电机运行的过程中，所述转子启动单元通过对接啮合齿从动于转子，从而通过转子启动单元内周与电机轴棱柱段棱边之间的配合关系驱动电机轴随同转子同步转动。

可选的，上述任一所述的用于新能源车辆的电机，其中，所述转子启动单元包括：驱动线圈，其环绕设置在电机轴的棱柱段的外周，并与电机轴之间保留有间隔距离；保护套，其包覆在驱动线圈外，所述保护套的内圈与电机轴之间无直接接触；滑动驱动装置，其包括：连接部，其设置在所述保护套的内圈与电机轴之间，所述连接部的内周与棱柱段的外周滑动连接并保持与棱柱段同步转动；啮合部，其固定连接在所述连接部的端部，位于接近转子中对接凹槽的一端，所述啮合部的外周具有能够与对接啮合齿相啮合的凸齿；驱动端子，其可伸缩的设置在所述连接部上，所述驱动端子的末端固定有导磁体；驱动线圈通电时，驱动端子受磁场吸引而伸出连接部，抵触保护套从而驱动连接部沿电机轴向转子的对接凹槽内部滑动，或受磁场作用而带动整个连接部沿电机轴向驱动线圈的内侧滑动。

可选的，如上任一所述的用于新能源车辆的电机，其中，所述驱动端子的伸缩方向与电机轴之间沿转子转动的方向错开有第一旋转角度。

可选的，如上任一所述的用于新能源车辆的电机，其中，所述啮合齿和/或凸齿相对于电机轴具有第一螺旋角。

可选的，如上任一所述的用于新能源车辆的电机，其中，所述电机的内部沿电机轴排列有若干组转子与定子，以及与转子相匹配的转子启动单元。

可选的，如上任一所述的用于新能源车辆的电机，其中，相邻两转子之间，分别匹配于相邻两转子的转子启动单元具有共同的驱动线圈，并且，所述共同的驱动线圈内设置有分别对应相邻两个转子的两个滑动驱动装置。

可选的，如上任一所述的用于新能源车辆的电机，其中，所述电机内还设置有基础扭矩转子，所述基础扭矩转子的内部与电机轴固定连接，始终向电机轴输出扭矩并带动电机轴同步转动。

同时，为实现上述目的，本发明还提供一种用于新能源车辆的电机控制方法，其用于如前所述的电机，其步骤包括：第一步，在接收到启动信号时，触发第一储能电容c1向驱动线圈瞬时放电，触发驱动线圈产生第一磁场，沿滑动驱动装置周向设置的各驱动端子受第一磁场吸引而伸出连接部向驱动线圈移动；第二步，驱动线圈放电结束，第一磁场撤销，此时驱动端子由惯性作用保持向驱动线圈移动并抵触包覆在驱动线圈外部的保护套，从而推动整个滑动驱动装置沿电机轴向转子的对接凹槽内部滑动；第三步，滑动驱动装置的啮合部进入转子的对接凹槽内部后，逐渐与对接凹槽内壁的对接啮合齿啮合，此过程中，各驱动端子由弹性件带动而收缩至连接部内，啮合部受驱动端子和/或啮合齿相对于电机轴的角度作用而将连接部的水平滑动转换为对电机转子的旋转扭矩；第四步，电机定子通电，产生电机驱动磁场，所述电机驱动磁场以由第一预设角度和第二预设角度叠加形成的驱动角度驱动电机的转子继续沿其所受旋转扭矩的方向转动，达到额定工作点运行状态。

可选的，上述任一所述的用于新能源车辆的电机控制方法，其中，所述电机还在接收到制动信号后，执行以下步骤：步骤a，切断对电机定子绕组的供电，并保持滑动驱动装置的啮合部与转子的对接凹槽之间相互啮合，保持每一组转子均与电机轴同步转动；步骤b，触发双向电路由驱动状态切换至回收状态，开启双向电路中的能量回收通路，同时接收各定子感应于转子惯性转动而产生的感应电流，将所述感应电流转换为充电电流，向储能单元充电；步骤c，转子停止后，向驱动线圈供电，触发驱动线圈产生第二磁场，沿滑动驱动装置周向设置的各驱动端子受第二磁场吸引而伸出连接部向驱动线圈移动，当驱动端子伸出到极限位置后，继续保持第二磁场，由驱动端子牵引连接部带动啮合部沿电机轴平移而脱离转子的对接凹槽；步骤d，连接部即将到达驱动线圈的内侧时停止向驱动线圈供电，撤销第二磁场。

可选的，如上任一所述的用于新能源车辆的电机控制方法，其中，所述步骤a中，在切断对电机定子绕组的供电后，通过以下步骤保持滑动驱动装置的啮合部与转子的对接凹槽之间相互啮合：步骤a1，触发第一储能电容c1向驱动线圈瞬时放电，触发驱动线圈产生第一磁场，沿滑动驱动装置周向设置的各驱动端子受第一磁场吸引而伸出连接部向驱动线圈移动；步骤a2，驱动线圈放电结束，第一磁场撤销时，驱动端子由惯性作用保持向驱动线圈移动并抵触包覆在驱动线圈外部的保护套，从而推动整个滑动驱动装置沿电机轴向转子的对接凹槽内部滑动，使得滑动驱动装置的啮合部进入转子的对接凹槽内部后，与对接凹槽内壁的对接啮合齿啮合，带动转子与电机轴同步转动。

有益效果

本发明电机利用转子和定子之间电磁驱动部件所设置的错开角度，而在电流驱动下产生周向的力矩，迅速驱动电机运行，避免电机在特定角度下难以被启动。为进一步减少电机启动运行时所需驱动电流，本申请还通过转子启动单元与电机轴之间的耦合作用为转子提供驱使其转动的扭矩。由此，本申请能够迅速将电机运行状态调整至额定工作点附近。本申请还能够进一步的利用转子启动单元与电机轴和转子之间的耦合作用而相应的通过增设转子和定子，而根据车辆运行需要相应调整电机输出扭矩，以提高车辆整体的运行效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的电机整体结构的剖面示意图；

图2是本发明的电机中定子与转子之间绕组与永磁体设置方式的示意图；

图3是本发明中转子启动单元的剖面示意图；

图4是转子启动单元中驱动端子伸缩状态的示意图；

图5是本发明的电机所对应的运行状态的控制电路。

图中，1表示电机轴；11表示圆柱段；12表示棱柱段；2表示转子；20表示转子本体；21表示滚针轴承；22表示转子永磁体；23表示凹槽；24表示啮合齿；3表示定子；31表示绕组固定槽；4表示转子启动单元；40表示驱动线圈；41表示连接部；42表示啮合部；43表示驱动端子；c1表示第一储能电容。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于电机本身而言，由其外壳指向转子内部电机轴的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

图1为根据本发明的一种用于新能源车辆的电机，其在同一个电机外壳内设置有：

电机轴1，其贯穿所述电机外壳，包括间隔设置并连接为一整体的圆柱段11和棱柱段12，所述圆柱段11和棱柱段12同轴；

转子2，其套设在电机轴中圆柱段11的外周，包括转子本体20，以及嵌入转子本体21外周表面的转子永磁体22，所述转子本体20的内部与圆柱段11之间连接有滚针轴承21，所述转子本体20中接近棱柱段12的一侧端部设置有对接凹槽23，所述对接凹槽23的内壁设置有对接啮合齿24，所述转子永磁体22沿转子本体20的外周等间距排列，且，各所述转子永磁体22的长轴方向均与电机轴1之间以图2方式沿第一方向错开有第一预设角度α；

定子3，其设置在转子2的外周，所述定子3与转子2之间预留有供转子2转动的间隙，所述定子3的内周表面间距排列有绕组固定槽31，各所述绕组固定槽31的长轴方向均与电机轴1之间以图2方式沿第二方向错开有第二预设角度β，所述第二方向与第一方向相反；由此，转子转动间隙两侧相对设置的绕组和转子永磁体之间轴向相差α+β的角度，绕组通电后所产生的磁场与转子永磁体所具有的磁场之间旋转α+β的角度，转子因磁场角度旋转而具有相对于电机轴周向的初始扭矩分量，从而能够避免转子永磁体与定子绕组两者之间因磁场完全正对而无法直接驱动电机转动的情况；

转子启动单元4，其设置在电机轴棱柱段12的外周，所述转子启动单元4在电机启动的过程中沿电机轴向转子2的对接凹槽23内部滑动，与所述对接啮合齿24啮合并向转子输出驱动其转动的瞬时扭矩；电机运行的过程中，所述转子启动单元4通过对接啮合齿24从动于转子2，从而通过转子启动单元4内周与电机轴棱柱段12棱边之间的配合关系驱动电机轴随同转子同步转动，以通过转子启动单元所提供的瞬时扭矩增加启动阶段转子转速，使其尽快达到额定工作点，减少电机在低效状态下运行的时间，而迅速将电机调整到高效的输出状态。

其中，参考图3以及图4所示，上述的转子启动单元4可具体通过以下结构实现：

驱动线圈40，其环绕设置在电机轴的棱柱段的外周，并与电机轴之间保留有间隔距离；

保护套，其包覆在驱动线圈40外，所述保护套的内圈与电机轴之间无直接接触；

滑动驱动装置，其设置在驱动线圈内位于电机轴外，能够相对电机轴平移滑动而与所述对接啮合齿24啮合并向转子输出驱动其转动的瞬时扭矩，该滑动驱动装置具体包括有：

连接部41，其设置在所述保护套的内圈与电机轴之间，所述连接部41的内周与棱柱段12的外周通过滚珠轴承、滑槽、滑块等方式滑动连接并保持与棱柱段12同步转动；

啮合部42，其固定连接在所述连接部41的端部，位于接近转子2中对接凹槽23的一端，所述啮合部42的外周具有能够与对接啮合齿24相啮合的凸齿，其内周与棱柱段相耦合连接而能够沿电机轴平移；

驱动端子43，其可伸缩的设置在所述连接部41上，所述驱动端子43的末端固定有导磁体，或者能够被驱动线圈磁场吸引的磁片；

驱动线圈40通电时，驱动端子43受磁场吸引而伸出连接部41，抵触保护套41从而通过保护套的反作用力而驱动连接部41沿电机轴向转子2的对接凹槽23内部滑动，或受磁场作用而带动整个连接部41沿电机轴向驱动线圈的内侧滑动。由此，啮合部与电机转子端部的对接凹槽23内部滑动，与对接凹槽23中的对接啮合齿24啮合并向转子输出驱动其转动的瞬时扭矩，保证转子与电机轴之间同步转动。

为进一步在驱动端子滑动过程中直接带动电机转子转动，本申请还可以进一步的将驱动端子43的伸缩方向与电机轴之间沿转子转动的方向错开有第一旋转角度，而设置驱动端子的端面角度和形状贴合于保护套的内周。由此，保护套反作用于驱动端子可提供沿驱动端子方向的作用力，以通过驱动端子触动滑动驱动装置整体相对于定子转动。此时，驱动端子啮合部42外周的凸齿相应的与具有与该第一旋转角度匹配的第一螺旋角度的对接啮合齿24逐步相啮合，即可将转子、电机轴和滑动驱动装置连接为一整体，从而为转子提供初始的旋转扭矩，使其能够迅速达到额定工作点，高效输出驱动力驱动新能源车辆运行。

配合于该对接啮合齿24的第一螺旋角度，啮合部外周的凸齿同样可相应设置具有螺旋角度，以方便凸齿在逐步从对接凹槽23外部向内移动的过程中与对接啮合齿24啮合，并同时在此过程中，通过啮合面的螺旋角度对转子提供转动方向上的驱动力，辅助转子启动。

为动态响应不同行驶状态下对电机输出扭矩的要求，本申请还可进一步的通过转子与电机轴之间的离合关系，利用上述的滑动驱动装置实现对若干组转子分别独立的输出状态控制。此方式下，所述电机的内部沿电机轴排列有若干组转子与定子，每一组转子与定子相对，转子外侧设置有与之相匹配的转子启动单元4。为节约转子启动单元的安装空间，相邻两转子之间，分别匹配于左右两转子的转子启动单元可设置为具有共同的驱动线圈40，而该共同的驱动线圈40内可独立设置分别对应两个转子的两个滑动驱动装置。当需要增加转子提供额外扭矩时，对应该转子的滑动驱动装置被驱动线圈触发而通过驱动端子的推动与相应转子啮合，将转子与电机轴连接为同步转动。由此，增加的转子能够通过与其所匹配的定子的电磁作用力而额外的对电机轴提供扭矩，增加电机整体输出的扭矩大小。

当不需要转子提供扭矩时，转子与电机轴之间通过滚珠轴承转动连接电机轴由其他转子的转动提供扭矩而与在未被启动的转子内部空转。一般，为保证基础巡航时扭矩输出稳定，本申请可以将电机中的一组转子设计为基础扭矩转子。该基础扭矩转子通过图1左侧所示的方式直接与电机轴固定连接，始终向电机轴输出扭矩并带动电机轴同步转动。该基础扭矩转子的内部可直接耦合连接在电机轴的棱柱段，通过棱柱的凸出结构实现与电机轴的同步。此时，其他转子可分别通过滑动驱动装置实现与电机轴的耦合或脱离与电机轴的耦合，耦合状态下，转子通过滑动驱动装置连接至电机轴而向电机轴输出额外的扭矩，保证电机在车辆启动或爬坡时具有足够的扭矩输出从而保证车辆正常运行。脱离耦合的状态下，电机轴在相应未被驱动的转子内部自由转动，依靠其他基础扭矩转子和处于驱动耦合状态下的转子提供扭矩输出。

滑动驱动装置中的驱动端子43可参考图4所示，由弹簧、连杆以及设置在连杆端部配合于保护套内周结构的导磁体实现。主弹簧连接在连杆的底部与安装连杆的连接部的安装槽底面之间，连杆上设置有分别对应于驱动端子43收回状态和伸出状态的限位槽。收回状态下，位于驱动端子顶端的限位槽与设置在连杆安装槽顶部的弹性连接件耦合，限制驱动端子向外滑脱，避免滑脱后的驱动端子影响滑动驱动装置与转子之间耦合或阻碍转子在定子内部转动。伸出状态下，位于驱动端子底端的限位槽与设置在连杆安装槽顶部的弹性连接件耦合，限制驱动端子直接向内回收而未提供对端子的驱动效果。即，电机转子额外由该滑动驱动装置驱动运转时，驱动线圈通电产生磁场吸引驱动端子端部的导磁体带动整个驱动端子向驱动线圈伸出，设置在连杆安装槽顶部的弹性连接件由与驱动端子顶端限位槽的耦合状态下脱离而与驱动端子底端限位槽耦合，此时导磁体一旦与驱动线圈的保护套抵触，则能够通过弹性连接件与驱动端子底端限位槽的耦合限制驱动端子直接被收回，由此，利用驱动端子的反作用力实现对连接部的推动，通过驱动端子所设置的旋转角度或滑动驱动装置与转子之间对接啮合结构的旋转角度为电机转子提供初始的旋转扭矩使其能够直接被推动旋转，以尽快达到额定运行状态。随后，由于反作用力使得弹性连接件与驱动端子底端限位槽之间的耦合松动，此时位于连杆底端的主弹簧提供进一步的回收动力将连杆和导磁体恢复至回收状态，以方便再一次触发。

上述的电机驱动过程可通过图5所示的电路结构实现对电机运行状态的控制并实现对刹车制动时电机动力的回收。该电路在接收到启动信号时：

第一步，触发第一储能电容c1由光伏电路或者辅助电源充电而通过该储能电容c1向驱动线圈40瞬时放电，触发驱动线圈40在储能电容c1放电过程中产生第一磁场，吸引沿滑动驱动装置周向设置的各驱动端子43，而使各驱动端子43伸出连接部41向驱动线圈40移动；

第二步，驱动线圈40放电结束，第一磁场撤销，此时驱动端子43由惯性作用保持向驱动线圈40移动并抵触包覆在驱动线圈40外部的保护套41，从而利用保护套的反作用力推动整个滑动驱动装置沿电机轴向转子2的对接凹槽23内部滑动；

第三步，滑动驱动装置的啮合部进入转子2的对接凹槽23内部后，逐渐与对接凹槽23内壁的对接啮合齿24啮合，此过程中，各驱动端子43脱离伸出位置而由弹性件带动而收缩至连接部内，啮合部受驱动端子43和/或啮合齿24相对于电机轴的角度作用而将连接部41的水平滑动转换为对电机转子的旋转扭矩；

第四步，电机定子通电，产生电机驱动磁场，所述电机驱动磁场由以第一预设角度α和第二预设角度β叠加形成的驱动角度驱动电机的转子继续沿其所受旋转扭矩的方向转动，从而迅速达到额定工作点的运行状态。

该电机还可进一步的在接收到制动信号后，根据霍尔元件或电流传感检测到转子转动的电角度，以通过图5右下角所示的多组开关元件执行以下回收电机动能为电池充电的步骤：

步骤a，切断电机驱动电路q1至q6对电机定子绕组的供电，并保持电机中每一组滑动驱动装置的啮合部均分别与其对应转子的对接凹槽23之间相互啮合，保持每一组转子均与电机轴同步转动；

步骤b，触发光伏电路中向电源充电的双向电路由对第一储能电容c1充电的驱动状态切换至回收状态，形成光伏电路至储能电池的能量回收通路，此时，根据霍尔元件或电流传感检测到转子转动的电角度相应驱动q7至q10的开关元件相应通断，通过回收电容c2、c3缓冲电机各相线圈所产生的感应电动势，并通过q7至q10的开关元件的通断同时接收各定子感应于转子惯性转动而产生的感应电流，从而利用光伏电路中的dc-dc将所述感应电流转换为充电电流，向储能单元充电；

比如，电机的第一相位所对应的两端子，感应于转子的磁场而在c2和c3上产生感应电动势，c2、c3短脚之间形成电位差，此时，可通过导通q8和q10将该电压输出至光伏电路的输入端，通过光伏电路的电压转换为电池等储能电源器件充电；其他相位情况下，c2或c3单独接收电位差，从而通过驱动q7、q9或q8、q10导通而相应将电压输出至光伏电路的输入端进行充电。

步骤c，转子停止后，第一储能电容c1由光伏电路向驱动线圈40供电，触发驱动线圈40产生第二磁场，以使得沿滑动驱动装置周向设置的各驱动端子43受第二磁场吸引而伸出连接部41向驱动线圈40移动，当驱动端子43伸出到极限位置后，继续保持第二磁场，由驱动端子43牵引连接部带动啮合部沿电机轴平移而脱离转子2的对接凹槽23；

步骤d，连接部即将到达驱动线圈的内侧时停止向驱动线圈40供电，撤销第二磁场，此时，驱动端子43由其底端的主弹簧驱动收缩回连接部内侧，以供再一次被触发。

为进一步保证滑动驱动装置的啮合部与转子的对接凹槽23之间在切断对电机定子绕组的供电后稳定啮合，本申请还可进一步的在上述步骤a中增加以下操作：

步骤a1，触发第一储能电容c1向未实现啮合的滑动驱动装置所对应的驱动线圈40瞬时放电，触发驱动线圈40产生第一磁场，使得沿滑动驱动装置周向设置的各驱动端子43受第一磁场吸引而伸出连接部41，向驱动线圈40移动；

步骤a2，驱动线圈40放电结束，第一磁场撤销时，驱动端子43由惯性作用保持向驱动线圈40移动并抵触包覆在驱动线圈40外部的保护套41，从而利用保护套反作用于此时位于伸出状态限位槽所设位置的连杆，推动整个滑动驱动装置沿电机轴向转子2的对接凹槽23内部滑动，使得滑动驱动装置的啮合部进入转子2的对接凹槽23内部后，与对接凹槽23内壁的对接啮合齿24啮合，带动转子与电机轴同步转动，以便收集原先未参与驱动的转子所产生的感应电动势，加速电机停止，并增加采集到的电机的感应电动势，以提高对电机动能的回收效率。

由此，本发明通过对电机定子、转子之间偏转角度的设计以及转子启动单元的设计，能够将电机运行状态迅速调整至额定工作点附近，并根据车辆运行需要相应调整电机输出扭矩，以提高车辆整体的运行效率。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。