专利名称：电动车多挡宽调速轮毂电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电动车多挡宽调速轮毂电机，属电动车永磁无刷驱动电机领域，可安装在电动车固定轴上，直接驱动电动车行驶。
背景技术：
已有电动车永磁无刷驱动电机，可以改变电机定子接法，达到变速控制的目的，如三相绕组‘Y’形(星形)可以改接成‘Δ’形(三角形)，这种改变方式的“换挡”每相绕组的匝数仍然不变，只是在外加额定电压条件下，变换了电机定子绕组总阻抗3倍，使输入电机功率有3倍突变，无法满足电动车对驱动电机的机械特性要求。另一种是永磁开关磁阻电机，采用裂开线圈的方法，它是将电机定子绕组分开成若干段，根据电动车运行在不同工况下，分别投入不同段绕组(换挡)，当投入100％绕组时，具有低速大力矩(T＝常数)；当只投入部分绕组时，电动车运行在恒功率区(P＝常数)；只投入部分绕组运行时，绕组电阻小，铜损小，电机的效率可提高，这种换挡变速方法，在一般永磁无刷电机中，尤其是整数槽绕组，在工艺制作上很难实施，例如一台36槽电机，有36个线圈，每个线圈均要按换挡要求抽出多根引线，然后又需把同位置的抽出的引线联接起来，若有3挡换接，引线接头总数是36个线圈的3倍，不仅联接困难，而且大大增加了电机线圈的引线电组，使电机绕组的总铜损增大，电机效率显著降低。
发明内容
为了克服现有技术对永磁无刷电机整数槽绕组不能实现多挡位换接，同时又要能满足电动车多种变速要求，并显著减少电机绕组导线铜损，提高效率为目的。
本发明是在分析永磁无刷电机分数槽绕组的对称条件，即具有对称条件的永磁分数槽电机，如三相或多相电机，在每一相对称的每组绕组中，可获得对称的电动势和磁动势。任何一相中的每组绕组电动势和磁动势在数值上是相等的。通过绕组对称条件可得出结论是永磁分数槽电机每相中的对称绕组，都可视为单元绕组，单元绕组可独立投入运行，又可串联、并联或混联分别投入运行；具有对称条件的每相单元绕组电机，如三相电机60极56槽(或52极56槽)、40极36槽(或32极36槽)、28极24槽(或20极24槽)、16极12槽(或8极12槽)；四相电机34极32槽(或30极32槽)；20极16槽(或12极16槽)五相电机中22极20槽(或18极20槽)；每相有4个单元绕组的电机，三相共有12个单元绕组，每相接有11个开关元件1-11，当元件1、2、3接通时，4个单元绕组串联；当元件2、3、6接通时，3个单元绕组串联；当元件1、3、4、5接通时，2个单元绕组分成两组串联后再并联(混联)；当元件6、7、8、9、10、11接通时，4个单元绕单元组并联；三相绕组共有33个开关元件，每相中11个开关元件的接法对应相同；每相有2个单元绕组的电机，五相共有12个单元绕组，每相都工作在2个单元绕组串联，1个单元绕组独立工作和2个单元绕组并联，每相绕组有3个开关元件，五相共有15个开关元件，每相中的三个开关元件接法对应相同。
由于电机中多种接法的改变，它能改变电机的内阻和安匝数，达到换挡和拓宽电机调速范围的目的，实现电动车运行时多种行驶速度的变挡，在每种换挡速度运行中，又可均匀调速，犹如燃油汽车机械换挡变速一样，以满足电动汽车不同路况行驶的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是把符合对称条件的每相中每1个单元绕组，分别接线圈绕组的(引入端)“头”和(引出端)“尾”，通过换接的开关元件(电子开关元件或机械触点元件)，联接成符合串联、并联或混联的方式，达到电机可以多种换挡变速控制目的。
本发明的有益效果与现有绕组抽头换挡变速相比，制造工艺简化，换挡接法多，由于4个单元绕组可串联换接成2个单元绕组相串再并联，还可以换接成4个单元绕组并联。因此不仅每相绕组的总电阻值，按其改变接法的顺序，呈R2减小，而且电机绕组上的电阻功率损耗显著降低，电机效率明显提高；同时每相绕组导线横截面积增大，电机的过载能力也会成倍增大，这一点对电动车是很重要的，它可以增大电机输出功率，可以提高电动车的越野性能和超车性能。
现以三相永磁无刷电机分数槽设计的40极36槽电机为例三相电机定子每相对称的4组绕组中，接有11个开关元件1-11，当元件1、2、3接通时，4个绕组串联；当元件2、3、6接通时，三个绕组串联；当元件1、3、4、5接通时，2个绕组分成两组串联后再并联(混联)；当元件6、7、8、9、10、11接通时，4个绕组并联；电机定子为三相绕组，每相中均有11个开关元件，三相共有33个开关元件。若是五相20槽，每相只有2个绕组，可工作在2个绕组串联，1个绕组工作和2个绕组并联；每相绕组有3个开关元件，五相共有15个开关元件。开关元件可以选用晶闸管SCR、门极可关断晶闸管CTO、双极性功率晶体管BJT、功率场效应管MOSEFT或有机械触点的凸轮转换组合开关等。均可正常工作，满足多种换挡要求。(参考附图1、2、3)。因此，这种换接方式，对电机的定子绕组，每相都有4挡转换，每一挡位绕组的总电阻值不同，所以，电机有4种不同的特性，即分别投入100％、75％、50％、25％的绕组运行。其机械特性如附图1、(b)所示。
永磁无刷电机的多挡开关元件，若选用电子开关元件，可以把电子开关元件装在轮毂电机内部；也可以把电机的单元绕组引线从电机壳体中引出，安装在电机壳体外部的专用控制盒中。若选用有机械触点的凸轮转换组合开关，电机内部无法安装，只有把线引出接到组合开关中。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明在附图1中，(a)为三相40极36槽电机，每相有4个对称的单元绕组，图1中(a)为简化图，仅画出一相绕组的4种联接方法，其余2相相同。4个单元绕组串联(参考附图2中开关元件的编号)，从附图2(b)中，U、V、W三相均有1、2、3、4共4种不同的工作状态，顺序分别为4个单元绕组串联，这时绕组100％投入；3个单元绕组串联，绕组75％投入；2个单元绕组串联后再并联，绕组50％投入；4个单元绕组并联，绕组25％投入。但每相绕组总电阻R值按串联至并联1、3、4的三种接法的顺序呈R2减小。从附图1(b)机械特性分析电动车要求的低速段(绕组100％投入)，为恒转矩区(T＝常数)；高速段(绕组逐部投入75％、50％和25％)，为恒功率区(P＝常数)。
在附图3中，(a)为五相20槽电机中，一相绕组的三个开关变接法联接图(b)为五相(A、B、C、D、E)，每相是相同的接法变换表，每一相中的开关序号1接通时为2个单元绕组串联；2接通时为1个单元绕组工作；2、3接通时为2个单元绕组并联工作。
在附图4和附图5中，分别为8极12槽，40极36槽电机结构示意图，图中外部为轮毂转子，内部为电机定子结构。从永磁无刷电机分数槽设计的对称条件，在附图4、附图5的示意图可以看出，图中90°对称线位置顺时针方向，第一块均为N极，其对应的定子U相的齿，都处在相同的磁场极性和强度位置，无论电机是顺时针或反时针方向旋转，单元绕组上的电动势和磁动势在数值上均相等，这是各个单元绕组可以串联和并联的理论基础，是本法明的核心。
具体实施例方式
从附图2中，电子开关元件，若选用门极可关断晶闸管GTO，按(a)的联接方法，GTO元件可安装在电机内部的定子铁芯三个腰型孔中，分别将1、2、3、4三相控制元件的控制极，分成4组。即每相的1、2、3元件，共9只元件的控制极，联接在一根引出控制线上，其余分别把每相的2、3、6；1、3、5；和6、7、8、9、10、11的控制极分别联接在一根引出线上，4种换挡接法，共有4根引出控制线，加上公共线共有5根，都从电机壳体中引出至专用控制盒中，即可对该电机实施换挡变速控制。
从附图3中可以看出，采用有触点的凸轮组合开关(示意图)，作为电机换挡变速控制器。图3(a)为一相有2个单元绕组采用3个机械开关触点，五相共有15个触点，参考附图3(b)，根据凸轮组合开关可以灵活组合的结构，可与开关厂家协作，按要求定做供货，以满足该方式的控制要求。
附注中的参考文献复印件(共10页)[1]张千帆，冠宝泉，程树康.电动车用新型驱动电机发展综述，微特电机，2004.6. 叶金虎.无刷直流电机的分数槽电驱绕组和霍尔元件的空间配置，微特电机，2001.4.
权利要求
1.一种电动车多挡宽调速轮毂电机，属电动车永磁无刷驱动电机领域，根据永磁无刷电机分数槽绕组对称条件，按电机每相绕组电动势和磁动势相等的线圈，换接成串联，并联或混联多种联接方法(多挡)，达到电动车轮毂电机多挡和宽调速要求，其特征是a、永磁分数槽电机每相中的对称绕组，都可视为单元绕组，单元绕组可独立投入运行，又可串联、并联或混联分别投入运行；b、具有对称条件的每相单元绕组电机，如三相电机60极56槽(或52极56槽)、40极36槽(或32极36槽)、28极24槽(或20极24槽)、16极12槽(或8极12槽)；四相电机34极32槽(或30极32槽)；20极16槽(或12极16槽)；五相电机中22极20槽(或18极20槽)；c、每相有4个单元绕组的电机，三相共有12个单元绕组，每相接有11个开关元件1-11，当元件1、2、3接通时，4个单元绕组串联；当元件2、3、6接通时，3个单元绕组串联；当元件1、3、4、5接通时，2个单元绕组分成两组串联后再并联(混联)；当元件6、7、8、9、10、11接通时，4个单元绕组并联；三相绕组共有33个开关元件，每相中11个开关元件的接法对应相同；d、每相有2个单元绕组的电机，五相共有12个单元绕组，每相都工作在2个单元绕组串联，1个单元绕组独立工作和2个单元绕组并联，每相绕组有3个开关元件，五相共有15个开关元件，每相中的三个开关元件接法对应相同。
2.根据权利1所述的电动车多挡宽调速轮毂电机，其特征是开关元件可以选用晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO，双极型功率晶闸管BJT，功率场效应晶体管MOSEFT或有机械触点的凸轮转换组合开关。
3.根据权利要求1所述的电动车多挡宽调速轮毂电机，其特征是永磁无刷电机的多挡开关元件，若选用电子开关元件，可以把电子开关元件装在轮毂电机内部；也可以把电机的单元绕组引线从电机壳体中引出，安装在电机壳体外部的专用控制盒中。
全文摘要
电动车多挡宽调速轮毂电机，直接装在电动汽车轴上，驱动电动车辆行驶。根据永磁分数槽电机具有对称的电枢绕组，对称绕组视为单元绕组，具有每相4个单元绕组的电机，每相用11个电子开关元件，可换接成串、并或混联，使电动汽车有多挡变速(如机械换挡)，拓宽了车辆运行速度范围，满足车辆低速大转矩(T＝常数)、高速恒功率(P＝常数)要求，同时高速时绕组并联、混联铜损小，效率高，功率增大。提高了电动车辆的越野性和超车性能。
文档编号H02K3/28GK1921262SQ20051009776
公开日2007年2月28日 申请日期2005年8月28日 优先权日2005年8月28日
发明者万德鸿, 万红 申请人:万德鸿, 万红