专利名称：蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机的制作方法
技术领域：
本发明属于转矩闭环控制的电动机领域，涉及到电动汽车等由蓄电池供电的多相 永磁无刷直流电动机。
背景技术：
电动汽车要求其驱动系统能满足各种工况的要求在电动汽车启动、加速、爬坡、 驻坡启动工况下，需要其驱动系统在中、低速下能提供3-4倍额定转矩的峰值转矩；在最高 车速工况下，需要驱动系统在最高转速下提供克服相应行车阻力的等效转矩。永磁无刷直流电动机的电磁转矩Te = Kt · 10，其中Kt是永磁无刷直流电动 机的转矩常数，单位是Ν·πι/Α ；I0是永磁无刷直流电动机的相电流，Α;永磁无刷直流电动机 的线反电势E1 = Ke · m,Ke是反电势常数，单位是V/rad · s—1 ； com是电动机输出角速度， 单位是rad/s。在国际单位制下，Ke与Kt数值上是相等的，但它们的物理含义和量纲是不 同的。在一定的电源电压下，加大Ke(Kt)受与最高车速相对应的电动机最高角速度 "m(max)限制，因此，增大电磁转矩Te就只能增加电动机相电流10;相电流I0增大，就使蓄 电池放电电流Idc增大。对于一定的额定容量的蓄电池来说，不同放电率下的蓄电池有不同实际容量，这 种关系大致可以用Peukert经验公式来表示t = Κ/Γ其中，t为实际放电时间，h ；I为放 电电流，A ;K、m为大于1的电池结构常数。从上式可知配备一定额定容量的蓄电池，电动机相电流I0越大，蓄电池的放电电 流Idc也越大，放电时间按非线性比例缩短，蓄电池的实际容量也相应变小。对于电动汽车 来说，大电流放电将使其一次充电的续行里程急速变短。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种在不提高成本基础上使系统综合性能提高; 在装备的蓄电池额定容量不增加前提下，使电动汽车的一次充电的续行里程延长；使蓄电 池充放电循环次数增加；或者在一次充电的续行里程不变情况下，减少蓄电池的额定容量。为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案本发明包括电动机本体、转子位置传感器和控制器，其特殊之处在于所述的永磁 无刷直流电动机的转子为P对N、s相间的永磁转子；定子铁芯开设有Z个槽，槽中嵌有η个 独立的3相整距绕组；所述的η个独立的3相整距绕组分别与控制器的η个3相逆变桥输 出端相连；所述的转子位置传感器的U、V、W、R、S、T 二值传感元件输出转子位置的12种有 效信息至控制器，控制器处理信息后输出控制信号到η个3相逆变器，控制其输出状态。上述的控制器通过指令电流Γ和反馈电流的比较来决定3相逆变器的脉宽调制 的输出电压的占空比δ ；所述的η个逆变桥分成两组，每组为η/2个逆变桥，两组逆变桥的
3输出电压的调制频率相等，但两组的脉宽调制波的初相位相互移相秒。
2r pwM上述的永磁转子的极对数P，定子铁芯的槽数Ζ，η个独立的3相整距绕组的关系 可以是Z = 6ρ ·η，也可以在η彡ρ时，Z = 6ρ ；在η个独立3相绕组之间，其相绕组的有效 串联导体数，可以是相等的，也可以是不相等的。与现有技术相比，本发明的有益效果(1)可以用较少的定子槽数构成η个3相绕组，η个3相绕组之间可以是对称的也 可以是不对称的；(2)η个3相绕组的电时间常数比单3相绕组的电时间常数小，且η越大，电时间常 数越小；η越大，脉动转矩频率越高，幅值越小；(3)有了 η彡2的3相绕组，就可以采用PWM移相方法使蓄电池峰值放电电流减小， 从而在相同负载下可以使额定容量相同的蓄电池放电时间延长，使电动汽车的一次充电续 行里程延长；(4)可以采用多个相互间不对称的3相绕组适应不同工况，减少功率器件的冗余 成本和进一步减小蓄电池放电电流；(5)可以减少功率器件的并联数，提高功率器件的利用率，对于低电压大容量控制 器来说，优越性十分明显；(6)具有η个裕度设计，在电动机或控制器出现故障时，可以使系统仍能运行，提 高了电动汽车的自救能力。
附图1为3相永磁无刷直流电动机的相电流和蓄电池放电电流；附图2为双3相永磁无刷直流电动机的相电流和蓄电池放电电流； 附图3为双3相PWM移相的永磁无刷直流电动机的相电流和蓄电池放电电流；附图4为η个3相绕组的系统结构图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。一台3相永磁无刷直流电动机转矩常数Kt 一定时，增大电磁转矩，势必增大电机 相电流10，10增大势必使蓄电池放电电流Idc增加，见附图1。图中细实线是绕组相电流10， 粗实线为电池放电电流IDC。所以说3相永磁无刷直流电动机在6状态工作状态下电池放 电电流Idc的峰值仅正比于电动机的电磁转矩Te。一台双3相永磁无刷直流电动机，如果 双3相控制器的PWM的频率和初相位均相同，在电动机的电磁转矩Te相同时，每一套3相 绕组中相电流仅为单3相绕组电机的相电流的1/2，但蓄电池放电电流Idc却与单3相电机 相同，如附图2。如将附图2所示的电机的两个载波频率相同，但初相位相差1/2TPWM，从附 图3可见，在双3相相电流l0i、102不变情况下，电池放电电流Idc中幅值却只有附图1和 2中Iirc的一半，但Irc的占空比却增加一倍。附图2、3中细实线为I01，细虚线为102，粗实线 为 Idc°对电动汽车来说，只有在中、低速下才需要电动机输出峰值转矩(Tp)，相应的峰值
4CN 相电流IP(0)，占空比δ ( 0. 5，对应的蓄电池放电峰值电流Ip(DC)，占空比D彡1。在相同输出转矩和转速时，对于η = 1的单3相系统来说Ι ρ(Βθ = 2 Ιρ(0)，δ = 0. 5，D = 0. 5，蓄电池放电时间为t ;n = 2且两个逆变桥输出电压有相同的fPWM但初相位相 互移相1/2Tpwm的双3相系统来说ΓΡρο = Ip(0)，δ ‘ = 0.5, D' = 1，蓄电池放电时间为 t'。按蓄电池放电电流和放电时间的关系，可得 则t' = 1. 23t这就是说由同一组蓄电池供电，在相同输出转矩和相同转速时，双3相系统的 PWM调制频率相同且相互移相1/21~_的工作时间比单3相系统的工作时间延长了 23%。实现这种特殊模式必须解决20kw以下，η彡2的3相永磁无刷直流电动机定子冲 片槽数太多的生产技术问题。20kw左右的永磁无刷直流电动机的定子冲片内经大约在0140 mm上下。当极对 数ρ = 4，n = 2——3相绕组，常规需在定子冲片上开Z = 2pX3n = 2X4X3X2 = 48个 槽，这将带来槽面积利用率降低和齿的宽度太窄等问题。为了解决这个问题，可以使用“单元电机”(“unit motor")概念使定子最小槽数 Z = 6ρ，η彡ρ。如ρ = 4时，Z = 24，可以得到的最多的3相绕组数η = ρ = 4，而采用常 规方式，构建P = 4，η = 4的3相定子绕组需要在定子冲片上冲制Z = 2ρ X 3η = 8 X 12 = 96槽。不论是常规方式——定子槽数Z = 2ρΧ3η，还是采用“单元电机”方式——定子 槽数Z = 6ρ，η < ρ，每个3相绕组必是对称的，但η个3相绕组之间可以是对称的也可 以是不对称的——比如η个各自对称的3相绕组，其相绕组的有效串联导体数^可以是 N01=N02=N03=N04，也可以是N01= N02 ,N03=N04，但N01 乒N03，还可以是N01 乒N02乒N03乒N04等 等，就是说，可以构成η个相互对称3相绕组，也可以构成η个相互不对称的3相绕组。本发明的多相永磁无刷直流电动机系统包括电动机本体、位置传感器、控制器，其 结构见附图4。电动机本体除机壳、端盖、轴、轴承、冷却系统等结构件外，还有ρ对N、S相 间的永磁转子。定子铁芯冲片上开有Z个槽，Z = 2ρX 3η (ρ为电机极对数，η = 2、3、4…)， 在Z个槽中嵌入η个独立的3相对称的单层绕组。当电动机定子尺寸较小时，也可以用“单 元电机”方式，在定子铁芯冲片上最少开出Z个槽，其中Z = 6ρ，这个开有Z = 6ρ的定子上 最多可以布置成η ^ ρ个独立的3相对称的单层绕组。不论定子铁芯开有Z = 2ρΧ3η个 槽还是最少开有Z = 6ρ个槽，都可以嵌入η个对称的3相绕组，η个3相绕组之间可以是 绕组数据(比如每槽有效串联导体数等)相同的，也可以是绕组数据不相同的。不相同的 绕组数据使其反电势系数Ke (Kt)也不同，形成一台多个Ke (Kt)绕组的3相永磁无刷直流 电动机。这种电动机可以适应低速时以较小电流提供大转矩，高速时提供等效恒功率。转子位置传感器传感器U、V、W在空间互相差120°电角度，R、S、T分别与U、V、 W在空间相差30°电角度，提供转子位置的12种有效信息。
控制器包括信息处理和η个3相电压源逆变器两部分，其功能是(1)接受指令运 行/停止(0N/0FF)、电动机顺时针/逆时针(CW/CCW)转向信号、电动机相电流(即转矩) 指令信号Γ ；接受U、V、W、R、S、T转子位置信号；接受IA1、Ici, ΙΑ2、込…..IAn、Icn相电流反 馈信号；(2)根据Γ与反馈电流If的比较改变PWM的占空比、使电动机相电流跟踪指令 Γ ； (3) 2组PWM移相TPWM/2，使两组相电流不叠加；(4)受制于转子位置信号和移相的PWM信 号构成各个逆变器的驱动信号，使η个电压型逆变器按指令向各个电动机3相绕组输送电 流。本发明的必要和充分条件是有η = 2、3、4…的η个独立的3相电枢绕组分别由η 个3相电压源逆变器以相同调制频率fPWM的PWM方式供电，且η/2或近η/2个逆变器的PWM
的初始相位与其余的逆变器的PWM初始相位相差1/2Tpwm (Τ = ^ )，这就是PWM移相。
IPWM
权利要求
蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机，包括电动机本体、转子位置传感器和控制器，其特征在于所述的永磁无刷直流电动机的转子为p对N、S相间的永磁转子；定子铁芯开设有Z个槽，槽中嵌有n个独立的3相整距绕组；所述的n个独立的3相整距绕组分别与控制器的n个3相逆变桥输出端相连；所述的转子位置传感器的U、V、W、R、S、T二值传感元件输出转子位置的12种有效信息至控制器，控制器处理信息后输出控制信号到n个3相逆变器，控制其输出状态。
2.根据权利要求1所述的蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机，其特征在 于所述的控制器通过指令电流Γ和反馈电流的比较来决定3相逆变器的脉宽调 制的输出电压的占空比δ ；所述的η个逆变桥分成两组，每组为η / 2个逆变桥， 两组逆变桥的输出电压的调制频率相等，但两组的脉宽调制波的初相位相互移相1-^秒。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池供电的多相永磁无刷直流电动机，其特征在于 所述的永磁转子的极对数P，定子铁芯的槽数z，η个独立的3相整距绕组的关系可以是Z = 6ρ · η，也可以在η彡ρ时，Z = 6ρ;在η个独立3相绕组之间，其相绕组的有效串联导体 数，可以是相等的，也可以是不相等的。
全文摘要
本发明涉及到由蓄电池供电的用于电动汽车的永磁无刷直流电动机系统。3相永磁无刷直流电动机的相电流Iφ正比于电磁转矩Te，蓄电池的放电电流的峰值与相电流峰值相等，占空比D也相同；Te增加时，相电流峰值和放电电流峰值也同比增加，使蓄电池在高倍率下放电，其实际放电安时数大大低于蓄电池的装备安时数。本发明的n个独立的3相电枢绕组与n个3相电压源逆变桥输出一一相连；n个3相电压源逆变桥的PWM调制频率fPWM相同，但半数的逆变桥与其余逆变桥的PWM初相位却相互移相1/2TPWM,TPWM=1/fPWM。本发明可以使蓄电池在同样工况下运行的电动汽车的一次充电续行里程延长20%～25%，或在一次充电的续行里程不变时，将电池装备容量减小到原来的80%～75%。
文档编号H02P6/08GK101917108SQ201010263088
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者刘大椿, 刘晨 申请人:刘大椿;刘晨