專利名稱：多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種無刷永磁直流電動機定子繞組的結(jié)構(gòu)，尤其是多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組。
背景技術(shù)：
隨著電子控制技術(shù)的進(jìn)步，無刷永磁直流電機在應(yīng)用上明顯優(yōu)于有刷電機。電動車用的無刷永磁直流電機的定子線圈繞組在中軸的位置，提高其電機性能的努力從而提高電動車的綜合性能一直在進(jìn)行CN 00229603.9涉及一種軟換檔無刷永磁直流電動機的定子繞組。引用的是交流電機調(diào)速的方法，在繞組接線不進(jìn)行特殊的設(shè)計的情況下，只適用于星形繞組接線，不適用于環(huán)狀繞組(典型的是三角形繞組)連接，將每相的定子繞組設(shè)計成為2～8段，每段繞組的引出線均各自構(gòu)成一個換檔的連接線。使電源或控制系統(tǒng)與每相繞組相應(yīng)的引出線端相連接，其目的為了得到滿足電動車輛要求的運行特性。為得到類似串極電動機的軟特性，有起動力矩大，爬坡性能強，可運行于高、中、低速的任一速度，控制方便，可簡化電動車調(diào)速機構(gòu)和操作。但其電機工作效率不高；由于每相的定子繞組設(shè)計成為2～8段，這就意味著2～8段低速工作匹配的繞線組是空置的，實際上產(chǎn)品依此設(shè)計市場產(chǎn)品，專門用于低速工作匹配的繞線組的匝數(shù)占總匝數(shù)的40％左右。這就必然導(dǎo)致電機設(shè)計無法優(yōu)化，由于顯然此電機難以得到恒功率輸出，事實上此種電機也無法追求電機效率。在較大速比時，不能保證大致平衡的輸出功率?，F(xiàn)有技術(shù)中的電動車用的永磁無刷直流電動機在繞組設(shè)上通常只有設(shè)置一個擋位，因而使得電動機的運行速度和力矩被限制在某一范圍。又如，CN95200391.0，CN97240984.X等，主要公開無刷永磁直流電動機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的三相繞組的Y-Δ接法可以改變轉(zhuǎn)速和力矩，并能保證電機的較穩(wěn)定的功率輸出，但其速比太大，幾乎接近于1∶2，很難直接應(yīng)用于電動車上。
與有刷直流電機比較，無刷永磁直流電機的技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，如多槽和多對電極的設(shè)計，目前電動車電機已經(jīng)采用40對磁極、36槽嵌線的定子結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，20對磁極、20-30槽嵌線的方案也有較多的市場占有率。定子設(shè)計中采取分?jǐn)?shù)槽的設(shè)計使得電機的功率過載的承載能力大，且對無刷電機的電子控制技術(shù)也日趨成熟，除了常用的與三相定子繞組配合三相電源控制電路，(利用霍爾傳感器判別轉(zhuǎn)子的位置從而提供不同繞組導(dǎo)電，從而提供旋轉(zhuǎn)磁場)。多相的控制技術(shù)也有報導(dǎo)。
目前尚未發(fā)現(xiàn)在無刷永磁直流電機在定子設(shè)計上保證有相對穩(wěn)定的功率輸出，保證電機效率的技術(shù)報道。由于現(xiàn)有技術(shù)中的永磁無刷直流電動機的特性類似于并極直流電動機的特性，故而存在電動機在運行特性方面不能照顧到各種運行工況的需求。因為由于電動車輛的運行速度范圍較寬，每小時20-30公里是其常用的要求，但在高速公路上的運行速度可達(dá)每小時100公里以上(用于電摩)，而在市區(qū)或起步運行時的速度則較低。所以，現(xiàn)有電動車用的永磁無刷直流電動機常常處于如下情況當(dāng)照顧到電動車輛起動、爬坡響應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)矩要求時，其電機的高速性能則得不到保證而當(dāng)滿足了電動機的高速特性的要求后，其電動機的低速性能和起動時的力矩又不夠，兩者不能同時兼顧，因此，有必要尋求一種途徑，使得電動車用的永磁無刷直流電動機既能滿足平滑路上高速運行性能的要求(此時對轉(zhuǎn)矩的要求較低)，又能保證在低速運行條件下和在起動時(包括斜坡上坡的速度要求，這往往成為電動車性能上最值得炫耀的指標(biāo))對力矩性能的特性要求。無刷永磁直流電機的磁極數(shù)是固定的，現(xiàn)有改變極數(shù)技術(shù)是行不通的。根據(jù)公認(rèn)的原理無刷永磁直流電機的轉(zhuǎn)矩與繞組匝數(shù)成正相關(guān)性。
此外，還有其它交流三相電機的結(jié)構(gòu)，如每條支路由差180度的兩組繞組構(gòu)成的三相電機定子繞組的接線，其是十二相電機接線方式。適當(dāng)選取每相的導(dǎo)線匝數(shù)和截面，可在電機運行時產(chǎn)生十二相對稱磁勢。其目的是為了抵消低次諧波磁勢。也不適用于電動車用的直流電機。
現(xiàn)有電機在轉(zhuǎn)速越低，在相同功率情況下，往往電機的效率越低，電動車實際行駛中，在啟動或爬坡時，要求電機轉(zhuǎn)速要低，轉(zhuǎn)矩(力矩)要加大，平地上則相反。此二種工況均要求電機能在最大效率情況下工作，以滿足電動車所要求的功率要求。尚未有無刷直流電機在定子繞組設(shè)計上能保證在不同轉(zhuǎn)速情況下，能保證輸出相同功率。所以電動車在運行特性不能照顧各種運行工況的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種具有適于多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組，保證有相對穩(wěn)定的功率輸出，特別是保證電機的工作效率，同時保證繞組匝數(shù)的分配合理，速比的范圍達(dá)到實用的要求，可以理想的用于電動車上，使之具有良好換擋及變速能力，并可直接用于驅(qū)動電動車。
適于多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組，電機的每相定子繞組頭尾相接，且在相鄰兩繞組的接頭端均連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，另相鄰兩繞組的接頭端均接一星形繞組，即相應(yīng)的每相繞組均接一星形繞組，相鄰兩繞組的接頭端與星形繞組的另一端均作為換擋連接線連接電源控制器的相應(yīng)輸出端。以上所述是基本的技術(shù)方案，對應(yīng)著二檔調(diào)速狀態(tài)。
電機設(shè)計成三相繞組時，每相定子繞組頭尾相接就是典型的三角形接法。實際上在二至八相均是可行的技術(shù)方案。
本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)是，對永磁直流電動機的定子繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，每相星形繞組設(shè)計成為1-5段繞組，相當(dāng)于在2-5段繞組的情況下分別設(shè)有抽頭1至4個，每兩段繞組間抽頭的引出線，亦構(gòu)成換擋的連接線，形成多速調(diào)節(jié)的多相定子繞組。每個不同的換擋線連接電源控制器時對應(yīng)著電動車不同的工作狀況。
本發(fā)明可以用于二相以上至八相的無刷永磁直流電機的的定子繞組結(jié)構(gòu)，每相均有定子繞組，常用的是三、四、六相，定子相位的增加并沒有超出本發(fā)明范圍。各種狀態(tài)整流無刷永磁直流電機也均沒有超出本發(fā)明范圍。
本發(fā)明的特點是能在高速和低速高轉(zhuǎn)矩的二種工況下均要求電機能在最大效率情況下工作，滿足電動車所要求的功率要求。這種具有適于多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組，保證有相對穩(wěn)定的功率輸出，特別是保證電機的工作效率，同時保證繞組匝數(shù)的分配合理，速比的范圍達(dá)到實用的要求，可以理想的用于電動車上，使之具有良好換擋及變速能力，并可直接用于驅(qū)動電動車。效率高，速比范圍大，實用性強等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明三速調(diào)節(jié)三相定子繞組示意2是本發(fā)明三速調(diào)節(jié)六相定子繞組示意1中，U1-U2、V1-V2、W1-W2是三角繞組，A1-A2、B1-B2、C1-C2是星形繞組。A3、B3、C3均為星形繞組的抽頭。
圖2中U1-U2、V1-V2、W1-W2、X1-X2、Y1-Y2、Z1-Z2是六角繞組，A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2、E1-E2、F1-F2是星形繞組。A3、B3、C3、D3、F3、E3均為星形繞組的抽頭。
具體實施例方式
圖1所示，一種實施例是三速無刷永磁直流電機的定子繞組結(jié)構(gòu)，具有兩組三相繞組，其中一組三相繞組U1-U2、V1-V2、W1-W2采用三角形接法，另一組三相繞組A1-A2、B1-B2、C1-C2采用星形接法，星形繞組并接到三角形每二繞組連接的接點上，全部繞組接入即電源輸出端接A1、B1、C1時轉(zhuǎn)矩大于單三角繞組接入(電源輸出端接A2、B2、C2)。將無刷永磁直流電機的電源控制器的輸出的三相電源線分別接到U1-U2、V1-V2、W1-W2繞組上(電源輸出端接A2、B2、C2)，此時電機作高速運轉(zhuǎn)，如果接到A1、B1、C1上，則電機作略低速運轉(zhuǎn)。上述即二速三相無刷永磁直流電機的定子繞組的接法結(jié)構(gòu)，亦能夠反映在此圖內(nèi)，如果接到繞組A1-A2、B1-B2、C1-C2的中心抽頭A3、B3、C3上時，則電機可以第三速度運轉(zhuǎn)，電機的速度在上述兩速度之間。
如上所述，先在定子鐵芯上嵌放第一組匝數(shù)較多的三組繞組，U1-U2、V1-V2、W1-W2，然后再在原定子的鐵芯上嵌放第二組匝數(shù)較少的三相繞組，A1-A2、B1-B2、C1-C2。第一組匝數(shù)較多的三組繞組以三角形接法連接，U1-W2、V1-U2、W1-V2連接，然后第二組匝數(shù)較少的三相繞組按星形連接方式接到第一組繞組構(gòu)成的三角形連接的繞組上，即A2與U1-W2、B2與V1-U2、C2與W1-V2分別連接。當(dāng)電源控制器輸出接到U1、V1、W1三個結(jié)點上時，即已經(jīng)接成三角形繞組上，此時電機作高速運轉(zhuǎn)。當(dāng)需要電機作低速運轉(zhuǎn)時，將電源控制器的輸出三相電源線換接到A1、B1、C1三個結(jié)點上，即連接成的星形和三角形混合連接繞組上，此時電機作較低速運轉(zhuǎn)，但輸出力矩較大。星形繞組的匝數(shù)占總匝數(shù)的8-35％左右有較好的效果。
A1、B1、C1三個結(jié)點與U1、V1、W1三個結(jié)點的互相轉(zhuǎn)換可以通過繼電器來切換，通過合理安排二組繞組的匝數(shù)比可以可以方便地提供速比在1∶1.2-1.6較寬范圍內(nèi)。適用于電動車的實際要求，即在啟動及爬坡時用低速檔，要較高速度時用高速檔，可以保護(hù)控制器及畜電池，又可延長電動車的續(xù)行距離。
電源輸出端接一組接頭A3、B3、C3和接另一組A1、B1、C1接頭也是本發(fā)明的實施例，這就相當(dāng)于三角形繞組加一星形繞組為一個工作繞組連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，而每一星形繞組又接一繞組，又接的一個繞組的連接線連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，亦對應(yīng)著二檔調(diào)速狀態(tài)。線圈的各種嵌置也沒有超出本發(fā)明的范圍。
上述每組三個連接點A1、B1、C1；A2、B2、C2；A3、B3、C3三組接點的互相轉(zhuǎn)換可以通過繼電器來切換，也可以通過其它觸點轉(zhuǎn)換開關(guān)，包括固態(tài)開關(guān)等均可。通過合理安排二組繞線的匝數(shù)比，可以方便的提供速比在1∶1.2-1.6較寬范圍內(nèi)，此電機實用性好，可直接應(yīng)用電動車，也使得電機的控制電路的工作狀態(tài)更加合理，工作可靠。星形繞組的匝數(shù)占總匝數(shù)的10-16％左右有更好的效果。
圖2 U1-U2、V1-V2、W1-W2、X1-X2、Y1-Y2、Z1-Z2是六角繞組，A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2、E1-E2、F1-F2是星形繞組。A3、B3、C3、D3、F3、E3均為星形繞組的抽頭。連接與工作的方式與圖1完全類同，不多贅述。四相、五相、甚至八相均沒有超出本發(fā)明的范圍。同樣，抽頭至二至四個抽頭亦完全在本發(fā)明范圍內(nèi)。
本發(fā)明提供可以低速啟動，又能高速行駛的無刷永磁直流電機的定子繞組形式，取代現(xiàn)有無刷永磁直流電機，具有性能好，效率高，速比范圍大，實用性強等優(yōu)點。本發(fā)明用于電動車電機可以采用40對磁極左右、36槽左右嵌線的定子結(jié)構(gòu)。也可以用于20對磁極左右、20-30槽左右嵌線的結(jié)構(gòu)。定子設(shè)計中可以采取分?jǐn)?shù)槽的設(shè)計，電機的功率過載的承載能力大，在測試報告中也可以看出此點。
電機的額定功率350W(三相)的測試報告表明表1，星形繞組的匝數(shù)占總匝數(shù)的10-16％時，在三角形繞組加星形繞組時，輸入功率在265-700W的效率均80％以上?？梢娫?50W左右變換功率時均以恒功率輸出。表2，在三角形繞組時，輸入功率185-550W以上電機效率均80％以上。二種工況效率均極理想。
表1


權(quán)利要求
1.多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是電機的每相定子繞組頭尾相接，且在相鄰兩繞組的接頭端均連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，另相鄰兩繞組的接頭端均接一星形繞組，即相應(yīng)的每相繞組均接一星形繞組，相鄰兩繞組的接頭端與星形繞組的另一端均作為換擋連接線連接電源控制器的相應(yīng)輸出端。
2.由權(quán)利要求1所述的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是電機的定子繞組為二相至八相。
3.由權(quán)利要求1或2所述的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是對永磁直流電動機的定子繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，每相星形繞組設(shè)計成為1-5段繞組，每兩段繞組間設(shè)有抽頭引出線，亦構(gòu)成換擋的連接線，形成多速調(diào)節(jié)的多相定子繞組。
4.由權(quán)利要求1或2所述的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是電機為三相繞組時，每相定子繞組頭尾相接是三角形接法。
5.由權(quán)利要求1所述的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是星形繞組的匝數(shù)占總匝數(shù)的8-35％。
6.由權(quán)利要求5所述的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是星形繞組的匝數(shù)占總匝數(shù)的10-16％。
7.由權(quán)利要求1所述的無刷永磁直流電機定子繞組，其特征是電機的定子為三相繞組時，三角形繞組加一個星形繞組為一個工作繞組連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，而每一星形繞組又接一繞組，又接的一個繞組的連接線連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，亦對應(yīng)著二檔調(diào)速狀態(tài)。
全文摘要
適于多速調(diào)節(jié)的無刷永磁直流電機定子繞組，電機的每相定子繞組頭尾相接，且在相鄰兩繞組的接頭端均連接電源控制器的相應(yīng)輸出端，另相鄰兩繞組的接頭端均接一星形繞組，即相應(yīng)的每相繞組均接一星形繞組，相鄰兩繞組的接頭端與星形繞組的另一端均作為換擋連接線連接電源控制器的相應(yīng)輸出端。以上所述是基本的技術(shù)方案，對應(yīng)著二檔調(diào)速狀態(tài)。本定子能在高速和低速高轉(zhuǎn)矩的二種工況下均要求電機能在最大效率情況下工作，滿足電動車所要求的功率要求。特別是保證電機的工作效率，同時保證繞組匝數(shù)的分配合理，速比的范圍達(dá)到實用的要求，可以理想的用于電動車上。
文檔編號H02K3/28GK1753279SQ20051009435
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者華永偉, 霍桐章, 胡燕英 申請人:華慶源