專利名稱：雙模式電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種雙模式電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，涉及各類電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，出于環(huán)保形勢(shì)的需要，如今已被各國(guó)提到高度 議事日程，列入優(yōu)先研發(fā)戰(zhàn)略；目前電動(dòng)汽車所采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式是典型機(jī)電一體化的 代表產(chǎn)物，多以無(wú)刷交、直流機(jī)為主體，其特點(diǎn)在于電機(jī)技術(shù)必須與電力電子技術(shù)高度結(jié) 合，才能實(shí)現(xiàn)車輛行進(jìn)中對(duì)能量及速度的有效控制；由于大量采用高端的電力電子元器件， 這就使得電動(dòng)車的電驅(qū)及電控部分呈現(xiàn)復(fù)雜化，不但使其造價(jià)高昂，另一方面電力電子元 器件在處理、變換大功率交、直流電能時(shí)，不可避免的要產(chǎn)生附加功率損耗，對(duì)電動(dòng)汽車的 普及帶來(lái)現(xiàn)實(shí)的困難；在這樣的前提下，我們此處提出一套雙模式電機(jī)驅(qū)動(dòng)體系，本雙模式 電機(jī)驅(qū)動(dòng)體系設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)在于其工作中兼具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的雙重功能屬性，能夠 同時(shí)在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間按要求運(yùn)行工作，在運(yùn)行中能夠按需要索取電能，并將其轉(zhuǎn)換 成機(jī)械能，而車輛在減速制動(dòng)、或下坡時(shí)能自動(dòng)將機(jī)械能(動(dòng)能)很自然、高效地直接轉(zhuǎn)變 為電能儲(chǔ)存，在運(yùn)行中其各種電氣參量有著很恰當(dāng)、自然的配合，目前常用的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電 路中很多依賴于電力電子電路才能實(shí)現(xiàn)的“模擬功能”，本雙模式電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體就能 夠直接予以實(shí)現(xiàn)，剝離電機(jī)本體對(duì)電力電子電路的高度依賴，可實(shí)現(xiàn)最大限度地提高運(yùn)行 效率，提高運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性，且可大幅降低整車造價(jià)及運(yùn)行維護(hù)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低的電動(dòng)車用雙模式電機(jī)。在串勵(lì)機(jī)的電樞上取點(diǎn)，確定該串勵(lì)機(jī)電樞同時(shí)成為交流發(fā)電機(jī)的電樞引出線的 的參考點(diǎn)，在串勵(lì)機(jī)的電樞槽內(nèi)布進(jìn)交流升壓繞組，該升壓繞組的一端接在串勵(lì)機(jī)的參考 取點(diǎn)上，另一端接入整流電路，通過這樣的方法，直接得到了在串勵(lì)機(jī)上幅值高于電源電壓 的交流電，對(duì)該交流電實(shí)施可控整流，整流后直接饋給電源。通過這樣的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)串勵(lì)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制及工作中對(duì)能量的高效轉(zhuǎn)換，這樣， 串勵(lì)機(jī)同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了具有交流發(fā)電機(jī)的功能，這樣一個(gè)系統(tǒng)包含著一套獨(dú)立的串勵(lì)機(jī)回 路及功能，同時(shí)又包含有一套獨(dú)立的交流發(fā)電機(jī)回路及功能，這兩種模式共生共存，相互制 約、影響，構(gòu)成本雙模式電機(jī)。設(shè)計(jì)原理直流串勵(lì)機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ钜环N常見的一種電動(dòng)機(jī)，它具有體積小、重量輕、效率 高等優(yōu)點(diǎn)，加之又兼具交直流兩用的功能，應(yīng)用是非常廣泛的，我們此處介紹的這種雙模式 電機(jī)就是基于直流串勵(lì)機(jī)這種電機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上演變、發(fā)展而來(lái)的。我們知道，直流 串勵(lì)機(jī)的外特性曲線是一條反比例曲線，如圖1所示，該曲線反映了直流串勵(lì)電機(jī)工作時(shí)， 當(dāng)外加電源電壓一定時(shí)，其轉(zhuǎn)速(縱軸)和輸出功率之間的關(guān)系，串勵(lì)機(jī)空載和輕載時(shí)有著 很高的轉(zhuǎn)速，隨著負(fù)載的增加，其轉(zhuǎn)速自然下降，輸入功率也隨著增加，當(dāng)外加電壓(直流)一定時(shí)，這個(gè)外加的電壓壓降是直接作用在該電機(jī)的電樞上的，換言之，也就是加在兩個(gè)電 刷上，不論轉(zhuǎn)速如何變化，其兩個(gè)電刷間的電壓差是不變的，具有相對(duì)的穩(wěn)定性，這是串勵(lì) 機(jī)本身固有的特點(diǎn)；工作中的串勵(lì)機(jī)總是能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的激磁，自動(dòng)改變 氣隙磁場(chǎng)值，得到圖1所示的外特性曲線。我們?cè)賮?lái)看看直流串勵(lì)機(jī)的電樞(轉(zhuǎn)子)，其實(shí)直 流電樞和交流電樞從根本結(jié)構(gòu)上講是一回事，只是外部接線方式不一樣罷了，它們都是具 有“一根線”封閉繞成的特點(diǎn)(交流限于Δ接線)，直流串勵(lì)機(jī)有很多整流子片，任意兩片間 對(duì)應(yīng)的電樞繞組都自然形成一個(gè)完整的回路(嚴(yán)格的講是兩個(gè)并聯(lián)回路)，我們從任意兩 個(gè)整流子片間都能得到一個(gè)感應(yīng)交流電勢(shì)，這個(gè)交流電勢(shì)的大小和相位還取決于整流子片 間的位置關(guān)系，以單疊繞組的一對(duì)電刷的直流串勵(lì)機(jī)為例，當(dāng)我們選定一個(gè)整流子片，做為 一參考點(diǎn)，這個(gè)參考點(diǎn)與其它整流子片間的電勢(shì)向量關(guān)系便能夠被確定，離該參考點(diǎn)越遠(yuǎn)， 我們得到的這個(gè)交流電勢(shì)值則越大，這其中我們得到的最大交流電勢(shì)的幅值應(yīng)等同于直流 串勵(lì)機(jī)的電源電壓。圖2所示就是我們得到的串勵(lì)機(jī)整流子片間的被確定的一片作為參考 點(diǎn)，該點(diǎn)與其它各整流子片間的對(duì)應(yīng)繞組的感應(yīng)電勢(shì)的電勢(shì)向量圖一一 “扇形圖”，雖然非 正弦波的表示用向量表示法不太規(guī)范，但是在本雙模式電機(jī)體系之中，引入等效向量圖表 示法，不會(huì)影響其實(shí)用及原理分析。這里提出的感應(yīng)電勢(shì)的電勢(shì)向量圖一一“扇形圖”的意 義很重要，它是我們本發(fā)明中將交、直流電機(jī)系統(tǒng)有機(jī)融為一體的關(guān)鍵所在。同理，當(dāng)我們 在直流串勵(lì)機(jī)的很多整流子片中進(jìn)行間距片數(shù)三等分的三個(gè)點(diǎn)上取交流電勢(shì)，我們就能得 到一個(gè)三相交流電，這個(gè)三相交流電的幅值等于該直流串勵(lì)機(jī)外加直流電壓的V 3/2倍， 當(dāng)我們把這個(gè)取點(diǎn)后的直流電樞換成交流電樞的觀點(diǎn)來(lái)看時(shí)，它顯然為一個(gè)實(shí)際上是一個(gè) 三角型(Δ)接線的交流繞組接線，通過這種方式，我們實(shí)現(xiàn)了在工作中的直流串勵(lì)電動(dòng) 機(jī)上直接得到交流電(單相、三相或多相)，而這個(gè)交流電由于借助了直流串勵(lì)機(jī)的激磁磁 場(chǎng)進(jìn)行勵(lì)磁，而直流串勵(lì)機(jī)本身具有隨著轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)激磁磁場(chǎng)大小的能力，它所 產(chǎn)生的激磁磁場(chǎng)一定要滿足其感生直流反電勢(shì)對(duì)應(yīng)(抵消)外施直流電壓的目的，這就使 得這個(gè)感生交流電勢(shì)的幅值是不隨直流串勵(lì)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化的，具有相對(duì)比較穩(wěn)定的 特點(diǎn)，這一特點(diǎn)顯示出這個(gè)交流電壓的“硬特性”，分析該電機(jī)體系的電樞反應(yīng)可知，該電壓 “硬”得不但不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，并且不隨負(fù)載的大小及性質(zhì)(指感性或容性負(fù)載)的變 化而變化(分析過程略)，這是一個(gè)難能可貴的特點(diǎn)，尤其適應(yīng)于轉(zhuǎn)速、負(fù)載都隨時(shí)變化的 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域。這也就是說(shuō)不論該電機(jī)體系轉(zhuǎn)速(頻率)如何，我們得到的這個(gè)交流 電的有效值始終是穩(wěn)定的，由于直流串勵(lì)機(jī)的極下磁場(chǎng)分布不呈正弦原因，這個(gè)感生交流 電顯然也不是一個(gè)正弦波形交流電，示波器檢測(cè)，它是一個(gè)梯形波。我們對(duì)這個(gè)相對(duì)幅值穩(wěn) 定的交流電進(jìn)行輸出電流控制，這個(gè)電流相比較雙模式電機(jī)體系中的串勵(lì)機(jī)的電流方向， 它能夠產(chǎn)生反力矩，只要我們控制這個(gè)輸出電流的大小，就能夠控制直流串勵(lì)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最 簡(jiǎn)單的方法就是用可控硅(晶間管)電路進(jìn)行連續(xù)控制，從而連續(xù)、平滑的控制直流串勵(lì)機(jī) 的轉(zhuǎn)速。由此可見，當(dāng)我們認(rèn)識(shí)到，在工作中的直流串勵(lì)機(jī)的電樞上可以直接得到交流電， 而這個(gè)交流電的幅值相對(duì)是穩(wěn)定的，它不隨直流串勵(lì)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，將這個(gè)相對(duì)穩(wěn) 定的交流電引出，并且進(jìn)行電流值控制，就能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制調(diào) 整；而當(dāng)我們把這個(gè)經(jīng)控制輸出電流(脈動(dòng)直流)回饋給電源(蓄電池)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了無(wú)損 耗的電氣控制調(diào)速；很顯然，這是一種高效調(diào)速模式，理論上該過程是沒有能量損耗的。我 們知道，直流串勵(lì)機(jī)的外特性曲線說(shuō)明，當(dāng)直流串勵(lì)機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)(圖1)，流經(jīng)直流串勵(lì)機(jī)激磁繞組(產(chǎn)生極下磁場(chǎng)的繞組)及轉(zhuǎn)子電樞中的電流比其在高轉(zhuǎn)速區(qū)要大，轉(zhuǎn)速 差越大，這個(gè)比例就越大，而實(shí)際上我們用上述介紹的方法對(duì)該直流串勵(lì)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)會(huì) 發(fā)現(xiàn)，其空載調(diào)速時(shí)，直流串勵(lì)機(jī)空載低轉(zhuǎn)速下的電樞(轉(zhuǎn)子)電流并不大，而并非串勵(lì)機(jī) 外特性曲線所對(duì)應(yīng)的那樣，這里做一下解釋性闡述其實(shí)原理挺簡(jiǎn)單，就是直流串勵(lì)機(jī)的電 樞(轉(zhuǎn)子)繞組在空載調(diào)速過程中扮演著雙重角色，一方面它是直流串勵(lì)機(jī)必不可少的重 要組成部分，按照直流串勵(lì)機(jī)的外特性曲線變化規(guī)律決定其電樞電流；另一方面，我們從這 個(gè)電樞繞組同時(shí)又取出了交流電，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，這個(gè)感生交流電與原串勵(lì)機(jī)中的電 樞電流在方向上是有可比性的，這兩個(gè)電流正好任何時(shí)候都反向，是可以部分(或全部)抵 消的，實(shí)際流經(jīng)本雙模式電樞的電流是原直流串勵(lì)機(jī)電樞中的電流與該電樞同時(shí)輸出的交 流電流(平均值)的疊加值，這也就是說(shuō)，通過上述方法對(duì)直流串勵(lì)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)(空載調(diào) 速)，盡管直流串勵(lì)機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)，但流經(jīng)轉(zhuǎn)子電樞的電流并不大(低轉(zhuǎn)速下不發(fā)熱問 題)，真正決定電樞電流大小的因素不在于我們調(diào)速時(shí)的狀態(tài)，而是取決于該電機(jī)體系所帶 的實(shí)際機(jī)械負(fù)載狀態(tài)。 從以上介紹的本電機(jī)體系工作原理看，我們從本電機(jī)體系電樞繞組中取出的交流 電(單相)電壓幅值最大也不過是直流串勵(lì)機(jī)的外加電壓值，所以其整流后也是一個(gè)直流 電，對(duì)于兩個(gè)直流系統(tǒng)而言，只有該直流電的電壓在數(shù)值上大于直流串勵(lì)機(jī)的電源電壓，才 能夠?qū)崿F(xiàn)直接饋給直流電源(蓄電池)電能的目的，所以必須給這個(gè)感生交流電進(jìn)行升壓， 而該交流電系非正弦波形，又不便于使用變壓器升壓，如果增加了變壓器則又多了附屬設(shè) 備，會(huì)使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，此非設(shè)計(jì)初衷。這里，我們可以采取在原直流串勵(lì)機(jī)電樞繞組中 附加交流輔助繞組(小升壓繞組)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)交流升壓的目的，這個(gè)交流輔助繞組的繞 法同原直流串勵(lì)機(jī)電樞繞組繞法相同，如以單相交流繞組為例，如圖3接線所示，其中，a、b 是我們?cè)谠绷鞔畡?lì)機(jī)電樞上取的兩個(gè)點(diǎn)，Aal是其中一個(gè)交流輔助繞組，Bbl是另一個(gè)交 流輔助繞組，這倆交流繞組都與原串勵(lì)機(jī)的電樞繞組同槽布置，將這兩個(gè)交流輔助繞組串 接于原串勵(lì)繞組的選取點(diǎn)a、b上，我們從A、B兩端就可以得到一個(gè)幅值大于供給該串勵(lì)機(jī) 直流工作電壓的交流電，該交流電經(jīng)可控硅整流后，就能夠?qū)崿F(xiàn)向電源饋電的目的。這個(gè)交 流輔助繞組的匝數(shù)與原串勵(lì)繞組的轉(zhuǎn)子電樞匝數(shù)比較，是相當(dāng)少的，繞不了幾匝就能夠?qū)?現(xiàn)交流升壓的目的，基本不會(huì)對(duì)直流串勵(lì)機(jī)的尺寸結(jié)構(gòu)造成影響，甚至可以講，增加點(diǎn)原串 勵(lì)機(jī)電樞的槽滿率，就可以在原電樞槽內(nèi)嵌入交流輔助繞組；通過加裝一個(gè)合適的交流輔 助繞組，我們就能夠得到一個(gè)幅值合適、恰當(dāng)?shù)慕涣麟?，盡管這個(gè)交流電系非純正弦量，但 不影響可控整流，其整流后成為脈動(dòng)直流，這個(gè)脈動(dòng)直流的電壓幅值大于供給該電機(jī)體系 工作的直流電源電壓，對(duì)于直流系統(tǒng)而言就可以實(shí)現(xiàn)向電源饋電的目的?？煽卣鞯膶?dǎo)通 角決定該電機(jī)體系的整體工作狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗調(diào)整轉(zhuǎn)速的同時(shí)，多余的能量都會(huì)以電 能的形式充分實(shí)現(xiàn)回饋給電源存儲(chǔ)；由此可見，當(dāng)我們這個(gè)電機(jī)體系做為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，很明顯其運(yùn)行效率是很高的，它的可貴之處在于它能夠?qū)⑿旭傊卸嘤嗟哪芰扛?效回收，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這個(gè)問題如果能夠得以解決，就基本上實(shí)現(xiàn)了以任意狀態(tài)行駛 的電動(dòng)車都相當(dāng)于等同(或接近)理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)行駛的電動(dòng)車的能耗，這一點(diǎn)的突破，在交 通、運(yùn)輸領(lǐng)域的節(jié)能意義非常重大，以內(nèi)然機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛為例，其在繁華市區(qū)行走的油耗與 其在高速路上以經(jīng)濟(jì)速度行駛的油耗比較，可有三倍之差甚至更大，歸根結(jié)底，這屬于機(jī)動(dòng) 車運(yùn)行方式?jīng)Q定的能耗效率問題，而不是純粹的發(fā)動(dòng)機(jī)效率問題，當(dāng)運(yùn)行方式不能被適應(yīng)，
5高能耗就不可能從根本上得以解決。而我們這套雙模式電機(jī)體系，就電機(jī)本身而言，其結(jié) 構(gòu)上幾乎等同于普通的直流串勵(lì)機(jī)，控制回路簡(jiǎn)單到只有一個(gè)可控整流橋及相應(yīng)的觸發(fā)控 制回路，比市面上任一款電動(dòng)車的能量控制系統(tǒng)都要簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單則意味著制造成本的下降 和運(yùn)行效率的提高，加之又實(shí)現(xiàn)了行駛過程中能量的高效釋放與回收，所以，在交通運(yùn)輸領(lǐng) 域，它是有著巨大節(jié)能潛力的。


圖1為典型串勵(lì)機(jī)外特性曲線；圖2為本雙模式電機(jī)體系電樞的電勢(shì)向量圖(以整流子片為相互參考的電勢(shì)向量 圖)扇形圖；圖3為本雙模式電機(jī)體系的交流附加繞組及交流附加繞組的接入圖。
具體實(shí)施例方式在串勵(lì)機(jī)的電樞上取點(diǎn)a、b，確定該串勵(lì)機(jī)電樞同時(shí)成為交流發(fā)電機(jī)的電樞引出 線的的參考點(diǎn)，在串勵(lì)機(jī)的電樞槽內(nèi)布進(jìn)交流升壓繞組，一組交流升壓繞組的一端al接在 串勵(lì)機(jī)的參考取點(diǎn)a上，另一組交流升壓繞組的一端bl接在串勵(lì)機(jī)的參考取點(diǎn)b上；兩組 交流升壓繞組的兩個(gè)引出端A、B端接入整流電路，通過這樣的方法，直接得到了在串勵(lì)機(jī) 上幅值高于電源電壓的交流電，對(duì)該交流電實(shí)施可控整流，整流后直接饋給電源。
權(quán)利要求
一種雙模式電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于串勵(lì)機(jī)的電樞上取點(diǎn)，確定該串勵(lì)機(jī)電樞同時(shí)成為交流發(fā)電機(jī)的電樞引出線的的參考點(diǎn)，在串勵(lì)機(jī)的電樞槽內(nèi)布進(jìn)交流升壓繞組，該升壓繞組的一端接在串勵(lì)機(jī)的參考取點(diǎn)上，另一端接入整流電路，通過這樣的方法，直接得到了在串勵(lì)機(jī)上幅值高于電源電壓的交流電，對(duì)該交流電實(shí)施可控整流，整流后直接饋給電源。
全文摘要
一種雙模式電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，涉及各類電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。在串勵(lì)機(jī)的電樞上取點(diǎn)，確定該串勵(lì)機(jī)電樞同時(shí)成為交流發(fā)電機(jī)的電樞引出線的的參考點(diǎn)，在串勵(lì)機(jī)的電樞槽內(nèi)布進(jìn)交流升壓繞組，該升壓繞組的一端接在串勵(lì)機(jī)的參考取點(diǎn)上，另一端接入整流電路，通過這樣的方法，直接得到了在串勵(lì)機(jī)上幅值高于電源電壓的交流電，對(duì)該交流電實(shí)施可控整流，整流后直接饋給電源。通過這樣的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)串勵(lì)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制及工作中對(duì)能量的高效轉(zhuǎn)換，這樣，串勵(lì)機(jī)同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了具有交流發(fā)電機(jī)的功能，這樣一個(gè)系統(tǒng)包含著一套獨(dú)立的串勵(lì)機(jī)回路及功能，同時(shí)又包含有一套獨(dú)立的交流發(fā)電機(jī)回路及功能，這兩種模式共生共存，相互制約、影響，構(gòu)成本雙模式電機(jī)。
文檔編號(hào)H02K23/52GK101969258SQ20101051396
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月4日
發(fā)明者孟慶良, 孟繁瑞 申請(qǐng)人:孟慶良