專利名稱：適于多速調節的無刷永磁直流電機定子繞組的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種無刷永磁直流電動機定子繞組的結構，尤其是多速調節的無刷永磁直流電機定子繞組。
背景技術：
無刷永磁直流電機在應用上明顯優于有刷電機。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速的方法，在繞組接線不進行特殊的設計的情況下，只適用于星形繞組接線，不適用于環狀繞組(典型的是三角形繞組)連接，將每相的定子繞組設計成為2～8段，每段繞組的引出線均各自構成一個換檔的連接線。使電源或控制系統與每相繞組相應的引出線端相連接，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，可簡化電動車調速機構和操作。但其電機工作效率不高；由于每相的定子繞組設計成為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，實際上產品依此設計市場產品，專門用于低速工作匹配的繞線組的匝數占總匝數的40％左右。這就必然導致電機設計無法優化，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。現有技術中的電動車用的永磁無刷直流電動機在繞組設上通常只有設置一個擋位，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、轉子結構。
傳統的三相繞組的Y-Δ接法可以改變轉速和力矩，并能保證電機的較穩定的功率輸出，但其速比太大，幾乎接近于1∶2，很難直接應用于電動車上。
與有刷直流電機比較，無刷永磁直流電機的技術已經得到長足的發展，如多槽和多對電極的設計，目前電動車電機已經采用40對磁極、36槽嵌線的定子結構。當然，20對磁極、20-30槽嵌線的方案也有較多的市場占有率。定子設計中采取分數槽的設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子的位置從而提供不同繞組導電，從而提供旋轉磁場)。多相的控制技術也有報導。
目前尚未發現在無刷永磁直流電機在定子設計上保證有相對穩定的功率輸出，保證電機效率的技術報道。由于現有技術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每小時100公里以上(用于電摩)，而在市區或起步運行時的速度則較低。所以，現有電動車用的永磁無刷直流電動機常常處于如下情況當照顧到電動車輛起動、爬坡響應的速度和轉矩要求時，其電機的高速性能則得不到保證而當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)對力矩性能的特性要求。無刷永磁直流電機的磁極數是固定的，現有改變極數技術是行不通的。根據公認的原理無刷永磁直流電機的轉矩與繞組匝數成正相關性。
此外，還有其它交流三相電機的結構，如每條支路由差180度的兩組繞組構成的三相電機定子繞組的接線，其是十二相電機接線方式。適當選取每相的導線匝數和截面，可在電機運行時產生十二相對稱磁勢。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。
現有電機在轉速越低，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，要求電機轉速要低，轉矩(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計上能保證在不同轉速情況下，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。
發明內容
本實用新型的目的是針對現有技術中的不足，提出一種具有適于多速調節的無刷永磁直流電機定子繞組，保證有相對穩定的功率輸出，特別是保證電機的工作效率，同時保證繞組匝數的分配合理，速比的范圍達到實用的要求，可以理想的用于電動車上，使之具有良好換擋及變速能力。
本實用新型的目的是這樣實現的適于多速調節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輸出端，另相鄰兩繞組的接頭端均接一星形繞組，即相應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輸出端。以上所述是基本的技術方案，對應著二檔調速狀態。
電機設計成三相繞組時，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方案。
本實用新型的進一步改進是，對永磁直流電動機的定子繞組結構進行改進，每相星形繞組設計成為1-5段繞組；相當于在2-5段繞組的情況下分別設有抽頭1至4個，每兩段繞組間抽頭的引出線，亦構成換擋的連接線，形成多速調節的多相定子繞組。每個不同的換擋線連接電源控制器時對應著電動車不同的工作狀況。
本實用新型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構，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實用新型范圍。各種狀態整流無刷永磁直流電機也均沒有超出本實用新型范圍。
本實用新型的特點是能在高速和低速高轉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節的無刷永磁直流電機定子繞組，保證有相對穩定的功率輸出，特別是保證電機的工作效率，同時保證繞組匝數的分配合理，速比的范圍達到實用的要求，可以理想的用于電動車上，使之具有良好換擋及變速能力，并可直接用于驅動電動車。效率高，速比范圍大，實用性強等優點。
圖1是本實用新型三速調節三相定子繞組示意圖圖2是本實用新型三速調節六相定子繞組示意圖圖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構，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，如果接到A1、B1、C1上，則電機作略低速運轉。上述即二速三相無刷永磁直流電機的定子繞組的接法結構，亦能夠反映在此圖內，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，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較少的三相繞組，A1-A2、B1-B2、C1-C2。第一組匝數較多的三組繞組以三角形接法連接，U1-W2、V1-U2、W1-V2連接，然后第二組匝數較少的三相繞組按星形連接方式接到第一組繞組構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。當電源控制器輸出接到U1、V1、W1三個結點上時，即已經接成三角形繞組上，此時電機作高速運轉。當需要電機作低速運轉時，將電源控制器的輸出三相電源線換接到A1、B1、C1三個結點上，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，但輸出力矩較大。星形繞組的匝數占總匝數的8-35％左右有較好的效果。
A1、B1、C1三個結點與U1、V1、W1三個結點的互相轉換可以通過繼電器來切換，也可以通過其它觸點轉換開關，包括固態開關等均可。通過合理安排二組繞線的匝數比，可以方便的提供速比在1∶1.2-1.6較寬范圍內，此電機實用性好，可直接應用電動車，也使得電機的控制電路的工作狀態更加合理，工作可靠。較高速度時用高速檔，可以保護控制器及畜電池，又可延長電動車的續行距離。星形繞組的匝數占總匝數的10-16％左右有更好的效果。
電源輸出端接一組接頭A3、B3、C3和接另一組A1、B1、C1接頭也是本實用新型的實施例，這就相當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輸出端，亦對應著二檔調速狀態。線圈的各種嵌置方式也沒有超出本實用新型的范圍。
圖2U1-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實用新型的范圍。同樣，抽頭至二至四個抽頭亦完全在本實用新型范圍內。
本實用新型提供可以低速啟動，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，實用性強等優點。本實用新型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構。也可以用于20對磁極左右、20-30槽左右嵌線的結構。定子設計中可以采取分數槽的設計，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)的測試報告表明星形繞組的匝數占總匝數的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。可見在350W左右變換功率時均以恒功率輸出。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。
權利要求1.適于多速調節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輸出端，另相鄰兩繞組的接頭端均接一星形繞組，即相應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輸出端。
2.由權利要求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構進行改進，每相星形繞組設計成為1-5段繞組，每兩段繞組間設有抽頭引出線，亦構成換擋的連接線，形成多速調節的多相定子繞組。
4.由權利要求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占總匝數的8-35％。
6.由權利要求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占總匝數的10-16％。
7.由權利要求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輸出端，亦對應著二檔調速狀態。
專利摘要適于多速調節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輸出端，另相鄰兩繞組的接頭端均接一星形繞組，即相應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輸出端。以上所述是基本的技術方案，對應著二檔調速狀態。本定子能在高速和低速高轉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，同時保證繞組匝數的分配合理，速比的范圍達到實用的要求，可以理想的用于電動車上。
文檔編號H02K29/00GK2822007SQ20052007550
公開日2006年9月27日 申請日期2005年9月14日 優先權日2005年9月14日
發明者華永偉, 霍桐章, 胡燕英 申請人:華慶源