電動汽車直驅輪轂電機及其電動汽車的制作方法
【專利摘要】一種電動汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值Pw/θb的范圍是1.4～1.6，其中，θb為步距角，所述步距角θb=360/mNr，相數m=5，Nr為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距αr的一半，轉子凹槽距αr為轉子極距τr減去轉子凸極距βr，τr=360o/Nr。以及提供了一種用所述電動汽車直驅輪轂電機實現的電動汽車。本發明提供了一種有效降低轉矩脈動、提升工作效率的電動汽車直驅輪轂電機及其電動汽車。
【專利說明】電動汽車直驅輪轂電機及其電動汽車【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電動汽車驅動電機及其電動汽車。
【背景技術】
[0002]開關磁阻SR電機具有起動力矩大而起動電流小；短時過載能力強；調速范圍寬；動態響應快；易方便發電回饋制動；電機結構簡單堅固；可靠性高等諸多優點。正在被越來越多的電機調速領域所應用，但SR電機的最大缺陷是轉矩脈動大，由此也就難以被更多應用場合所接受。尤其隨著未來電動汽車被普及，所需量大面廣的驅動電機必以高性價比選取。上述SR電機的諸多優點對汽車行駛于多變路況的要求雖極其適用，但電機轉矩脈動大也會被拒之門外。
[0003]經理論分析和實踐證實均已說明電動汽車的最佳、最終驅動方式應是直驅輪轂電機，但由此也對電機調速性能等提出更高的獨特要求。而SR電機上述諸多優勢也恰好適合于直驅輪轂電機的獨特要求，但也必須設法減小其轉矩脈動。如附圖2所示為按目前應用最普遍的SR三相電機常規結構參數設計，經計算機有限元仿真后所得轉矩隨時間變化的波形圖。通過對導出仿真所得數據估算，可得其轉矩平均值約為94Ν.πι，而轉矩峰值197比平均值高出109%;轉矩谷值19低于平均值80%。通過與已普遍應用于電動自行車的永磁無刷輪轂電機相比，按仿真所得數據估算，其轉矩脈動率超過約兩倍之多。如此高的轉矩脈動所引起的電機振動和噪聲，勢必對汽車平穩運行和乘坐舒適性帶來影響。
[0004]為減小SR電機轉矩脈動，業界研究人士也先后提出不少方法，以研究論文或專利文獻公開。但所采取措施后的實際效果均未能較大幅度地減小轉矩脈動；或對轉矩脈動雖略有改善，但也一定程度地降低了電機效率。由于SR電機按相數可有多種相位結構，而定、轉子凸極數又有多種匹配形式，再按改變極弧系數、繞組等各種設計參數，即可引伸出數以無計種SR電機，但究竟選用哪種SR電機結構和其設計參數，能獲得較佳性能，是業界所期盼的。

【發明內容】

[0005]為了克服已有技術電動汽車驅動SR電機的轉動脈動較大、工作效率較低的不足，本發明提供了一種有效降低轉矩脈動、提升工作效率的電動汽車直驅輪轂電機及其電動汽車。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
一種電動汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值Pw/ 0b的范圍是1.4-1.6，其中，QbS步距角，所述步距角eb=360/mNr，相數m=5，隊為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距的一半，轉子凹槽距％為轉子極距τr減去轉子凸極距0r，Tr=360°/Nr。
[0007]進一步，比值Pw/ Θ b的范圍是1.50-1.55。[0008]更進一步，所述轉子凸極數隊為16，所述定子凸極數Ns為20。
[0009]一種電動汽車，包括汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值范圍是1.4-1.6，其中，0bS步距角，所述步距角0b=36O/mNr，相數m=5，Nr為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距％的一半，轉子凹槽距％為轉子極距S減去轉子凸極距Pr，Tr=360°/Nr。
[0010]本發明的技術構思:多年來本發明人通過持續、系統地全面深入研究，借助于計算機對電機磁路的有限元分析仿真，通過改變SR電機各種結構設計參數，經數以萬計次仿真比較分析，以循序漸進地找出電機各種設計參數變化對其相關性能的影響趨勢等一系列有用規律，包括能獲最低轉矩脈動的SR電機結構參數。
[0011]本發明的有益效果主要表現在:有效降低轉矩脈動、提升工作效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是電動汽車直驅輪轂電機的示意圖。
[0013]圖2是按目前應用最普遍的SR三相電機結構參數設計后仿真所得轉矩波形圖。
[0014]圖3是SR五相電機結構參數通過優化改進后設計的SR外轉子電機經仿真所得轉矩波形圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0016]實施例1
參照圖廣圖3，一種電動汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值范圍是
1.4-1.6，其中，0bS步距角，所述步距角0b=36O/mNr，相數m=5，Nr為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距％的一半，轉子凹槽距％為轉子極距S減去轉子凸極距Pr，Tr=360°/Nr。
[0017] 進一步，比值Pw/ 0b的范圍是1.50-1.55。
[0018]更進一步，所述轉子凸極數Nr為16，所述定子凸極數Ns為20。
[0019]本發明中，根據SR電機產生磁阻轉矩工作原理的分析，要求電機同相繞組在相鄰凸極上的繞向必須互為相反，即使通電后產生的磁場極性互為不同的N、S極，才能使同相繞組的相鄰凸極磁路首尾相接。對于目前應用最普遍的三相SR電機，由于相鄰相電流幾乎無重疊度，因此許多文獻分析時往往可忽略其互感影響。但隨著SR電機相數增加，各相繞組的導通角與步距角的比值也隨之增大，即使相鄰相的電流重疊度增加，由此使相鄰相的互感影響因素得以加強，須引起重視。對于奇數相的SR電機繞組正好可采用NSNSNS…方式連接，即使SR電機所有相鄰凸極無論是自感或互感產生的磁場極性均互為相反，相鄰相同時導通時磁場互為加強，形成首尾相接的短磁路，并相鄰相的影響均一致。而對于偶數相的SR電機繞組無論采用何種方式連接，總存在某相鄰相在同時導通時的磁場為相互減弱。在此以四相SR電機為例，繞組若采用一種NNNNSSSS方式連接，其相鄰DA相導通時磁場互為加強，形成短磁路；而々8、BC、CD相導通時磁場為相互減弱，形成長磁路交替出現。如此使得相鄰相的影響不一致，也易引起相應的轉矩脈動。由此得出奇數相SR電機性價比應優于偶數相SR電機。
[0020]根據上述結論，為改善轉矩脈動，曾以五相、七相、九相等奇數相SR外轉子電機為前提，采用多種電機結構設計參數進行仿真比較，通過深入研究發現采用五相結構，設計合適參數即可使SR電機的轉矩脈動處于最小。如附圖3所示為SR五相電機結構參數通過優化改進后設計的SR外轉子電機經仿真所得轉矩波形圖。通過對導出仿真所得數據估算，可得其轉矩平均值為128N -m ;而轉矩峰值137比平均值僅高7% ;谷值115比平均值僅低10%。即轉矩脈動率遠低于前述已普遍應用于電動自行車的永磁無刷輪轂電機。從根本上解決了業界公認為SR電機的最大弊端是轉矩脈動大。如此即可制成電動汽車最佳、最終驅動方式的直驅輪轂電機，以充分發揮SR電機適用于汽車在多變路況獨特要求的優勢。
[0021]經仿真分析研究發現通過合理調整SR電機相鄰相的導通重疊角，即可極大改善其轉矩脈動。由于相鄰相導通重疊角取決于每相導通的脈沖寬度Pw與其步距角0b的比值，再經進一步研究發現如能將比值Pw/ Θ b調整為1.52左右，即可使轉矩脈動接近于最小。通過全面比較各類SR電機結構與其可能設計參數，發現其中五相SR電機最易將比值Pw/9b調整為1.52左右。即按五相SR電機結構設計時，又要兼顧其效率等，通過適當調節定、轉子凸極的極弧系數，和在控制策略中設置合適的每相導通脈沖寬度Pw等，將比值Pw/Θ b調整為1.4~1.6即可使SR電機轉矩脈動和效率趨于最佳狀態。
[0022]通過研究還發現隨著SR電機相數增加，各相繞組的導通角與其步距角的比值增大，即使相鄰相的電流重疊度也增加。如此當系統出現如某相斷路、開關管燒毀等故障時，電機仍能缺相運行，提高了系統的故障容錯性；同時也使各開關管所需承擔最大電流峰值有所降低。因SR電機電流只要求單方向控制，每增加一相即需增加兩只開關管，五相SR電機驅動器所需開關管雖有所增加，但由于相鄰相電流重疊度增加，也使所有開關管所需承擔的最大電流峰值降低。又因電動汽車所用蓄電池電源電壓并不很高，如此所用開關管即可考慮采用MOS管來替代IGBT，這即有利于減小管壓損耗和結構體積，也能使驅動器成本并不增加，隨著批量化、標準化以及工藝優化的推進，使SR直驅輪轂電機的性價比極大提高，達到普及化要求。
[0023]附圖1是一種輪轂電機的不意圖,其中，電機米用了五相20/16極SR外轉子電機；五相20/16極SR電機表示相數m=5、定子凸極數Ns=20、轉子凸極數隊=16 ；
SR電機步距角0b與相數m、轉子凸極數N,的關系式為0b=36O°/mNr。五相20/16極電機步距角 Θ b=360/mNr=360/5/16=4.5°。
[0024]每相導通的脈沖寬度Pw通常設置為轉子凹槽距Cir的一半，轉子凹槽距也就是轉子極距τ J=360°/X)減去轉子凸極距βρ轉子的極弧系數即為轉子凸極距Py轉子極距
[0025]實施例2
參照圖廣圖3，一種電動汽車，包括汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值Pw/Qb的范圍是1.4~1.6，其中，0bS步距角，所述步距角0b=36O/nr，相數m=5，隊為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距％的一半，轉子凹槽距CIr為轉子極距Tr減去轉子凸極距βρ Tr=360°/Nr。[0026]本實施例中，電動汽車的其他組成部件均采用本領域的常規技術手段，磁阻式電機的結構和設計原理均與實施例1相同。
【權利要求】
1.一種電動汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，其特征在于:所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值Pw/eb的范圍是1.4~1.6，其中，0bS步距角，所述步距角0b=36O/mNr，相數m=5，Nr為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距％的一半，轉子凹槽距％為轉子極距S減去轉子凸極距Pr，Tr=360°/Nr。
2.如權利要求1所述的電動汽車直驅輪轂電機，其特征在于:比值Pw/9b的范圍是1.50 ~1.55。
3.如權利要求1或2所述的電動汽車直驅輪轂電機，其特征在于:所述轉子凸極數隊為16，所述定子凸極數凡為20。
4.一種電動汽車，包括汽車直驅輪轂電機，所述輪轂電機采用磁阻式電機，所述磁阻式電機呈外轉子結構，其特征在于:所述磁阻式電機為五相結構，五相結構中，比值Pw/ 0b的范圍是1.4~1.6，其中，0bS步距角，所述步距角0b=36O/n^，相數m=5，隊為轉子凸極數；Pw為每相導通的脈沖寬度，每相導通的脈沖寬度Pw為轉子凹槽距％的一半，轉子凹槽距CIr為轉子極距Tr減去轉子凸極距βρ Tr=360°/Nr。
5.如權利要求4所述的電動汽車，其特征在于:比值Pw/eb的范圍是1.50~1.55。
6.如權利要求4或5所述的電動汽車，其特征在于:所述轉子凸極數隊為16，所述定子凸極數Ns為20。
【文檔編號】H02K29/03GK103457433SQ201310360010
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】王貴明, 董煒江, 張華 , 張曉
申請人:浙江眾泰新能源汽車科技有限公司