專(zhuān)利名稱(chēng)：電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用的新型開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，屬于電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電動(dòng)自行車(chē)大多采用有刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，這兩種電動(dòng)機(jī)各有各的特點(diǎn)，有刷直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是機(jī)械換向器成為其瓶頸，因此存在壽命短、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有體積小、控制性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于永磁的存在，對(duì)應(yīng)用的環(huán)境溫度、機(jī)械應(yīng)力等要求苛刻，價(jià)格也昂貴。
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Drives，簡(jiǎn)稱(chēng)SR電動(dòng)機(jī))，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子鐵心無(wú)電機(jī)繞組，無(wú)永磁體、容錯(cuò)能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，在許多場(chǎng)合得到了較為廣泛的運(yùn)用。
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心均為雙凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子鐵心設(shè)有電機(jī)繞組，轉(zhuǎn)子鐵心無(wú)繞組、無(wú)永磁材料，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，制造與維護(hù)方便；開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的可控參數(shù)多，控制方便、靈活，可四相限運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率等特定要求的調(diào)節(jié)控制；是電動(dòng)車(chē)及輕型電動(dòng)車(chē)?yán)硐氲尿?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)方案之一。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也存在振動(dòng)、噪聲大等缺點(diǎn)。
目前，采用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)汽車(chē)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究在國(guó)內(nèi)外引起了高度的重視，在輕型電動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用研究也漸漸被人們關(guān)注，我國(guó)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究處于起步階段，已有鏈條傳動(dòng)摩托車(chē)SR電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)可編程器件的控制器、常規(guī)結(jié)構(gòu)等自行車(chē)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的研究報(bào)道，還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)開(kāi)展適合低速運(yùn)行的大轉(zhuǎn)矩、高出力的盤(pán)式外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電動(dòng)和電磁制動(dòng)一體化控制技術(shù)等自行車(chē)SR驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)勢(shì)技術(shù)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以提高開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并使電動(dòng)、再生制動(dòng)一體化。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，系統(tǒng)包括、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器，在車(chē)載蓄電池與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)之間連接功率變換器，在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的外殼內(nèi)有轉(zhuǎn)子鐵芯與定子鐵心，其特征是控制器分別與車(chē)載蓄電池、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及功率變換器連接，用來(lái)控制功率變換器中的開(kāi)關(guān)管的通與斷，以控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子為扇塊狀轉(zhuǎn)子。
不同于傳統(tǒng)雙凸級(jí)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，本方案中，扇塊狀轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定子上設(shè)置的齒為均勻間隔的寬齒與窄齒，在定子鐵心的每個(gè)寬齒上繞有一個(gè)線(xiàn)圈，徑向相對(duì)的線(xiàn)圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相電機(jī)繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯為扇塊狀離散結(jié)構(gòu)，由非磁性材料均勻固定在非磁性材料的轉(zhuǎn)子軛上。
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)中，外殼由殼體與蓋體連接而成，在外殼的中央利用軸承安裝定子軸，在定子軸位于外殼內(nèi)的一段上安裝定子鐵芯，在外殼的內(nèi)壁、對(duì)應(yīng)于定子鐵芯的部位安裝轉(zhuǎn)子鐵芯。
控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子鐵芯的位置信號(hào)控制功率變換器的開(kāi)關(guān)管的通斷角，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)、電磁制動(dòng)一體化控制。
本發(fā)明除了具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，成本低廉，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、加速性能好，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)外，作為一種新型結(jié)構(gòu)的SR電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與一般常規(guī)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，本方案具有以下特點(diǎn)電機(jī)的出力大，體積小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，振動(dòng)噪聲?。婚_(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的輪轂外形，很方便裝配在電動(dòng)自行車(chē)上，可直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可方便設(shè)計(jì)成盤(pán)式輪轂結(jié)構(gòu)，整車(chē)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單；本系統(tǒng)具有電動(dòng)、再生制動(dòng)一體化功能，不增加額外的部件，很方便實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)功能，提高了電能的利用率，有效地延長(zhǎng)了一次充電的續(xù)航里程，是一種高效節(jié)能的新型電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明成果有利于電動(dòng)自行車(chē)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化，特別適合應(yīng)用輕型電動(dòng)車(chē)的低速直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。


圖1為扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)截面示意圖。
圖2為輪轂結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)外形圖。
圖3為輪轂結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)剖視圖。
圖4為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)框圖。
圖5為功率變換器主電路原理圖(一相)。
圖6為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相電流原理圖。
圖7為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)電磁制動(dòng)運(yùn)行時(shí)相電流原理圖。
圖中1.開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、2.功率變換器、3.控制器、4.開(kāi)關(guān)、5.蓄電池、11.外殼、12.轉(zhuǎn)子鐵心、13.定子鐵心、14.線(xiàn)圈、15.軸承、16.橡膠墊片、17.定子軸、18.軸螺紋。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心型的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1、功率變換器2、控制器3三部分組成，車(chē)載蓄電池5通過(guò)功率變換器2連接開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1上，控制器3控制功率變換器2的開(kāi)關(guān)管的通斷，完成對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)、制動(dòng)模式轉(zhuǎn)換等控制功能，其框圖如圖4所示。扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成輪轂式結(jié)構(gòu)，其截面如圖1所示，可直接安裝在自行車(chē)輪轂或輻條上。
圖1是12/10扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1的截面示意圖。為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，圖中，定子鐵心13為12個(gè)齒，寬齒與窄齒均勻間隔設(shè)置，在定子鐵心13的每個(gè)寬齒上繞有一個(gè)線(xiàn)圈14，共6個(gè)，徑向相對(duì)的兩個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相電機(jī)繞組，分別為A、B、C三相。轉(zhuǎn)子鐵心12有10個(gè)齒，為扇塊狀離散結(jié)構(gòu)，由非磁性材料固定在轉(zhuǎn)子外殼11上，其轉(zhuǎn)子外殼11也必須是非磁性材料。由圖1可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子鐵心12的位置變化時(shí)，各相磁路的磁阻及電機(jī)繞組的電感也隨之改變，當(dāng)電機(jī)繞組的軸線(xiàn)(定子鐵心13的寬齒軸線(xiàn))與轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)重合時(shí)，磁路的磁阻最大，電機(jī)繞組的電感最小，此位置定義為θ＝0°，該位置相電感為最小值Lmin；定子相電機(jī)繞組軸線(xiàn)和轉(zhuǎn)子槽軸線(xiàn)重合時(shí)磁路的磁阻最小，電機(jī)繞組電感最大，定義此位置為θm，其時(shí)電感具有最大值Lmax°附圖5、6中虛線(xiàn)表示的就是相電感L(θ)以轉(zhuǎn)子齒距角θr為周期而變化的關(guān)系曲線(xiàn)。
對(duì)照?qǐng)D2，扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成輪轂式結(jié)構(gòu)，為扁平盤(pán)式結(jié)構(gòu)，該開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1可直接安裝在自行車(chē)輪轂或自行車(chē)鋼絲輻條上。
圖3中，輪轂式扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心12和定子鐵心13的疊片(即硅鋼片)采用一定數(shù)量的0.5mm或0.35mm硅鋼片疊壓形成，其截面圖如圖1。疊壓成一定厚度的轉(zhuǎn)子鐵心12壓在轉(zhuǎn)子外殼11內(nèi)，齒間填充非磁性材料，以固定扇塊狀轉(zhuǎn)子鐵心12，定子鐵心13的槽內(nèi)嵌有線(xiàn)圈14，之間為絕緣材料，多個(gè)線(xiàn)圈14按一定規(guī)律通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)形成開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1的一相電機(jī)繞組。定子鐵心13裝配在定子軸17上，定子軸17通過(guò)軸承15固定在外殼11的中央，橡膠墊片16安放在軸承15上，起著密封的作用，整個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1通過(guò)定子軸17固定在自行車(chē)的兩端支架上。位置傳感器開(kāi)關(guān)固定在定子軸上，位置傳感器的位置齒盤(pán)安裝在端蓋上，位置傳感器向控制器發(fā)出電信號(hào)，在定子軸17上的螺紋18可以安裝機(jī)械剎車(chē)鼓及緊固螺母等。
功率變換器2的結(jié)構(gòu)與常規(guī)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1相同，通常采用不對(duì)稱(chēng)半橋，如圖5所示(一相)，在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1的功率變換器2中，其主電路(一相)的每相電路包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件S1、S2和兩個(gè)二極管D1、D2，開(kāi)關(guān)元件S1與電機(jī)繞組L1串聯(lián)，開(kāi)關(guān)元件S2與電機(jī)繞組L1串聯(lián)，二極管D1的陰極與電源正極相連，開(kāi)關(guān)元件S2與電機(jī)繞組L1串聯(lián)；二極管D2的陽(yáng)極與電源負(fù)極相連，從開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1的運(yùn)行機(jī)理來(lái)說(shuō)，如按圖6中θ1位置控制功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，S1、S2導(dǎo)通，電源對(duì)電機(jī)繞組供電，線(xiàn)圈14的電流循電源正極→S1→L1→S2→電源負(fù)極路徑變化；在θ2位置控制功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，S1、S2關(guān)斷，此時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1將磁能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電源，線(xiàn)圈14的電流循電源U_→D2→L1→D1→電源正極路徑變化，產(chǎn)生相電流波形如圖6所示i(θ)，相電流形成于相電感上升區(qū)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1輸出正轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)運(yùn)行；如按圖6中θ1位置控制功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，S1、S2導(dǎo)通，電源對(duì)電機(jī)繞組供電，線(xiàn)圈14的電流循電源正極→S1→L1→S2→電源負(fù)極路徑變化；在θ2位置控制功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，S1、S2關(guān)斷，此時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1將磁能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電源，線(xiàn)圈14的電流循電源U_→D2→L1→D1→電源正極路徑變化，產(chǎn)生相電流波形如圖6所示i(θ)，相電流形成于相電感下降區(qū)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電源，制動(dòng)運(yùn)行。
圖4中蓄電池5通過(guò)開(kāi)關(guān)4接通功率變換器2，功率變換器2連接開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1的電機(jī)繞組，控制器3根據(jù)用戶(hù)指令控制功率變換器2的開(kāi)關(guān)管的通斷角θ1、θ2，即可方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)、制動(dòng)模式轉(zhuǎn)換；根據(jù)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，控制器3控制功率變換器2的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能，此外控制器3還可以根據(jù)需要設(shè)置過(guò)速、欠壓、過(guò)流等保護(hù)功能。
權(quán)利要求
1.電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，包括開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)、功率變換器(2)、控制器(3)，在車(chē)載蓄電池(5)與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)之間連接功率變換器(2)，在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)的外殼(11)內(nèi)有轉(zhuǎn)子鐵芯(12)與定子鐵心(13)，其特征是控制器(3)分別與車(chē)載蓄電池(5)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)及功率變換器(2)連接，用來(lái)控制功率變換器(2)中的開(kāi)關(guān)管的通與斷及時(shí)間，以控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)的轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征是定子鐵心(13)上有均勻間隔設(shè)置的寬齒與窄齒，在定子鐵心(13)的每個(gè)寬齒上繞有一個(gè)線(xiàn)圈(14)，徑向相對(duì)的線(xiàn)圈(14)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相電機(jī)繞組；轉(zhuǎn)子鐵芯(12)為扇塊狀離散結(jié)構(gòu)，由非磁性材料均勻固定在外殼(11)上，外殼(11)為非磁性材料。
3.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)為扁平盤(pán)式的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(1)中，外殼(11)由殼體與蓋體連接而成，在外殼(11)的中央利用軸承(15)安裝定子軸(17)，在定子軸(17)位于外殼(11)內(nèi)的一段上安裝定子鐵芯(13)，在外殼(11)的內(nèi)壁、對(duì)應(yīng)于定子鐵芯(13)的部位安裝轉(zhuǎn)子鐵芯(12)。
4.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征是控制器(3)根據(jù)轉(zhuǎn)子鐵芯(12)的位置信號(hào)控制功率變換器(2)的開(kāi)關(guān)管的通斷角，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)、電磁制動(dòng)一體化控制。
全文摘要
電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，屬于電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器，在車(chē)載蓄電池與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)之間連接功率變換器，其特征是控制器分別與車(chē)載蓄電池、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及功率變換器連接，用來(lái)控制功率變換器中的開(kāi)關(guān)管的通與斷，以控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；扇塊狀轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)雙凸極結(jié)構(gòu)，定子齒為寬窄齒相間，每個(gè)寬齒上繞有一個(gè)線(xiàn)圈，徑向相對(duì)的線(xiàn)圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相電機(jī)繞組，轉(zhuǎn)子齒為扇塊狀離散結(jié)構(gòu)，由非磁性材料均勻固定在轉(zhuǎn)子軛上。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)相比，本發(fā)明扇塊狀轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以有效增加開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并使電動(dòng)、再生制動(dòng)一體化。
文檔編號(hào)H02P6/16GK1980048SQ200610097199
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者劉闖 申請(qǐng)人:宜爍科技貿(mào)易(上海)有限公司