专利名称：电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电动自行车驱动用的新型开关磁阻电动机系统，属于电动自行车驱动电动机技术领域。
背景技术：
传统的电动自行车大多采用有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机作为动力源，这两种电动机各有各的特点，有刷直流电动机具有调速控制简单等优点，但其电机机械结构复杂，尤其是机械换向器成为其瓶颈，因此存在寿命短、维护工作量大等缺点。永磁无刷直流电动机具有体积小、控制性能好、效率高等优点，但由于永磁的存在，对应用的环境温度、机械应力等要求苛刻，价格也昂贵。
开关磁阻电动机(Switched Reluctance Drives，简称SR电动机)，具有结构简单，转子铁心无电机绕组，无永磁体、容错能力强、可靠性高等特点，在许多场合得到了较为广泛的运用。
开关磁阻电动机的定子铁心与转子铁心均为双凸极齿槽结构，定子铁心设有电机绕组，转子铁心无绕组、无永磁材料，开关磁阻电动机结构简单、成本低，制造与维护方便；开关磁阻电动机的可控参数多，控制方便、灵活，可四相限运行，能实现恒转矩、恒功率等特定要求的调节控制；是电动车及轻型电动车理想的驱动电动机方案之一。开关磁阻电动机也存在振动、噪声大等缺点。
目前，采用开关磁阻电动机作电动汽车的主驱动电机研究在国内外引起了高度的重视，在轻型电动车上的应用研究也渐渐被人们关注，我国对电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统的研究处于起步阶段，已有链条传动摩托车SR电动机驱动系统和单片机可编程器件的控制器、常规结构等自行车驱动开关磁阻电动机技术方面的研究报道，还没有专门开展适合低速运行的大转矩、高出力的盘式外转子结构、电动和电磁制动一体化控制技术等自行车SR驱动电机优势技术的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统，以提高开关磁阻电动机的输出扭矩，减小转矩脉动，并使电动、再生制动一体化。
按照本发明提供的技术方案，系统包括、开关磁阻电动机、功率变换器、控制器，在车载蓄电池与开关磁阻电动机之间连接功率变换器，在开关磁阻电动机的外壳内有转子铁芯与定子铁心，其特征是控制器分别与车载蓄电池、开关磁阻电动机及功率变换器连接，用来控制功率变换器中的开关管的通与断，以控制开关磁阻电动机的转速，开关磁阻电动机中的转子为扇块状转子。
不同于传统双凸级开关磁阻电动机，本方案中，扇块状转子开关磁阻电动机的定子上设置的齿为均匀间隔的宽齿与窄齿，在定子铁心的每个宽齿上绕有一个线圈，径向相对的线圈串联或并联构成一相电机绕组，转子铁芯为扇块状离散结构，由非磁性材料均匀固定在非磁性材料的转子轭上。
开关磁阻电动机为外转子结构，在开关磁阻电动机中，外壳由壳体与盖体连接而成，在外壳的中央利用轴承安装定子轴，在定子轴位于外壳内的一段上安装定子铁芯，在外壳的内壁、对应于定子铁芯的部位安装转子铁芯。
控制器根据转子铁芯的位置信号控制功率变换器的开关管的通断角，实现电动、电磁制动一体化控制。
本发明除了具备结构简单、可靠，成本低廉，启动转矩大、加速性能好，能够实现无刷驱动和无级调速等优点外，作为一种新型结构的SR电动自行车驱动系统，与一般常规开关磁阻电动机系统相比，本方案具有以下特点电机的出力大，体积小，转矩脉动小，振动噪声小；开关磁阻电动机采用外转子结构的轮毂外形，很方便装配在电动自行车上，可直接驱动，转子结构可方便设计成盘式轮毂结构，整车的结构很简单；本系统具有电动、再生制动一体化功能，不增加额外的部件，很方便实现电磁制动功能，提高了电能的利用率，有效地延长了一次充电的续航里程，是一种高效节能的新型电动自行车驱动系统。本发明成果有利于电动自行车的开关磁阻电动机产业化，特别适合应用轻型电动车的低速直接驱动场合。
图1为扇块状转子铁心开关磁阻电动机截面示意图。
图2为轮毂结构的开关磁阻电动机外形图。
图3为轮毂结构的开关磁阻电动机剖视图。
图4为开关磁阻电动机系统框图。
图5为功率变换器主电路原理图(一相)。
图6为开关磁阻电动机电动运行时相电流原理图。
图7为开关磁阻电动机电磁制动运行时相电流原理图。
图中1.开关磁阻电动机、2.功率变换器、3.控制器、4.开关、5.蓄电池、11.外壳、12.转子铁心、13.定子铁心、14.线圈、15.轴承、16.橡胶垫片、17.定子轴、18.轴螺纹。
具体实施例方式
本发明的电动机驱动系统包括扇块状转子铁心型的开关磁阻电动机1、功率变换器2、控制器3三部分组成，车载蓄电池5通过功率变换器2连接开关磁阻电动机1上，控制器3控制功率变换器2的开关管的通断，完成对开关磁阻电动机1的转速和电动、制动模式转换等控制功能，其框图如图4所示。扇块状转子铁心开关磁阻电动机1采用外转子结构，设计成轮毂式结构，其截面如图1所示，可直接安装在自行车轮毂或辐条上。
图1是12/10扇块状转子铁心开关磁阻电动机1的截面示意图。为外转子结构，图中，定子铁心13为12个齿，宽齿与窄齿均匀间隔设置，在定子铁心13的每个宽齿上绕有一个线圈14，共6个，径向相对的两个线圈串联或并联构成一相电机绕组，分别为A、B、C三相。转子铁心12有10个齿，为扇块状离散结构，由非磁性材料固定在转子外壳11上，其转子外壳11也必须是非磁性材料。由图1可以看出，当转子铁心12的位置变化时，各相磁路的磁阻及电机绕组的电感也随之改变，当电机绕组的轴线(定子铁心13的宽齿轴线)与转子齿轴线重合时，磁路的磁阻最大，电机绕组的电感最小，此位置定义为θ＝0°，该位置相电感为最小值Lmin；定子相电机绕组轴线和转子槽轴线重合时磁路的磁阻最小，电机绕组电感最大，定义此位置为θm，其时电感具有最大值Lmax°附图5、6中虚线表示的就是相电感L(θ)以转子齿距角θr为周期而变化的关系曲线。
对照图2，扇块状转子铁心开关磁阻电动机设计成轮毂式结构，为扁平盘式结构，该开关磁阻电动机1可直接安装在自行车轮毂或自行车钢丝辐条上。
图3中，轮毂式扇块状转子铁心开关磁阻电动机的转子铁心12和定子铁心13的叠片(即硅钢片)采用一定数量的0.5mm或0.35mm硅钢片叠压形成，其截面图如图1。叠压成一定厚度的转子铁心12压在转子外壳11内，齿间填充非磁性材料，以固定扇块状转子铁心12，定子铁心13的槽内嵌有线圈14，之间为绝缘材料，多个线圈14按一定规律通过串联或并联形成开关磁阻电动机1的一相电机绕组。定子铁心13装配在定子轴17上，定子轴17通过轴承15固定在外壳11的中央，橡胶垫片16安放在轴承15上，起着密封的作用，整个开关磁阻电动机1通过定子轴17固定在自行车的两端支架上。位置传感器开关固定在定子轴上，位置传感器的位置齿盘安装在端盖上，位置传感器向控制器发出电信号，在定子轴17上的螺纹18可以安装机械刹车鼓及紧固螺母等。
功率变换器2的结构与常规开关磁阻电动机1相同，通常采用不对称半桥，如图5所示(一相)，在开关磁阻电动机1的功率变换器2中，其主电路(一相)的每相电路包括两个开关元件S1、S2和两个二极管D1、D2，开关元件S1与电机绕组L1串联，开关元件S2与电机绕组L1串联，二极管D1的阴极与电源正极相连，开关元件S2与电机绕组L1串联；二极管D2的阳极与电源负极相连，从开关磁阻电动机1的运行机理来说，如按图6中θ1位置控制功率开关管导通，S1、S2导通，电源对电机绕组供电，线圈14的电流循电源正极→S1→L1→S2→电源负极路径变化；在θ2位置控制功率开关管关断，S1、S2关断，此时，开关磁阻电动机1将磁能转化为电能回馈给电源，线圈14的电流循电源U_→D2→L1→D1→电源正极路径变化，产生相电流波形如图6所示i(θ)，相电流形成于相电感上升区，开关磁阻电动机1输出正转矩，电动运行；如按图6中θ1位置控制功率开关管导通，S1、S2导通，电源对电机绕组供电，线圈14的电流循电源正极→S1→L1→S2→电源负极路径变化；在θ2位置控制功率开关管关断，S1、S2关断，此时，开关磁阻电动机1将磁能转化为电能回馈给电源，线圈14的电流循电源U_→D2→L1→D1→电源正极路径变化，产生相电流波形如图6所示i(θ)，相电流形成于相电感下降区，开关磁阻电动机1输出负转矩，此时开关磁阻电动机1将机械能转化为电能回馈给电源，制动运行。
图4中蓄电池5通过开关4接通功率变换器2，功率变换器2连接开关磁阻电动机1的电机绕组，控制器3根据用户指令控制功率变换器2的开关管的通断角θ1、θ2，即可方便地实现电动、制动模式转换；根据转速给定信号，控制器3控制功率变换器2的开关管的导通时间，实现转速调节功能，此外控制器3还可以根据需要设置过速、欠压、过流等保护功能。
权利要求
1.电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统，包括开关磁阻电动机(1)、功率变换器(2)、控制器(3)，在车载蓄电池(5)与开关磁阻电动机(1)之间连接功率变换器(2)，在开关磁阻电动机(1)的外壳(11)内有转子铁芯(12)与定子铁心(13)，其特征是控制器(3)分别与车载蓄电池(5)、开关磁阻电动机(1)及功率变换器(2)连接，用来控制功率变换器(2)中的开关管的通与断及时间，以控制开关磁阻电动机(1)的转速。
2.如权利要求1所述的电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统，其特征是定子铁心(13)上有均匀间隔设置的宽齿与窄齿，在定子铁心(13)的每个宽齿上绕有一个线圈(14)，径向相对的线圈(14)串联或并联构成一相电机绕组；转子铁芯(12)为扇块状离散结构，由非磁性材料均匀固定在外壳(11)上，外壳(11)为非磁性材料。
3.如权利要求1所述的电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统，其特征是开关磁阻电动机(1)为扁平盘式的外转子结构，在开关磁阻电动机(1)中，外壳(11)由壳体与盖体连接而成，在外壳(11)的中央利用轴承(15)安装定子轴(17)，在定子轴(17)位于外壳(11)内的一段上安装定子铁芯(13)，在外壳(11)的内壁、对应于定子铁芯(13)的部位安装转子铁芯(12)。
4.如权利要求1所述的电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统，其特征是控制器(3)根据转子铁芯(12)的位置信号控制功率变换器(2)的开关管的通断角，实现电动、电磁制动一体化控制。
全文摘要
电动自行车驱动用开关磁阻电动机系统，属于电动自行车驱动电动机技术领域。按照本发明提供的技术方案，系统包括开关磁阻电动机、功率变换器、控制器，在车载蓄电池与开关磁阻电动机之间连接功率变换器，其特征是控制器分别与车载蓄电池、开关磁阻电动机及功率变换器连接，用来控制功率变换器中的开关管的通与断，以控制开关磁阻电动机的转速；扇块状转子开关磁阻电动机结构不同于传统双凸极结构，定子齿为宽窄齿相间，每个宽齿上绕有一个线圈，径向相对的线圈串联或并联构成一相电机绕组，转子齿为扇块状离散结构，由非磁性材料均匀固定在转子轭上。与传统结构开关磁阻电机系统相比，本发明扇块状转子开关磁阻电动机系统可以有效增加开关磁阻电动机的输出转矩，减小转矩脉动，并使电动、再生制动一体化。
文档编号H02P6/16GK1980048SQ200610097199
公开日2007年6月13日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者刘闯 申请人:宜烁科技贸易(上海)有限公司