专利名称：电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，属于电动汽车驱动电机制造技术领域。
背景技术：
当前全球石油资源供给日趋紧张，温室效应等气候问题也越来越受到世界各国的重视，发展低碳经济，走可持续发展之路已成为全球的共识。相比较传统的燃油/汽发动机驱动汽车20% 30%的输出效率，电动汽车的输出最大效率可以达到85%以上。由于其高效节能、低排放或零排放优势，以及优越的使用性能和相对低廉的使用价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。美国、 法国、德国等发达国家对电动汽车发展高度重视，各国从汽车技术变革和产业升级的战略出发，纷纷颁布制定了优惠的政策措施，加大电动汽车的投资力度，积极促进本国电动汽车产业发展。美国总统奥巴马明确表示，到2015年美国要有100万辆充电式混合动力车，其早在2009年6月就启动“新一代汽车”计划，力争在2050年使环保型汽车占据汽车市场总量的一半左右；法国政府于2010年1月份宣布将实施“发展电动汽车全国计划”，预计到 2020年将推广200万辆电动汽车；德国政府在2009年初通过的500亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分用于电动汽车研发和汽车充电站网络的建设。世界上许多著名的汽车制造厂商都在大力开发新能源汽车，寻求替代燃料或者减少燃料的消耗量。以美国蓝鸟客车公司、英国的FRERNASH公司、日本的丰田、本田为代表的电动客车和轿车已经上市。由此可见，未来几年全球电动汽车产业将达到一定规模，并将开启下一轮全球车市争霸战。从全球范围看，20世纪80年代前，几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机，这是因为直流牵引电机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点。直流电机的缺点是有机械换向器，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，所以电机的运转不能太高。由于直流电机的换向器需保养，又不适合高速运转，除小型车外，目前一般已不采用。而近十年来，主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。交流异步电机的矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品 (尤其在美国)，但其最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，交流异步电机效率和功率密度偏低。因此其已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。无刷永磁电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者。同时随着无刷永磁电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入，该类型电机结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能，适合用于电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注，特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象，至今已试制了多款不同型式的样车。 我国电动汽车发展始于上世纪九十年代，中科院电工所、上海811所、清华大学、上海同济大学、北京理工大学等单位，在“863”计划和“十五”国家科技专项等国家项目的支持下，在电动汽车研发制造领域取得了阶段性的研究成果。近年来，随着全球汽车工业重心开始向我国市场转移，电动汽车的产业化进程明显加快。据不完全统计，我国包括比亚迪、上汽、一汽、东风、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在内的整车企业超过150家，包括一汽、上汽、宇通等在内的从事混合动力客车研制和生产的厂家超过30家。根据《汽车工业调整和振兴规划》要求，到2011年底我国电动汽车产销形成规模，将形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量将占到乘用车销售总量的5%左右；根据《新能源汽车产业发展规划》草案，到2020年，我国新能源汽车产业化和市场规模要达到全球第一，新能源汽车(插电式混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车等)保有量达到 500万辆。由于电动汽车运行工况非常复杂，因此，对驱动电机的要求很高，目前国内虽有生产，但是性能上无法与节能环保要求完全吻合，且与国际先进水平仍有些许差距。然而经过 “九五”、“十五”、“十一五”国家对电动汽车驱动电机系统的集中研发和应用，特别是随着我国电动汽车的制造体系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已开始涉足与电动汽车相关的电池、电动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。在电机设计方面，采用现代车用电机系统设计理念，初步解决多目标高性能车用电机的极限设计与多领域精确分析以及结合应用控制策略系统集成仿真的技术难题; 在新型电机技术方面，国内部分企业、研究单位和高校对一些新原理的电机系统，进行了积极研究探索，有些已经开发出样机系统，部分进行了台架试验和装车；在检测试验方面，国内电机测试基地建立了电机及控制器专用性能检测试验台架，具备了较齐备的性能检测和初步环境试验检测条件；在电机及其控制系统的关键材料与关键零部件方面，如转速位置传感器的研制、高性能低成本绝缘材料开发、车用电机专用电工钢开发、电机磁性材料的稳定性研究方面，获得了初步成果。但是目前国内纯电动汽车驱动电机系统普遍存在交流感应电机起动力矩小，一般无刷永磁电机功率密度小、体积大、效率低、结构复杂、成本高、可靠性低、噪音大的问题， 与国外先进的纯电动汽车驱动电机存在不小的差距。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题，提供一种电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机。本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的
电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，包括内定子部分和外转子部分，外转子部分用于连接轮胎，内定子部分与汽车悬架连接，内定子部分包括电机定子、电机绕组和电机控制器，外转子部分包括电机转子和永磁体，其特征在于所述电机定子为螺旋条状铁片的卷叠结构，并且该卷叠结构又是宽齿窄齿相间的结构，绕组绕于定子宽齿上，窄齿不绕线。作为上述技术方案的优选，所述内定子部分还包括水冷结构，该水冷结构由覆盖于所述电机绕组的水冷网管构成。
作为上述技术方案的优选，该电机采用多极旋转变压器作为位置信号传感器，使用DSP作为主控芯片，对电机进行矢量控制计算，输出SVPWM控制信号，从而控制电机换相运行。作为上述技术方案的优选，控制器采用能承受高压、大电流的IPM智能驱动模块。电机本体方面电机定子采用不等宽齿结构，这种结构一方面便于集中绕组绕线方式绕线，另一方面减小了电机的齿槽转矩，降低了电机的振动；将电机设计成扁圆型并通过与汽车轮毂相嵌合的外转子结构设计，实现电机直接驱动轮毂，提高传动效率，降低汽车噪音，使汽车的加速减速、转向操作可方便，降低整车驱动系统的成本；
在工艺技术上，摒弃了传统的结构整体冲片，转子采用一次成型工艺，定子铁芯采用卷叠工艺，达到减少了磁阻、结构紧密、有效降低了噪声、提高材料利用率之目的；
电机定子水冷的结构设计，提高了电机的散热能力，增加了电机的功率密度，解决了电机散热难题。电子控制系统方面基于DSP的磁场定向控制(F0C矢量控制)的研究
采用多极旋转变压器作为电机位置信号传感器，使用DSP作为主控芯片，对电机进行矢量控制计算，输出SVPWM控制信号，从而控制电机换相运行；
运用高压、大电流驱动控制器采用可靠的IPM智能驱动模块，可以承受高压、大电流，并且有较好的电流保护功能；
采用基于DSP的矢量控制算法控制电机，实现了汽车动力的无级调速，提高了整个驱动系统的效率、精准性和可靠性；依据基于DSP的磁场定向控制(F0C矢量控制)基本原理对电机进行高精度的伺服控制。通过旋转变压器对转子位置检测和电流采样，经AD输入CPU 处理，通过基于坐标变换理论的磁场定向控制方法，坐标变换将电机内部复杂耦合的直流变量(如电流、磁链、电压等)，精确控制电机适合汽车行驶要求。电机定子漆包线采用了抗电晕漆包线，可增加电机的寿命，且在绝缘等级的选择上采用H级以上的等级，大大提高了电机的可靠性与寿命。使本发明电机具有以下特点 电机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，它的质量和体积能够大大减小，使得功率密度提高；由于转子无绕组，无铜损，其工作效率高，其效率高于感应电动机；电机发热主要集中在定子上，采取水冷的方式，散热效果好；永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而可靠性较高；转子电磁时间常数小，动态性能好。综上所述，本发明具有以下有益效果
1、电机定子采用不等宽齿结构，降低了齿槽转矩，减小了电机的振动和噪声；
2、定子铁芯采用卷叠方式，达到减少了磁阻、结构紧密、有效降低了噪声、提高材料利用率；
3、电机定子采用不等宽齿结构，这种结构一方面便于集中绕组绕线方式绕线，另一方面减小了电机的齿槽转矩，降低了电机的振动；
4、将电机设计成扁圆型并通过与汽车轮毂相嵌合的外转子结构设计，实现电机直接驱动轮毂，提高传动效率，降低汽车噪音，使汽车的加速减速、转向操作可方便，降低整车驱动系统的成本；
5、电机定子水冷的结构设计，提高了电机的散热能力，增加了电机的功率密度，解决了电机散热难题；6、采用基于DSP的矢量控制算法控制电机，实现了汽车动力的无级调速，提高了整个驱动系统的效率、精准性和可靠性；依据基于DSP的磁场定向控制(F0C矢量控制)基本原理对电机进行高精度的伺服控制。
图1是本发明的结构示意图2是本发明电机定子的结构示意图； 图3是本发明水冷结构的结构示意图中，1-电机定子，2-电机绕组，3-电机控制器，4-电机转子，5-永磁体，6-水冷结构， 7-轮胎，8-悬架。
具体实施例方式本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。如图1 3所示，电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，它包括内定子部分和外转子部分，外转子部分用于连接轮胎7，内定子部分与汽车悬架8连接，内定子部分包括电机定子1、电机绕组2和电机控制器3，外转子部分包括电机转子4和永磁体5，所述电机定子1为螺旋条状铁片的卷叠结构，并且该卷叠结构又是宽齿窄齿相间的结构，电机绕组2绕于电机定子宽齿1上，窄齿不绕线。所述内定子部分还包括水冷结构6，该水冷结构6由覆盖于所述电机绕组的水冷网管构成。该电机采用多极旋转变压器作为位置信号传感器，使用DSP作为主控芯片，对电机进行矢量控制计算，输出SVPWM控制信号，从而控制电机换相运行。控制器采用能承受高压、大电流的IPM智能驱动模块。本发明可通过以下方法制造
1)转子组件转子轴，转子轭，转子铁心，分别采用温差法配合进行装配，装配过程中采用高频加热设备进行装配，在转子的铁心与转子磁瓦的装配上，使用耐高温AB胶。在转子磁瓦的表面装配一个材料为钛合金的转子外壳，以防转子磁瓦的剥离。在转子组件完成后，对转子组件进行平衡校验，达到G2. 5的水平；
2)定子组件在定子铁心，定子外壳之间采用温差法配合进行装配，装配过程中采用高频加热设备进行装配，在定子外壳水道处使用密封胶水以及橡胶15密封件密封，水道内进行耐压测试，定子嵌线采用嵌线机嵌线，增强一致性，在定子嵌线完毕后，采用真空压力浸漆设备进行线圈的绝缘漆浸漆。在定子组件完成后对定子线圈进行电阻，电感，耐电压， 绝缘电阻等常规测试；
3)整机测试整机调试完毕后，与测功机连接，连接控制器，冷却系统，进行3000rpm空载测试，特定转速、扭矩测试，电机高效区测试，定时定量进行耐久测试。
权利要求
1.电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，包括内定子部分和外转子部分，外转子部分用于连接轮胎，内定子部分与汽车悬架连接，内定子部分包括电机定子(1)、电机绕组 (2)和电机控制器(3)，外转子部分包括电机转子(4)和永磁体(5)，其特征在于所述电机定子(1)为螺旋条状铁片的卷叠结构，并且该卷叠结构又是宽齿窄齿相间的结构，电机绕组 (2)绕于电机定子宽齿(1)上，窄齿不绕线。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，其特征在于所述内定子部分还包括水冷结构(6)，该水冷结构(6)由覆盖于所述电机绕组的水冷网管构成。
3.根据权利要求1所述的电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，其特征在于该电机采用多极旋转变压器作为位置信号传感器，使用DSP作为主控芯片，对电机进行矢量控制计算，输出SVPWM控制信号，从而控制电机换相运行。
4.根据权利要求1所述的电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，其特征在于控制器采用能承受高压、大电流的IPM智能驱动模块。
全文摘要
本发明涉及一种电动汽车用直驱式高性能永磁无刷电机，它包括内定子部分和外转子部分，外转子部分用于连接轮胎，内定子部分与汽车悬架连接，内定子部分包括电机定子、电机绕组和电机控制器，外转子部分包括电机转子和永磁体，所述电机定子为螺旋条状铁片的卷叠结构，并且该卷叠结构又是宽齿窄齿相间的结构，电机绕组绕于电机定子宽齿上，窄齿不绕线。本发明具有电机振动小、噪声低、传动效率高、散热好等优点。
文档编号H02K9/197GK102185453SQ201110140439
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者宁芬芳 申请人:湖州南浔科宁动力科技有限公司