电动汽车与电动车电子多挡变速电机及控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电动汽车与电动车电机与控制系统，特别涉及一种电动汽车与电 动车多挡变速电机及控制系统。 二、
【背景技术】
[0002] 目前电动汽车与电动车广泛使用直流无刷永磁同步电机、直流无刷永磁电机、开 关磁阻电机及交流异步电机，它们实质是调节功率的大小实现调速与调力矩。电机在启动 与爬坡过程中需要较大的力矩，可降低速度；正常行驶需要较高的转速，可降低力矩；这些 都要求实现电动汽车在总功率不变基础上的换挡变速。现有电机与控制系统不具备换挡变 速功能，在启动与爬坡时，采用加大功率增加力矩；在平路行驶时，加大功率增加转速，实现 快速行驶。这些都带来了过大的能量损耗，加大电机功率带来了电机成本的增加，同时处于 高功率状态下的电机与控制器损坏的可能性增加，电池系统的大电流放电导致其续航能力 大幅度下降及电池寿命的缩短；有的采用超级电容，增加电流输出，带来了成本的大幅度增 加。因此电动汽车必须采用换挡变速技术，现有的换挡变速技术主要通过变速箱来实现，在 启动及爬坡时，在总功率一定的条件下，将转速比调低从而获得大的力矩，在正常行驶时降 低力矩将转速比调高从而获得较高的行驶速度。现有的变速箱有手动变速与自动变速两大 类型，都是采用机械变速，其缺点是体积大、重量重、成本高及换挡变速带来能量损失。
[0003] 现代控制技术的发展总是沿着尽力采用机电技术替代机械技术、采用电子技术替 代机电技术、采用软件技术替代硬件技术的方向发展。机械换挡变速技术必将被先进的电 子换挡变速技术取代。 三、
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种电动汽车与电动车电子多挡变速电机控制系统，它具 有成本低、重量轻及体积小的优点，实现对机械及机电换挡变速装置的替代，它适用于直流 永磁无刷电机、直流永磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂 电机。
[0005] 本发明总的是这样实现的：它采用一个或多个并联的场效应管或IGBT管控制三 相、六相、星形、三角形、六边形、串联、并联、单联、单抽头及双抽头接法的不同组合进行切 换，通过改变电机绕组的等效阻抗实现换挡变速，它可形成三相星形接法与三角形接法切 换双挡变速电机及控制系统，三相星形接法双抽头切换三挡变速电机及控制系统，三相星 形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，三相星形接法、三角形接法、 串联、并联与单联切换六挡变速电机及控制系统，六相、三相、星形接法与多边形接法切换 六挡变速电机及控制系统；它用于采用多相绕组及多相控制的直流永磁无刷电机、直流永 磁同步电机、开关磁阻电机、交流电机及其组成的主驱动电机与轮毂电机；通过速度控制软 件，在每一档速度末尾切换处及起始切换处，缓慢进行档内速度控制，实现无顿挫感切换。 [0006] 所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征在于：
[0007] 它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的3个绕组等长线圈 L1、L2、L3均将其首尾引出到电机外部与控制部分相接，所述控制部分由三相全桥式换相电 路单元与星形接法及三角形接法切换控制单元组成，电子换相开关K11、K12、K13构成三相 全桥式换相电路单元的上桥臂，电子换相开关K21、K22、K23构成三相全桥式换相电路单元 的下桥臂，电子换相开关K11与K12、K21与K12及K31与K32串联连接组成分别组成A相、 B相与C相。定子绕组线圈LI、L2及L3的头部分别连接三相全桥式换相电路单元A相、B 相及C相桥的中部；星形接法电子切换开关Y1及Y2分别将定子绕组线圈L1与L2及L2与 L3的尾部相连；三角形接法电子切换开关SI、S2及S3分别将定子绕组线圈L3尾部与L1 头部、L1尾部与L2头部及L2尾部与L3头部相连。
[0008] 不同接法的控制状态及参数如表一所示。
[0009] 表1 :三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统状态参数表
[0010] 据表1，在电动汽车启动及加速时，采用星形接法，先工作在低速档，启动力矩是高 速档的倍，通过速度检测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到三角形接法，工作 在高速档，速度是低速档的力倍;在电动汽车爬坡时，通过速度检测自动切换到低速档，获 得是高速档VI倍的力矩，在不增加功耗的前提下实现力矩大幅度增加。
[0011] 所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征还在于， 用于有霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用六个霍尔位置传 感器；采用星形接法时，电机中的一组三个霍尔检测器分别对准定子绕组线圈L1与L2、L2 与L3及L3与L1的中间，采用三角形接法时电机中的另一组三个霍尔检测器分别对准定子 绕组线圈LI、L2与L3的中间，根据变速挡位的不同，控制器部分分别选用一组霍尔传感器 的信号。用于无霍尔检测器永磁无刷电机、永磁同步电机及开关磁阻电机时，采用星形接法 时，需检测L1与L2、L2与L3及L3与L1串联形成的3个线圈的电磁感应信号；采用三角形 接法时，只需检测LI、L2与L3单独3个线圈的磁感应信号。
[0012] 所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机及控制系统，其特征还在于， 采用星形接法时，三相绕组反电动势的3次及3次以上的谐波是同相的，它们在闭合回路中 合成的谐波反电动势为零；采用三角形接法时，设转子磁极对数为P，齿槽数为Z，每极每相 的齿槽数Q=Z/ 6P，当Q=1 / 2或1 / 4时，它们在闭合回路中合成3次及3次以上的谐波 系数为零，消除了谐波环流，不产生额外损耗及转矩波动。
[0013] 所述三相式双抽头切换三挡变速电机与控制系统，其特征在于：
[0014] 它由电机部分与控制部分两大部分组成，所述电机部分定子的绕组线圈J1由长 度为xL的Lll、L12、L13三个线圈串联而成，绕组线圈J2由长度为yL的L21、L22、L23三 个线圈串联而成，绕组线圈J3由长度为zL的L31、L32、L33三个线圈串联而成；线圈L11、 L21、L31的首部分别接入控制部分三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部，线 圈L13、L23、L33的尾部在电机内部相连在一起；所述控制部分由三相全桥式换相电路单元 与双抽头切换控制单元组成，所述三相全桥式换相电路单元与所述三相星形接法与三角形 接法切换双挡变速电机与控制系统中的一致。L11与L12、L21与L22、L31与L32连接处分 别引出抽头线经控制部分第一抽头开关Cll、C21、C31与三相全桥式换相电路单元A相、B 相及C相桥的中部相连，L12与L13、L22与L23、L32与L33连接处分别引出抽头线经控制 部分第二抽头开关C12、C22、C32与三相全桥式换相电路单元A相、B相及C相桥的中部相 连。其状态参数表如表2所示。
[0015] 表2 :三相星形接法双抽头切换三挡变速电机与控制系统状态参数表
[0016] 据表2,采用低速档速度为V，此时为最大力矩J，适合电动汽车的启动与爬坡；采 用中速档速度为^x+yfzyb+zF,此时力矩为^/(y+zVb+^y+z) J;采用高速档速度为j(x+3；+z)/zV， 适合电动汽车高速行驶。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低速档，加速时采用速度检 测当速度超过切换点时，通过控制器自动切换到中速档，加速时采用速度检测当速度超过 切换点时，通过控制器自动切换到高速档；在爬坡及减速时，通过速度检测自动切换到中速 档与低速档加大力矩，实现电子换挡变速。
[0017] 所述三相星形接法、三角形接法与单抽头切换四挡变速电机及控制系统，其特征 是： 它与所述三相星形接法与三角形接法切换双挡变速电机与控制系统的大体相同，所不 同的是电机定子绕组线圈LI、L2、L3分别由两段绕组线圈L11及L12、L21及L22、L31及 L32串联而成；抽头控制开关C1、C2、C3或分别与绕组线圈L11、L21、L31并联相接，或分别 与绕组线圈L12、L22、L32并联相接；绕组线圈Lll、L21、L31的长度为xL，绕组线圈L12、 L22、L32的长度为yL。其状态参数表如表3-1 (x彡y/ 2)及表3-2 (x彡y/ 2)所示。
[0018] 表3-1 :三相星形、三角形接法单抽头切换四挡变速电机及控制系统状态参数表
L0019」 据表3-1，米用低速档速度为V，此时为最大堃载力矩J，适合电动汽罕的后动与爬 坡;采用中低速档速度为7(x+_y)/xV,此时空载力矩为jx/(x+_y)J;采用中高速档速度为 适合电动汽车较高速行驶;此时空载力矩为7T万J;采用高速档速度为jXx+^/xV,适合电 动汽车较高速行驶;此时空载力矩为^/x/3(x+>〇J。在电动汽车启动及加速时，首先工作在低 速档，加速时采用速度检测当速度超过切换点时，通过控