[发明专利]新型同步电机及电机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及电机系统领域，特别是高性能的纯电动汽车用新型同步电机及电机控制系统和同步发电机风力发电系统。

背景技术

随着社会对环境污染的重视程度不断增强，电动汽车已经成为汽车行业的发展方向，电动汽车电机驱动系统就成为实现整车驱动性能的关键。电动汽车的负载范围和速度范围都较宽，且运行于不同的路况下，造成其驱动用电机的运行路况非常复杂。

电动汽车驱动用电机系统应具有尽可能高的转矩密度、瞬时功率，良好的转矩控制能力、高可靠性、宽调速范围及在宽调速范围内的高效率。为适应这一要求，目前，在电动汽车电机驱动系统中，永磁同步电机以其体积小、功率密度大、效率高、转矩稳定、响应速度快、过载能力强、易于控制、效率高、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点受到国内外电动汽车界的高度重视，是目前电动汽车电机驱动系统的理想选择。

同时，大峰值转矩、宽调速范围成为纯电动汽车对永磁同步电机提出的更高要求。但是目前电动汽车上应用的永磁同步电机，调速范围相对较窄，加速、爬坡时输出转矩(峰值转矩)难以保证，大大影响了整车的动力性能。

如图1所示，为现有传统永磁同步电机中的结构示意图，包括左图中的电机截面结构示意图和右图中电机转子结构示意图。电机由定子1、转子2、转轴4构成，其中定子1上有电枢绕组，转子2上有永磁体磁极3，图中5为转子2的径向示意图。定子1的电枢绕组通过三相交流电，与转子2的磁极相互作用，转子2转动，通过转轴4电机对外输出转矩和转速。该类电机在目前的交流电机中已经属于较高效率的电机，但是电机输出转矩和转速还是不能满足电动汽车路况行驶的需求，满足了转矩需求就满足不了转速需求，满足了转速需求就满足不了转矩需求，要两者兼顾，就必须增加电机的输出功率，同时增加电机控制器的容量，这样电机系统的成本将大大的增加，利用率却大大的降低了，造成了系统的巨大浪费。

由此可见，对现有电动汽车用电机系统的技术创新、性能提升、资源优化，是本领域技术人员所要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种新型同步电机的结构，同时还提供一种与其相适应的电机控制器的拓扑和控制策略，用以解决现有技术中的缺陷，达到提高电动汽车的电机系统的驱动能力，保证电动汽车的动力性。

本发明人在电动汽车用电机的开发过程中，结合电机系统的运行路况，对现有电动汽车用的电机及其控制器，进行了系统的研究，分析了各种电机的优劣，整合了这些电机的特性，提出了一种新型的同步电机及其相应的控制器，实现了“一台电机，三种状态”和“一种状态，多种特性”的独特优势，保证驱动系统优异、高效和可靠的性能。这一特性克服了现有电动汽车用永磁同步电机在爬坡时转矩不足，动力性不佳的缺点，同时解决了在巡航控制或者高速行驶时电机转速不够的缺点，完全满足电动汽车用电机的路况需求，而且在每个不同路况都可尽量工作在高效区域。电机在低速、正常速度、高速每个区域内都有与每种特性的电机对应的高效率区，这些高效区而且是连续的，把这些高效区域连在一起，成为该电机的高效区域带。

为实现上述目的，本发明提供一种新型同步电机结构，所述电机结构是在现有电动汽车用永磁同步电机的基础上把转子做成凸极转子，在转子凸极上增加励磁绕组，在转轴上增加两环形电极，两电极间相互绝缘，两电极与转轴间相互绝缘，与每个电极对应安装一组电刷，每组电刷引出线连接在外部端子。所述励磁绕组按照右手螺旋定则与永磁体磁极对应绕制，所述励磁绕组沿转子凸极齿根埋槽引出，所述励磁绕组相邻两级同极性连接在同一电极上。

本发明提供的新型同步电机由于采用永磁体和辅助绕组作为励磁源，电机可以设计成为高气隙磁通密度和高功率密度的电机。转子设计成凸极式结构，既可以方便的绕制励磁绕组，又由于铁心的磁导大于空气的磁导，这种结构还可以减少漏磁通。由于转子励磁绕组和定子电枢绕组完全解耦，励磁绕组又是直流控制，电机控制器增加的直流励磁控制不会增加系统控制的复杂程度。

如图2所示，本发明的新型同步电机结构示意图，包括左图中的电机截面结构示意图和右图中电机转子结构示意图。电机由定子6、转子7、转轴8构成，其中定子6上有电枢绕组，转子7上有永磁体磁极9，励磁绕组11，励磁绕组A端10，励磁绕组B端12，转子凸极(径向视图)17，励磁绕组(径向视图)18，环形A电极14，环形B电极16，A电刷13，B电刷15。定子6的电枢绕组通三相交流电，与转子7的磁极相互作用，转子6转动，通过转轴8电机对外输出转矩和转速。