專利名稱：電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，屬于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)前全球石油資源供給日趨緊張，溫室效應(yīng)等氣候問題也越來越受到世界各國的重視，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，走可持續(xù)發(fā)展之路已成為全球的共識(shí)。相比較傳統(tǒng)的燃油/汽發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車20% 30%的輸出效率，電動(dòng)汽車的輸出最大效率可以達(dá)到85%以上。由于其高效節(jié)能、低排放或零排放優(yōu)勢(shì)，以及優(yōu)越的使用性能和相對(duì)低廉的使用價(jià)格，得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可和普遍歡迎，日益成為全球汽車工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。美國、 法國、德國等發(fā)達(dá)國家對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展高度重視，各國從汽車技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的戰(zhàn)略出發(fā)，紛紛頒布制定了優(yōu)惠的政策措施，加大電動(dòng)汽車的投資力度，積極促進(jìn)本國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國總統(tǒng)奧巴馬明確表示，到2015年美國要有100萬輛充電式混合動(dòng)力車，其早在2009年6月就啟動(dòng)“新一代汽車”計(jì)劃，力爭(zhēng)在2050年使環(huán)保型汽車占據(jù)汽車市場(chǎng)總量的一半左右；法國政府于2010年1月份宣布將實(shí)施“發(fā)展電動(dòng)汽車全國計(jì)劃”，預(yù)計(jì)到 2020年將推廣200萬輛電動(dòng)汽車；德國政府在2009年初通過的500億歐元的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中，很大一部分用于電動(dòng)汽車研發(fā)和汽車充電站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。世界上許多著名的汽車制造廠商都在大力開發(fā)新能源汽車，尋求替代燃料或者減少燃料的消耗量。以美國藍(lán)鳥客車公司、英國的FRERNASH公司、日本的豐田、本田為代表的電動(dòng)客車和轎車已經(jīng)上市。由此可見，未來幾年全球電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)將達(dá)到一定規(guī)模，并將開啟下一輪全球車市爭(zhēng)霸戰(zhàn)。從全球范圍看，20世紀(jì)80年代前，幾乎所有的車輛牽引電機(jī)均為直流電機(jī)，這是因?yàn)橹绷鳡恳姍C(jī)具有起步加速牽引力大，控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)的缺點(diǎn)是有機(jī)械換向器，當(dāng)在高速大負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，換向器表面會(huì)產(chǎn)生火花，所以電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不能太高。由于直流電機(jī)的換向器需保養(yǎng)，又不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，除小型車外，目前一般已不采用。而近十年來，主要發(fā)展交流異步電機(jī)和無刷永磁電機(jī)系統(tǒng)。交流異步電機(jī)的矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此被較早應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前仍然是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品 (尤其在美國)，但其最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高；相對(duì)永磁電機(jī)而言，交流異步電機(jī)效率和功率密度偏低。因此其已被其它新型無刷永磁牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步取代。無刷永磁電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。同時(shí)隨著無刷永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該類型電機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)自由度大，有望得到高性能，適合用于電動(dòng)汽車高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動(dòng)。這些引起了各大汽車公司同行們的關(guān)注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)環(huán)境信息學(xué)部清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車研究小組在過去的十幾年中，一直以基于輪轂電機(jī)的全輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，至今已試制了多款不同型式的樣車。 我國電動(dòng)汽車發(fā)展始于上世紀(jì)九十年代，中科院電工所、上海811所、清華大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位，在“863”計(jì)劃和“十五”國家科技專項(xiàng)等國家項(xiàng)目的支持下，在電動(dòng)汽車研發(fā)制造領(lǐng)域取得了階段性的研究成果。近年來，隨著全球汽車工業(yè)重心開始向我國市場(chǎng)轉(zhuǎn)移，電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程明顯加快。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國包括比亞迪、上汽、一汽、東風(fēng)、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在內(nèi)的整車企業(yè)超過150家，包括一汽、上汽、宇通等在內(nèi)的從事混合動(dòng)力客車研制和生產(chǎn)的廠家超過30家。根據(jù)《汽車工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》要求，到2011年底我國電動(dòng)汽車產(chǎn)銷形成規(guī)模，將形成50萬輛純電動(dòng)、充電式混合動(dòng)力和普通型混合動(dòng)力等新能源汽車產(chǎn)能，新能源汽車銷量將占到乘用車銷售總量的5%左右；根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》草案，到2020年，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)規(guī)模要達(dá)到全球第一，新能源汽車(插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、氫燃料電池汽車等)保有量達(dá)到 500萬輛。由于電動(dòng)汽車運(yùn)行工況非常復(fù)雜，因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求很高，目前國內(nèi)雖有生產(chǎn)，但是性能上無法與節(jié)能環(huán)保要求完全吻合，且與國際先進(jìn)水平仍有些許差距。然而經(jīng)過 “九五”、“十五”、“十一五”國家對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的集中研發(fā)和應(yīng)用，特別是隨著我國電動(dòng)汽車的制造體系逐步建立，自主創(chuàng)新能力得到較大提升，國內(nèi)許多企業(yè)已開始涉足與電動(dòng)汽車相關(guān)的電池、電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵零部件的研制和生產(chǎn)，技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平的差距正在縮小。在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，采用現(xiàn)代車用電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，初步解決多目標(biāo)高性能車用電機(jī)的極限設(shè)計(jì)與多領(lǐng)域精確分析以及結(jié)合應(yīng)用控制策略系統(tǒng)集成仿真的技術(shù)難題; 在新型電機(jī)技術(shù)方面，國內(nèi)部分企業(yè)、研究單位和高校對(duì)一些新原理的電機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行了積極研究探索，有些已經(jīng)開發(fā)出樣機(jī)系統(tǒng)，部分進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和裝車；在檢測(cè)試驗(yàn)方面，國內(nèi)電機(jī)測(cè)試基地建立了電機(jī)及控制器專用性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架，具備了較齊備的性能檢測(cè)和初步環(huán)境試驗(yàn)檢測(cè)條件；在電機(jī)及其控制系統(tǒng)的關(guān)鍵材料與關(guān)鍵零部件方面，如轉(zhuǎn)速位置傳感器的研制、高性能低成本絕緣材料開發(fā)、車用電機(jī)專用電工鋼開發(fā)、電機(jī)磁性材料的穩(wěn)定性研究方面，獲得了初步成果。但是目前國內(nèi)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)普遍存在交流感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)力矩小，一般無刷永磁電機(jī)功率密度小、體積大、效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、可靠性低、噪音大的問題， 與國外先進(jìn)的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在不小的差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決上述技術(shù)問題，提供一種電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)。本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的
電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，包括內(nèi)定子部分和外轉(zhuǎn)子部分，外轉(zhuǎn)子部分用于連接輪胎，內(nèi)定子部分與汽車懸架連接，內(nèi)定子部分包括電機(jī)定子、電機(jī)繞組和電機(jī)控制器，外轉(zhuǎn)子部分包括電機(jī)轉(zhuǎn)子和永磁體，其特征在于所述電機(jī)定子為螺旋條狀鐵片的卷疊結(jié)構(gòu)，并且該卷疊結(jié)構(gòu)又是寬齒窄齒相間的結(jié)構(gòu)，繞組繞于定子寬齒上，窄齒不繞線。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述內(nèi)定子部分還包括水冷結(jié)構(gòu)，該水冷結(jié)構(gòu)由覆蓋于所述電機(jī)繞組的水冷網(wǎng)管構(gòu)成。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，該電機(jī)采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置信號(hào)傳感器，使用DSP作為主控芯片，對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制計(jì)算，輸出SVPWM控制信號(hào)，從而控制電機(jī)換相運(yùn)行。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，控制器采用能承受高壓、大電流的IPM智能驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)本體方面電機(jī)定子采用不等寬齒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一方面便于集中繞組繞線方式繞線，另一方面減小了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，降低了電機(jī)的振動(dòng)；將電機(jī)設(shè)計(jì)成扁圓型并通過與汽車輪轂相嵌合的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪轂，提高傳動(dòng)效率，降低汽車噪音，使汽車的加速減速、轉(zhuǎn)向操作可方便，降低整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本；
在工藝技術(shù)上，摒棄了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體沖片，轉(zhuǎn)子采用一次成型工藝，定子鐵芯采用卷疊工藝，達(dá)到減少了磁阻、結(jié)構(gòu)緊密、有效降低了噪聲、提高材料利用率之目的；
電機(jī)定子水冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了電機(jī)的散熱能力，增加了電機(jī)的功率密度，解決了電機(jī)散熱難題。電子控制系統(tǒng)方面基于DSP的磁場(chǎng)定向控制(F0C矢量控制)的研究
采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)位置信號(hào)傳感器，使用DSP作為主控芯片，對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制計(jì)算，輸出SVPWM控制信號(hào)，從而控制電機(jī)換相運(yùn)行；
運(yùn)用高壓、大電流驅(qū)動(dòng)控制器采用可靠的IPM智能驅(qū)動(dòng)模塊，可以承受高壓、大電流，并且有較好的電流保護(hù)功能；
采用基于DSP的矢量控制算法控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了汽車動(dòng)力的無級(jí)調(diào)速，提高了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、精準(zhǔn)性和可靠性；依據(jù)基于DSP的磁場(chǎng)定向控制(F0C矢量控制)基本原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行高精度的伺服控制。通過旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和電流采樣，經(jīng)AD輸入CPU 處理，通過基于坐標(biāo)變換理論的磁場(chǎng)定向控制方法，坐標(biāo)變換將電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜耦合的直流變量(如電流、磁鏈、電壓等)，精確控制電機(jī)適合汽車行駛要求。電機(jī)定子漆包線采用了抗電暈漆包線，可增加電機(jī)的壽命，且在絕緣等級(jí)的選擇上采用H級(jí)以上的等級(jí)，大大提高了電機(jī)的可靠性與壽命。使本發(fā)明電機(jī)具有以下特點(diǎn) 電機(jī)由高能永磁材料勵(lì)磁，對(duì)于給定的輸出功率，它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，使得功率密度提高；由于轉(zhuǎn)子無繞組，無銅損，其工作效率高，其效率高于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；電機(jī)發(fā)熱主要集中在定子上，采取水冷的方式，散熱效果好；永磁勵(lì)磁不受制造缺陷、過熱或機(jī)械損壞的限制，因而可靠性較高；轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)性能好。綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果
1、電機(jī)定子采用不等寬齒結(jié)構(gòu)，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩，減小了電機(jī)的振動(dòng)和噪聲；
2、定子鐵芯采用卷疊方式，達(dá)到減少了磁阻、結(jié)構(gòu)緊密、有效降低了噪聲、提高材料利用率；
3、電機(jī)定子采用不等寬齒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一方面便于集中繞組繞線方式繞線，另一方面減小了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，降低了電機(jī)的振動(dòng)；
4、將電機(jī)設(shè)計(jì)成扁圓型并通過與汽車輪轂相嵌合的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪轂，提高傳動(dòng)效率，降低汽車噪音，使汽車的加速減速、轉(zhuǎn)向操作可方便，降低整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本；
5、電機(jī)定子水冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了電機(jī)的散熱能力，增加了電機(jī)的功率密度，解決了電機(jī)散熱難題；6、采用基于DSP的矢量控制算法控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了汽車動(dòng)力的無級(jí)調(diào)速，提高了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、精準(zhǔn)性和可靠性；依據(jù)基于DSP的磁場(chǎng)定向控制(F0C矢量控制)基本原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行高精度的伺服控制。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖中，1-電機(jī)定子，2-電機(jī)繞組，3-電機(jī)控制器，4-電機(jī)轉(zhuǎn)子，5-永磁體，6-水冷結(jié)構(gòu)， 7-輪胎，8-懸架。
具體實(shí)施例方式本具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的解釋，其并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀完本說明書后可以根據(jù)需要對(duì)本實(shí)施例做出沒有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到專利法的保護(hù)。如圖1 3所示，電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，它包括內(nèi)定子部分和外轉(zhuǎn)子部分，外轉(zhuǎn)子部分用于連接輪胎7，內(nèi)定子部分與汽車懸架8連接，內(nèi)定子部分包括電機(jī)定子1、電機(jī)繞組2和電機(jī)控制器3，外轉(zhuǎn)子部分包括電機(jī)轉(zhuǎn)子4和永磁體5，所述電機(jī)定子1為螺旋條狀鐵片的卷疊結(jié)構(gòu)，并且該卷疊結(jié)構(gòu)又是寬齒窄齒相間的結(jié)構(gòu)，電機(jī)繞組2繞于電機(jī)定子寬齒1上，窄齒不繞線。所述內(nèi)定子部分還包括水冷結(jié)構(gòu)6，該水冷結(jié)構(gòu)6由覆蓋于所述電機(jī)繞組的水冷網(wǎng)管構(gòu)成。該電機(jī)采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置信號(hào)傳感器，使用DSP作為主控芯片，對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制計(jì)算，輸出SVPWM控制信號(hào)，從而控制電機(jī)換相運(yùn)行?？刂破鞑捎媚艹惺芨邏?、大電流的IPM智能驅(qū)動(dòng)模塊。本發(fā)明可通過以下方法制造
1)轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軛，轉(zhuǎn)子鐵心，分別采用溫差法配合進(jìn)行裝配，裝配過程中采用高頻加熱設(shè)備進(jìn)行裝配，在轉(zhuǎn)子的鐵心與轉(zhuǎn)子磁瓦的裝配上，使用耐高溫AB膠。在轉(zhuǎn)子磁瓦的表面裝配一個(gè)材料為鈦合金的轉(zhuǎn)子外殼，以防轉(zhuǎn)子磁瓦的剝離。在轉(zhuǎn)子組件完成后，對(duì)轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行平衡校驗(yàn)，達(dá)到G2. 5的水平；
2)定子組件在定子鐵心，定子外殼之間采用溫差法配合進(jìn)行裝配，裝配過程中采用高頻加熱設(shè)備進(jìn)行裝配，在定子外殼水道處使用密封膠水以及橡膠15密封件密封，水道內(nèi)進(jìn)行耐壓測(cè)試，定子嵌線采用嵌線機(jī)嵌線，增強(qiáng)一致性，在定子嵌線完畢后，采用真空壓力浸漆設(shè)備進(jìn)行線圈的絕緣漆浸漆。在定子組件完成后對(duì)定子線圈進(jìn)行電阻，電感，耐電壓， 絕緣電阻等常規(guī)測(cè)試；
3)整機(jī)測(cè)試整機(jī)調(diào)試完畢后，與測(cè)功機(jī)連接，連接控制器，冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行3000rpm空載測(cè)試，特定轉(zhuǎn)速、扭矩測(cè)試，電機(jī)高效區(qū)測(cè)試，定時(shí)定量進(jìn)行耐久測(cè)試。
權(quán)利要求
1.電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，包括內(nèi)定子部分和外轉(zhuǎn)子部分，外轉(zhuǎn)子部分用于連接輪胎，內(nèi)定子部分與汽車懸架連接，內(nèi)定子部分包括電機(jī)定子(1)、電機(jī)繞組 (2)和電機(jī)控制器(3)，外轉(zhuǎn)子部分包括電機(jī)轉(zhuǎn)子(4)和永磁體(5)，其特征在于所述電機(jī)定子(1)為螺旋條狀鐵片的卷疊結(jié)構(gòu)，并且該卷疊結(jié)構(gòu)又是寬齒窄齒相間的結(jié)構(gòu)，電機(jī)繞組 (2)繞于電機(jī)定子寬齒(1)上，窄齒不繞線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，其特征在于所述內(nèi)定子部分還包括水冷結(jié)構(gòu)(6)，該水冷結(jié)構(gòu)(6)由覆蓋于所述電機(jī)繞組的水冷網(wǎng)管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，其特征在于該電機(jī)采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置信號(hào)傳感器，使用DSP作為主控芯片，對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制計(jì)算，輸出SVPWM控制信號(hào)，從而控制電機(jī)換相運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，其特征在于控制器采用能承受高壓、大電流的IPM智能驅(qū)動(dòng)模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車用直驅(qū)式高性能永磁無刷電機(jī)，它包括內(nèi)定子部分和外轉(zhuǎn)子部分，外轉(zhuǎn)子部分用于連接輪胎，內(nèi)定子部分與汽車懸架連接，內(nèi)定子部分包括電機(jī)定子、電機(jī)繞組和電機(jī)控制器，外轉(zhuǎn)子部分包括電機(jī)轉(zhuǎn)子和永磁體，所述電機(jī)定子為螺旋條狀鐵片的卷疊結(jié)構(gòu)，并且該卷疊結(jié)構(gòu)又是寬齒窄齒相間的結(jié)構(gòu)，電機(jī)繞組繞于電機(jī)定子寬齒上，窄齒不繞線。本發(fā)明具有電機(jī)振動(dòng)小、噪聲低、傳動(dòng)效率高、散熱好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02K9/197GK102185453SQ201110140439
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者寧芬芳 申請(qǐng)人:湖州南潯科寧動(dòng)力科技有限公司