一种变相电动机的制作方法

1.本发明实施例涉及电动机领域，具体涉及一种驱动应用或者发电应用的变相电动机。


背景技术：

2.自一百年前特斯拉发明交流电和哥伦布蛋后，电动机开始进入人类社会，人们获得全新的电气化能源利用方式，为社会发展带来了巨大的变革。
3.今天，电动机种类繁多，应用广泛，技术体系十分成熟，整体原理没有打的变化。而新能源时代，进入21世纪以来，来自于环保、能源再生方面的压力，电动机面对更多的应用场景。最明显的是最后两个石化能源领域也在悄然发生变化，特别是电动汽车和新能源发电环节。其中，传统的火力发电正在逐步被新能源发电所替换，汽车动力也在从内燃机动力转向电动动力。在这两个领域，电动机同样也都扮演着重要角色。储能技术的发展，直流电组网迅猛发展，无论是直流驱动还是直流发电，电动机的作用越来越重要。
4.电动机的主要应用为驱动应用和发电应用。在驱动应用方面，由于现代电动汽车在传动系统未能实现机械变档的前提下，电动机一级减速直驱成为主流。由于电动机的扭矩特征和传统内燃机几乎相反，导致电动机难以同时兼顾低速大扭矩和高速高效，低速过载烧电动机的同时，高速失去效率也成为常识，这也是今天电动汽车的“里程一致性”差距巨大的原因。以世界级的汽车制造商特斯拉为例，为了平衡高速高效和低速大扭矩的矛盾，将汽车电动机的最高时速提升到了接近2万转，同时以200千瓦的电动机为驱动来换取低速大扭矩，其实际结果表明，当车辆时速超过100公里，里程损失依然不低于100公里。这也就是“里层恐慌症”的根本缘由，最大的痛点正是不可预测性。事实上，电动机在驱动应用上尚有很高的挖掘空间。方法包括加载二挡变速、双控驱动等，而电动机变相可以理解为相对更加根本的方法之一。
5.同样的，电动机也是发电设备中不可或缺的装备。包括汽轮机发电、水轮机发电、风能发电等。以风能发电为例，我国的风能发电动机装机容量世界第一，而“弃风”问题同样也是世界第一。除了风能能源本身的随机性外，电动机的实际利用率也是重要问题之一。标准的大型风能发电动机一般的启机风速都得达到4.5米甚至5米以上，标准的小型微风发电动机又无法面对更高的风速。这都是行业痛点。这一切和传统电动机的设计有一定的关联。
6.对于传统电动机而言，其采用交流电进行驱动。100多年前，交流电被定义为两种连接方式三角形连接和星形连接后，除了少量的步进电动机外，中高速电动机绝大多数用三极对转子设计，相位三相驱动。由于三为奇数，不可拆分，故传统电动机并不执行变相，额定参数均为固定值，实际调试中只能对应固定的电压和额定的电流，最多通过修正相线电压控制电流做简单的调整，适用性有限。如图1所示，其为典型的三相交流电玄波，也是一般电动机在定速运转下的馈电波形。传统电动机的驱动和馈电方式如图2-4所示。在图4中的上图示出了一般无刷电动机加速驱动的供电趋势，下图为发电时的馈电趋势。由于运行中，随着转速的提高，频率同样会越来越高，所以电动机在驱动过程中，转速越高电压加载率越
低，在维持扭矩的过程中，传统方法只能通过不断的提高电流来维持扭矩，电动机效率逐步下降。反过来在发电的过程中，高转速下的虚压也很高，电能质量明显下降。
7.根据前面的分析，传统电动机的扭矩特征如图5和6所示。传统电动机均采用静态功率提升的做法。在传动速度比发生变化的情况下，高转速下扭矩急剧下降。如果转换到宏观层面来看，就意味着车速越高，恒功率下驱动力越低。这也是传统电动汽车进行里程标定，只能采用nedc(new european driving cycle)法的原因，导致了消费者对电动汽车里程标定的怀疑。传统的方法中通过变功进行扭矩峰值调整，同样也带来很大的问题，峰值扭矩只能前行，不能后移，过载风险大，这也是很多电动车辆在重载托起的经常烧毁电动机的原因。
8.任何电动机的效率曲线均如图7所示，以变化的转速来判定，实际高效使用宽度是有限的。所以，传统意义上说，电动机厂号称电动机的最高效率再高，实际上对里程的贡献几乎没有。解决电动驱动的用电效率问题，不能靠单方面提高极限效率为目标。
9.为此，我们专门开发以四相电动机为底层的变相电动机，对于电动交通工具的能耗进行优化。


技术实现要素：

10.为了实现上述目的，本发明提出了一种变相电动机：所述的变相电动机包括转子、定子、励磁线圈、低频驱动电路、驱动器主功率电路、控制器、第一投切开关和第二投切开关。
11.其中，转子由两极对或四极对组成；其中当所述第一投切开关和第二投切开关闭合时，定子由八极位两相绕组构成同步电机；当所述第一投切开关和第二投切开关断开时，定子由八极位四相绕组构成同步电机。
12.其中，所述第一投切开关和第二投切开关闭合，所述变相电动机为两相电动机，定子的四个a极位通过对向“又”字串联构成a相，四个b极位构成通过对向“又”字串联形成b相。
13.其中，所述驱动器主功率电路为两相线，由二极管t1、t2、t3和t4构成，其中二极管t1和t2、二极管t3和t4分别组成一条相线。
14.其中，所述第一投切开关和第二投切开关断开，所述变相电动机为四相电动机，所述定子的八个极位中的每相对的两个组成一个绕组。
15.其中，驱动器主功率电路变为四相线，由二极管t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8组成，其中二极管t1和t2、二极管t3和t4、二极管t5和t6、二极管t7和t8分别组成一条相线。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
17.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的
实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
18.图1为传统电动机的交流弦波特征。
19.图2为传统电动机的驱动和馈电方式。
20.图3为传统电动机的组成部件示意图。
21.图4为传统电动机的驱动和馈电的对比。
22.图5和6为传统电动机的扭矩特征。
23.图7为传统电动机的效率曲线。
24.图8为本发明提出的变相电动机采用双极对两相结构的示意图。
25.图9为本发明提出的变相电动机采用双极对四相结构的示意图。
26.图10为两相和四相电动机的驱动和馈电弦波示意图。
27.图11-13为两相和四相电动机的扭矩特征。
28.图14为两相和四相电动机的效率特征。
29.图15为采用三极对设计的传统电动机。
30.图16为本发明提出的变相电动机的设计示意图。
具体实施方式
31.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提出的变相电动机通过变相，其目的是展开两极，让同一款电动机的高效段向两边展开，通过提升过载能力将低速大扭矩前置的同时通过变相获得更高转速范围内扭矩能力，在功率变化不大的前提下，可提升电动机3倍转速范围内的扭矩能力和综合效率。用于电动汽车可有效提高行驶里程，实践结果显示，同等电量的车辆在变相电动机的驱动下，综合里程提升50％以上。另外，它用于随机性发电动机组(如风能发电)也可以通过变相有效提高发电效率，特别是提升风机的低风起机能力，发出更多的有效电能。
33.如图8所示，本发明的提出的变相电动机包括转子、定子、励磁线圈、低频驱动电路、驱动器主功率电路、控制器以及两个投切开关构成。其中，转子由两极对(或四极对)组成。定子由八极位二相绕组构成同步电动机。如图8所示为低速驱动，四个a极位通过对向“又”字串联构成a相，同样，四个b极位构成“又”字串联形成b相。此时为标准的二相驱动电动机，其中a相的两个a极位之间设有投切开关1，b相的两个b极位之间设有投切开关2。变相电动机采用长波低频驱动器主功率电路在控制器的控制下驱动。驱动器主功率电路为两相线，由二极管t1、t2、二极管t3和t4构成，其中二极管t1和t2、二极管t3和t4分别组成一条相线。
34.如图9所示，当投切开关1和2在控制器的控制下断开后，电动机转换为“四相电动机”。此电动机的构架为八极位四相。图8中共有两个四串绕组，即4个a极位组成一个四串绕组，另外4个b极位组成另一个四串绕组。投切开关1和2断开后，原来的两个四串绕组的每一个分别分解为两个二串绕组，即原来的4个a极位组成的一个四串绕组分解为aa和cc两个二
串绕组，而原来的4个b极位组成的一个四串绕组分解为bb和dd两个二串绕组。驱动器主功率电路变为四相线，由二极管t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8组成。其中二极管t1和t2、二极管t3和t4、二极管t5和t6、二极管t7和t8分别组成一条相线。四条相线的驱动器主功率电路驱动变相电动机工作。此外，电动机还包括霍尔器件或编码器(图中9未示出)，霍尔器件或编码器同步变换，采用高频短波驱动。图9的变相电动机在工作过程中由于相对于图8的电动机多分出两个相位，线圈绕组的内阻减半，因此电压加载率功率均得以提升，等效相线电压同样得以提升。
35.图10的上图示出了两相驱动或馈电的弦波，图10的下图示出了四相驱动或馈电的弦波，图11和12分别示出了两相和四相电动机的扭矩特征，图13示出了综合比较了两相和四相电动机的扭矩特征。在图13中，电动机获得两相和四相两个额定转速，叠加消除后，其中细实线为扭矩曲线，粗实线为功率曲线，斜线阴影是等功率所多获得的扭矩，方格线阴影为节约的功率。反应在电动车辆上，可以理解为同等电量的条件下，续航里程翻倍。
36.图14示出了电动机的效率特征。通过电动机的运行效率来看，将电动机两种状态的效率进行叠加，等于将电动机的综合效率带宽提升了两倍多。这个特性对于电动交通工具而言，具有重要的里程碑意义。
37.传统电动机的原始设计，一般设定有一个标准的额定转速。而变相电动机天然具有两个相位下的两个额定转速，这就意味着电动机可以自由变换额定转速，有效应对低速大扭矩和高度高效的应用场景。由此可见，变相电动机和传统电动机最大的区别在于通过相位转换实现了高效端的平移，其特征等效于变挡，而控制难度变得更加低。也属于电子变档的一种。进一步的，也会深度影响未来的电动机驱动器。
38.传统电动机由于多数采用三极对或其倍数设计，一般都使用全对称设计，见图15所示。传统电动机的极对和极位之间有错位角，方便弦波驱动。而对于变相电动机而言，错位角是可变的，见图16所示。变相电动机的极对数一定是2或4的倍数，也就意味着可以拆解和倍加，其灵活度大大增加。特别是完全支持方波驱动，极对数之间可以进行适度的错位角设计，同样可以通过霍尔元件或编码器同步频率支持长短波驱动。结合机械变倒箱，变相电机在低速断扭力输出能力和抗过载能力将进一步提高。
39.本发明提出的变相电动机，其应用前景非常乐观。例如采用双控法进行电动机驱动，“双控驱动器”是一种同步控压控流驱动器，可提升传统电机20％的综合效率。结合变相电动机设计，在控制逻辑不做大改动的情况下，仅增加一根相线就可以进一步提升综合效率。对电动汽车而言，在节能、安全、动力操控上具有跨越时代的意义。
40.此外，变相电动机应用于新能源发电领域时，其发电原理与驱动原理正好相反，以风能发电为例，在微风阶段执行四相整流，叠加更高的直流电压，在强风阶段执行两相整流，斩波、滤波可获得接近于微风发电的直流电压。其意义在于风门发电机在面对更低的风速和更高的风速上均具有操控性，也就是风能的利用率拓宽，提升效果高达30％。
41.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。