專利名稱：電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，屬于電動汽車驅動電機制造技術領域。
背景技術：
當前全球石油資源供給日趨緊張，溫室效應等氣候問題也越來越受到世界各國的重視，發展低碳經濟，走可持續發展之路已成為全球的共識。相比較傳統的燃油/汽發動機驅動汽車20% 30%的輸出效率，電動汽車的輸出最大效率可以達到85%以上。由于其高效節能、低排放或零排放優勢，以及優越的使用性能和相對低廉的使用價格，得到了市場的廣泛認可和普遍歡迎，日益成為全球汽車工業關注的焦點，展現出良好的發展前景。美國、 法國、德國等發達國家對電動汽車發展高度重視，各國從汽車技術變革和產業升級的戰略出發，紛紛頒布制定了優惠的政策措施，加大電動汽車的投資力度，積極促進本國電動汽車產業發展。美國總統奧巴馬明確表示，到2015年美國要有100萬輛充電式混合動力車，其早在2009年6月就啟動“新一代汽車”計劃，力爭在2050年使環保型汽車占據汽車市場總量的一半左右；法國政府于2010年1月份宣布將實施“發展電動汽車全國計劃”，預計到 2020年將推廣200萬輛電動汽車；德國政府在2009年初通過的500億歐元的經濟刺激計劃中，很大一部分用于電動汽車研發和汽車充電站網絡的建設。世界上許多著名的汽車制造廠商都在大力開發新能源汽車，尋求替代燃料或者減少燃料的消耗量。以美國藍鳥客車公司、英國的FRERNASH公司、日本的豐田、本田為代表的電動客車和轎車已經上市。由此可見，未來幾年全球電動汽車產業將達到一定規模，并將開啟下一輪全球車市爭霸戰。從全球范圍看，20世紀80年代前，幾乎所有的車輛牽引電機均為直流電機，這是因為直流牽引電機具有起步加速牽引力大，控制系統較簡單等優點。直流電機的缺點是有機械換向器，當在高速大負載下運行時，換向器表面會產生火花，所以電機的運轉不能太高。由于直流電機的換向器需保養，又不適合高速運轉，除小型車外，目前一般已不采用。而近十年來，主要發展交流異步電機和無刷永磁電機系統。交流異步電機的矢量控制調速技術比較成熟，使得異步電機驅動系統具有明顯的優勢，因此被較早應用于電動汽車的驅動系統，目前仍然是電動汽車驅動系統的主流產品 (尤其在美國)，但其最大缺點是驅動電路復雜，成本高；相對永磁電機而言，交流異步電機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驅動系統逐步取代。無刷永磁電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機中是強有力的競爭者。同時隨著無刷永磁電機驅動系統的設計理論正在不斷完善和繼續深入，該類型電機結構靈活，設計自由度大，有望得到高性能，適合用于電動汽車高效、高密度、寬調速牽引驅動。這些引起了各大汽車公司同行們的關注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞。日本慶應義塾大學環境信息學部清水浩教授領導的電動汽車研究小組在過去的十幾年中，一直以基于輪轂電機的全輪驅動電動汽車為研究對象，至今已試制了多款不同型式的樣車。 我國電動汽車發展始于上世紀九十年代，中科院電工所、上海811所、清華大學、上海同濟大學、北京理工大學等單位，在“863”計劃和“十五”國家科技專項等國家項目的支持下，在電動汽車研發制造領域取得了階段性的研究成果。近年來，隨著全球汽車工業重心開始向我國市場轉移，電動汽車的產業化進程明顯加快。據不完全統計，我國包括比亞迪、上汽、一汽、東風、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在內的整車企業超過150家，包括一汽、上汽、宇通等在內的從事混合動力客車研制和生產的廠家超過30家。根據《汽車工業調整和振興規劃》要求，到2011年底我國電動汽車產銷形成規模，將形成50萬輛純電動、充電式混合動力和普通型混合動力等新能源汽車產能，新能源汽車銷量將占到乘用車銷售總量的5%左右；根據《新能源汽車產業發展規劃》草案，到2020年，我國新能源汽車產業化和市場規模要達到全球第一，新能源汽車(插電式混合動力汽車、純電動汽車、氫燃料電池汽車等)保有量達到 500萬輛。由于電動汽車運行工況非常復雜，因此，對驅動電機的要求很高，目前國內雖有生產，但是性能上無法與節能環保要求完全吻合，且與國際先進水平仍有些許差距。然而經過 “九五”、“十五”、“十一五”國家對電動汽車驅動電機系統的集中研發和應用，特別是隨著我國電動汽車的制造體系逐步建立，自主創新能力得到較大提升，國內許多企業已開始涉足與電動汽車相關的電池、電動機等關鍵零部件的研制和生產，技術水平與國際先進水平的差距正在縮小。在電機設計方面，采用現代車用電機系統設計理念，初步解決多目標高性能車用電機的極限設計與多領域精確分析以及結合應用控制策略系統集成仿真的技術難題; 在新型電機技術方面，國內部分企業、研究單位和高校對一些新原理的電機系統，進行了積極研究探索，有些已經開發出樣機系統，部分進行了臺架試驗和裝車；在檢測試驗方面，國內電機測試基地建立了電機及控制器專用性能檢測試驗臺架，具備了較齊備的性能檢測和初步環境試驗檢測條件；在電機及其控制系統的關鍵材料與關鍵零部件方面，如轉速位置傳感器的研制、高性能低成本絕緣材料開發、車用電機專用電工鋼開發、電機磁性材料的穩定性研究方面，獲得了初步成果。但是目前國內純電動汽車驅動電機系統普遍存在交流感應電機起動力矩小，一般無刷永磁電機功率密度小、體積大、效率低、結構復雜、成本高、可靠性低、噪音大的問題， 與國外先進的純電動汽車驅動電機存在不小的差距。

發明內容
本發明的目的是為解決上述技術問題，提供一種電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機。本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的
電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，包括內定子部分和外轉子部分，外轉子部分用于連接輪胎，內定子部分與汽車懸架連接，內定子部分包括電機定子、電機繞組和電機控制器，外轉子部分包括電機轉子和永磁體，其特征在于所述電機定子為螺旋條狀鐵片的卷疊結構，并且該卷疊結構又是寬齒窄齒相間的結構，繞組繞于定子寬齒上，窄齒不繞線。作為上述技術方案的優選，所述內定子部分還包括水冷結構，該水冷結構由覆蓋于所述電機繞組的水冷網管構成。
作為上述技術方案的優選，該電機采用多極旋轉變壓器作為位置信號傳感器，使用DSP作為主控芯片，對電機進行矢量控制計算，輸出SVPWM控制信號，從而控制電機換相運行。作為上述技術方案的優選，控制器采用能承受高壓、大電流的IPM智能驅動模塊。電機本體方面電機定子采用不等寬齒結構，這種結構一方面便于集中繞組繞線方式繞線，另一方面減小了電機的齒槽轉矩，降低了電機的振動；將電機設計成扁圓型并通過與汽車輪轂相嵌合的外轉子結構設計，實現電機直接驅動輪轂，提高傳動效率，降低汽車噪音，使汽車的加速減速、轉向操作可方便，降低整車驅動系統的成本；
在工藝技術上，摒棄了傳統的結構整體沖片，轉子采用一次成型工藝，定子鐵芯采用卷疊工藝，達到減少了磁阻、結構緊密、有效降低了噪聲、提高材料利用率之目的；
電機定子水冷的結構設計，提高了電機的散熱能力，增加了電機的功率密度，解決了電機散熱難題。電子控制系統方面基于DSP的磁場定向控制(F0C矢量控制)的研究
采用多極旋轉變壓器作為電機位置信號傳感器，使用DSP作為主控芯片，對電機進行矢量控制計算，輸出SVPWM控制信號，從而控制電機換相運行；
運用高壓、大電流驅動控制器采用可靠的IPM智能驅動模塊，可以承受高壓、大電流，并且有較好的電流保護功能；
采用基于DSP的矢量控制算法控制電機，實現了汽車動力的無級調速，提高了整個驅動系統的效率、精準性和可靠性；依據基于DSP的磁場定向控制(F0C矢量控制)基本原理對電機進行高精度的伺服控制。通過旋轉變壓器對轉子位置檢測和電流采樣，經AD輸入CPU 處理，通過基于坐標變換理論的磁場定向控制方法，坐標變換將電機內部復雜耦合的直流變量(如電流、磁鏈、電壓等)，精確控制電機適合汽車行駛要求。電機定子漆包線采用了抗電暈漆包線，可增加電機的壽命，且在絕緣等級的選擇上采用H級以上的等級，大大提高了電機的可靠性與壽命。使本發明電機具有以下特點 電機由高能永磁材料勵磁，對于給定的輸出功率，它的質量和體積能夠大大減小，使得功率密度提高；由于轉子無繞組，無銅損，其工作效率高，其效率高于感應電動機；電機發熱主要集中在定子上，采取水冷的方式，散熱效果好；永磁勵磁不受制造缺陷、過熱或機械損壞的限制，因而可靠性較高；轉子電磁時間常數小，動態性能好。綜上所述，本發明具有以下有益效果
1、電機定子采用不等寬齒結構，降低了齒槽轉矩，減小了電機的振動和噪聲；
2、定子鐵芯采用卷疊方式，達到減少了磁阻、結構緊密、有效降低了噪聲、提高材料利用率；
3、電機定子采用不等寬齒結構，這種結構一方面便于集中繞組繞線方式繞線，另一方面減小了電機的齒槽轉矩，降低了電機的振動；
4、將電機設計成扁圓型并通過與汽車輪轂相嵌合的外轉子結構設計，實現電機直接驅動輪轂，提高傳動效率，降低汽車噪音，使汽車的加速減速、轉向操作可方便，降低整車驅動系統的成本；
5、電機定子水冷的結構設計，提高了電機的散熱能力，增加了電機的功率密度，解決了電機散熱難題；6、采用基于DSP的矢量控制算法控制電機，實現了汽車動力的無級調速，提高了整個驅動系統的效率、精準性和可靠性；依據基于DSP的磁場定向控制(F0C矢量控制)基本原理對電機進行高精度的伺服控制。


圖1是本發明的結構示意圖2是本發明電機定子的結構示意圖； 圖3是本發明水冷結構的結構示意圖中，1-電機定子，2-電機繞組，3-電機控制器，4-電機轉子，5-永磁體，6-水冷結構， 7-輪胎，8-懸架。
具體實施例方式本具體實施例僅僅是對本發明的解釋，其并不是對本發明的限制，本領域技術人員在閱讀完本說明書后可以根據需要對本實施例做出沒有創造性貢獻的修改，但只要在本發明的權利要求范圍內都受到專利法的保護。如圖1 3所示，電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，它包括內定子部分和外轉子部分，外轉子部分用于連接輪胎7，內定子部分與汽車懸架8連接，內定子部分包括電機定子1、電機繞組2和電機控制器3，外轉子部分包括電機轉子4和永磁體5，所述電機定子1為螺旋條狀鐵片的卷疊結構，并且該卷疊結構又是寬齒窄齒相間的結構，電機繞組2繞于電機定子寬齒1上，窄齒不繞線。所述內定子部分還包括水冷結構6，該水冷結構6由覆蓋于所述電機繞組的水冷網管構成。該電機采用多極旋轉變壓器作為位置信號傳感器，使用DSP作為主控芯片，對電機進行矢量控制計算，輸出SVPWM控制信號，從而控制電機換相運行。控制器采用能承受高壓、大電流的IPM智能驅動模塊。本發明可通過以下方法制造
1)轉子組件轉子軸，轉子軛，轉子鐵心，分別采用溫差法配合進行裝配，裝配過程中采用高頻加熱設備進行裝配，在轉子的鐵心與轉子磁瓦的裝配上，使用耐高溫AB膠。在轉子磁瓦的表面裝配一個材料為鈦合金的轉子外殼，以防轉子磁瓦的剝離。在轉子組件完成后，對轉子組件進行平衡校驗，達到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行裝配，裝配過程中采用高頻加熱設備進行裝配，在定子外殼水道處使用密封膠水以及橡膠15密封件密封，水道內進行耐壓測試，定子嵌線采用嵌線機嵌線，增強一致性，在定子嵌線完畢后，采用真空壓力浸漆設備進行線圈的絕緣漆浸漆。在定子組件完成后對定子線圈進行電阻，電感，耐電壓， 絕緣電阻等常規測試；
3)整機測試整機調試完畢后，與測功機連接，連接控制器，冷卻系統，進行3000rpm空載測試，特定轉速、扭矩測試，電機高效區測試，定時定量進行耐久測試。
權利要求
1.電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，包括內定子部分和外轉子部分，外轉子部分用于連接輪胎，內定子部分與汽車懸架連接，內定子部分包括電機定子(1)、電機繞組 (2)和電機控制器(3)，外轉子部分包括電機轉子(4)和永磁體(5)，其特征在于所述電機定子(1)為螺旋條狀鐵片的卷疊結構，并且該卷疊結構又是寬齒窄齒相間的結構，電機繞組 (2)繞于電機定子寬齒(1)上，窄齒不繞線。
2.根據權利要求1所述的電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，其特征在于所述內定子部分還包括水冷結構(6)，該水冷結構(6)由覆蓋于所述電機繞組的水冷網管構成。
3.根據權利要求1所述的電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，其特征在于該電機采用多極旋轉變壓器作為位置信號傳感器，使用DSP作為主控芯片，對電機進行矢量控制計算，輸出SVPWM控制信號，從而控制電機換相運行。
4.根據權利要求1所述的電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，其特征在于控制器采用能承受高壓、大電流的IPM智能驅動模塊。
全文摘要
本發明涉及一種電動汽車用直驅式高性能永磁無刷電機，它包括內定子部分和外轉子部分，外轉子部分用于連接輪胎，內定子部分與汽車懸架連接，內定子部分包括電機定子、電機繞組和電機控制器，外轉子部分包括電機轉子和永磁體，所述電機定子為螺旋條狀鐵片的卷疊結構，并且該卷疊結構又是寬齒窄齒相間的結構，電機繞組繞于電機定子寬齒上，窄齒不繞線。本發明具有電機振動小、噪聲低、傳動效率高、散熱好等優點。
文檔編號H02K9/197GK102185453SQ201110140439
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者寧芬芳 申請人:湖州南潯科寧動力科技有限公司