阅读说明：本技术 一种永磁同步电机及其切换开关 (Permanent magnet synchronous motor and change-over switch thereof ) 是由 李毅拓 陈西山 翟秀果 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种永磁同步电机及其切换开关。切换开关包括：至少两组导电滑块,各导电滑块分别用于与定子绕组中不同匝数的绕组导电连接,相邻两组导电滑块之间设置有绝缘滑块,以使绝缘滑块与导电滑块围成封闭的环状结构；碳刷,可绕环状结构的中心转动,以逐次与导电滑块接触；驱动机构,配置有控制器,可根据电机转速大小带动碳刷转动,以使碳刷逐次与导电滑块导电接触。根据永磁同步电机定子绕组的结构,可扩大定子绕组中的分段段数,并根据转速大小调节接入定子绕组的匝数,无需弱磁扩速,可使电机在转速调节过程中具有较稳定的输出功率、较高的转速调节精度和输出效率；无需扩大环状结构的径向尺寸,使永磁同步电机可用在电动汽车上。(The invention relates to a permanent magnet synchronous motor and a change-over switch thereof. The change-over switch includes: the stator comprises at least two groups of conductive sliding blocks, wherein each conductive sliding block is respectively used for being in conductive connection with windings with different turns in a stator winding, and an insulating sliding block is arranged between every two adjacent groups of conductive sliding blocks so that the insulating sliding blocks and the conductive sliding blocks form a closed annular structure; the carbon brush can rotate around the center of the annular structure so as to be contacted with the conductive sliding block successively; the driving mechanism is provided with a controller and can drive the carbon brush to rotate according to the rotating speed of the motor so as to enable the carbon brush to be in conductive contact with the conductive sliding block successively. According to the structure of the stator winding of the permanent magnet synchronous motor, the number of the segmented segments in the stator winding can be enlarged, the number of turns connected into the stator winding is adjusted according to the rotating speed, the flux weakening and speed expansion are not needed, and the motor can have stable output power, high rotating speed adjusting precision and high output efficiency in the rotating speed adjusting process; the radial size of the annular structure does not need to be enlarged, so that the permanent magnet synchronous motor can be used on an electric automobile.)

一种永磁同步电机及其切换开关

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机及其切换开关。

背景技术

现有电动汽车永磁同步电机为了满足在较宽转速范围内维持恒功率运行，基本都采用弱磁扩速的方法，因为永磁同步电机的反电动势和转速成正比，转速达到一定值后永磁同步电机的反电动势将会达到系统极限，更高速的运行区间只能依靠定子中反向的直轴电流来抑制反电动势的升高，即电机的高转速区间内，定子电流的直轴分量弱磁做负功，而且随着转速升高，该部分负功越来越大，严重降低了高速区间电机的输出效率。

为了避免使用弱磁扩速的方法，以提高高速区间电机的输出效率，现有技术中，有少数永磁同步电机在高速运行时，采用减少部分定子绕组匝数的方法来降低反电动势，其定子绕组分段引出接至继电器，由继电器来控制电机绕组的工作匝数，因继电器体积较大，使得定子绕组分段有限，从而导致电机转速调节解堵不高，且电机转速调节过程中的输出功率不稳定，而且继电器噪音大、寿命短，不适用在电动汽车上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的切换开关，以解决现有技术中将电机的定子绕组分段引出时，其分段有限，从而导致电机转速调节精度较低，且电机转速调节过程中输出功率不稳定的技术问题；相应的本发明的目的还在于提供一种永磁同步电机，以解决现有技术中无需弱磁扩速而采用减少部分定子匝数来降低反电动势的永磁同步电机不适于用在电动汽车上的技术问题。

为实现上述目的，本发明永磁同步电机的切换开关的技术方案是：永磁同步电机的切换开关包括：导电滑块，间隔设置有至少两组，每组导电滑块包括间隔设置的三相滑块，以分别对应定子绕组的三相，各导电滑块分别用于与定子绕组中不同匝数的绕组导电连接，相邻两组导电滑块之间设置有绝缘滑块，以使绝缘滑块与导电滑块围成封闭的环状结构；碳刷，可绕环状结构的中心转动，以逐次与导电滑块导电接触；驱动机构，与碳刷传动连接，并配置有控制器，可用于根据永磁同步电机转速大小带动碳刷转动，以使碳刷逐次与每组导电滑块导电接触。

本发明的有益效果是：本发明永磁同步电机的切换开关中，导电滑块间隔设置有至少两组，在导电滑块周向尺寸较小的情况下，使导电滑块具有较多的数量，根据永磁同步电机定子绕组的结构，最大限度的扩大定子绕组中的分段段数，并根据电机转速大小调节接入电机中的定子绕组的相应匝数，无需弱磁扩速，可使电机在高速区间内具有较高的输出效率，在转速调节过程中具有较高的转速调节精度和较稳定的输出功率。

进一步地，永磁同步电机的切换开关还包括环形壳体，用于设置在永磁同步电机的后端盖上，所述导电滑块与绝缘滑块均固定在环形壳体上。设置有环形壳体结构，便于导电滑块和绝缘滑块的安装、定位。

进一步地，所述驱动机构以所述永磁同步电机的后端盖为安装基础，且对应环状结构的中心位置设置。驱动机构位于永磁同步电机的后端盖上，便于驱动机构的固定安装，而且驱动机构对应环状结构的中心位置设置，便于驱动机构与碳刷的传动连接。

进一步地，所能设置的所述导电滑块的最大组数n＝N×(Q/3)，其中N是定子绕组中每个绕组元件的串联匝数，Q为定子绕组的槽数。在永磁同步电机的定子绕组中每个绕组元件的串联匝数N和槽数Q确定的情况下，可计算导电滑块所具有的最大组数n，即分段式绕组可具有的最大分段段数，以确定永磁同步电机的转速所能达到的最大调节精度，而且还可使电机在转速调节过程中的输出功率最稳定。

进一步地，所述导电滑块和绝缘滑块距离环状结构中心的距离相等。绝缘滑块和导电滑块距离环状结构中心的距离相等，使碳刷在相邻导电滑块之间转动切换的过程中，绝缘滑块可起到过渡转接作用，避免碳刷卡滞。

进一步地，位于相邻两组导电滑块之间的所述绝缘滑块为一体式结构，且绝缘滑块的组数等于导电滑块的组数。一体式结构的绝缘滑块结构简单，便于加工。

进一步地，所述三相滑块沿与所述环状结构的中心轴线平行的直线布置。这种结构设置使三相滑块结构简单，便于布置。

进一步地，所述导电滑块所对应的圆心角等于碳刷上与环状结构的接触面所对应的圆心角。导电滑块对应的圆心角等于碳刷上与环状结构的接触面所对应的圆心角，以使碳刷在周向上恰好与三相滑块吻合接触。

进一步地，导电滑块包括对应于永磁同步电机处于最低速度时，与碳刷接触配合的高位导电滑块，高位导电滑块用于连接定子绕组中最多的匝数，还包括对应于永磁同步电机处于最高速度时，与碳刷接触配合的低位导电滑块，低位导电滑块用于连接定子绕组中最少的匝数，低位导电滑块与高位导电滑块相邻，且两个导电滑块之间设置有限位挡片，以限制碳刷直接在两个导电滑块之间切换。避免因碳刷误动作从低位导电滑块切换到高位导电滑块，而造成定子绕组中的瞬间反电动势突增而击穿永磁同步电机的元器件。

为实现上述目的，本发明永磁同步电机的技术方案是：永磁同步电机，包括定子绕组和电机壳体，还包括切换开关，以切换接入定子绕组中的线圈匝数，切换开关包括：导电滑块，间隔设置有至少两组，每组导电滑块包括间隔设置的三相滑块，以分别对应定子绕组的三相，各导电滑块分别用于与定子绕组中不同匝数的绕组导电连接，相邻两组导电滑块之间设置有绝缘滑块，以使绝缘滑块与导电滑块围成封闭的环状结构；碳刷，可绕环状结构的中心转动，以逐次与导电滑块导电接触；驱动机构，与碳刷传动连接，并配置有控制器，可用于根据永磁同步电机转速大小带动碳刷转动，以使碳刷逐次与每组导电滑块导电接触。

本发明的有益效果是：本发明的永磁同步电机中，切换开关的导电滑块间隔设置有至少两组，在导电滑块周向尺寸较小的情况下，可扩大定子绕组中的分段段数，使导电滑块具有较多的数量，根据永磁同步电机定子绕组的结构，最大限度的扩大定子绕组中的分段段数，并根据电机转速大小调节接入电机中的定子绕组的相应匝数，无需弱磁扩速，可使电机在高速区间内具有较高的输出效率，在转速调节过程中具有较高的转速调节精度和较稳定的输出功率；无需扩大环状结构的径向尺寸，使该永磁同步电机可用在电动汽车上。

进一步地，永磁同步电机的切换开关还包括环形壳体，用于设置在永磁同步电机的后端盖上，所述导电滑块与绝缘滑块均固定在环形壳体上。设置有环形壳体结构，便于导电滑块和绝缘滑块的安装、定位。

进一步地，所述驱动机构以所述永磁同步电机的后端盖为安装基础，且对应环状结构的中心位置设置。驱动机构位于永磁同步电机的后端盖上，便于驱动机构的固定安装，而且驱动机构对应环状结构的中心位置设置，便于驱动机构与碳刷的传动连接。

进一步地，所能设置的所述导电滑块的最大组数n＝N×(Q/3)，其中N是定子绕组中每个绕组元件的串联匝数，Q为定子绕组的槽数。在永磁同步电机的定子绕组中每个绕组元件的串联匝数N和槽数Q确定的情况下，可计算导电滑块所具有的最大组数n，即分段式绕组可具有的最大分段段数，以确定永磁同步电机的转速所能达到的最大调节精度，而且还可使电机在转速调节过程中的输出功率最稳定。

进一步地，所述导电滑块和绝缘滑块距离环状结构中心的距离相等。绝缘滑块和导电滑块距离环状结构中心的距离相等，使碳刷在相邻导电滑块之间转动切换的过程中，绝缘滑块可起到过渡转接作用，避免碳刷卡滞。

进一步地，位于相邻两组导电滑块之间的所述绝缘滑块为一体式结构，且绝缘滑块的组数等于导电滑块的组数。一体式结构的绝缘滑块结构简单，便于加工。

进一步地，所述三相滑块沿与所述环状结构的中心轴线平行的直线布置。这种结构设置使三相滑块结构简单，便于布置。

进一步地，所述导电滑块所对应的圆心角等于碳刷上与环状结构的接触面所对应的圆心角。导电滑块对应的圆心角等于碳刷上与环状结构的接触面所对应的圆心角，以使碳刷在周向上恰好与三相滑块吻合接触。

进一步地，导电滑块包括对应于永磁同步电机处于最低速度时，与碳刷接触配合的高位导电滑块，高位导电滑块用于连接定子绕组中最多的匝数，还包括对应于永磁同步电机处于最高速度时，与碳刷接触配合的低位导电滑块，低位导电滑块用于连接定子绕组中最少的匝数，低位导电滑块与高位导电滑块相邻，且两个导电滑块之间设置有限位挡片，以限制碳刷直接在两个导电滑块之间切换。避免因碳刷误动作从低位导电滑块切换到高位导电滑块，而造成定子绕组中的瞬间反电动势突增而击穿永磁同步电机的元器件。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机的一种实施例中的结构示意图；

图2为图1中永磁同步电机的左视图；

图3为图1中永磁同步电机中定子绕组与碳刷的线路连接结构示意图；

图4为图1中切换开关的结构示意图；

图中：1-电机壳体，2-定子绕组，3-三相进线接口，4-前端盖，5-后端盖，6-切换开关，7-环形壳体，8-导电滑块，9-接线端子，10-A相滑块，11-B相滑块，12-C相滑块，13-绝缘滑块，14-碳刷，15-步进电机，16-高位导电滑块，17-低位导电滑块，18-限位挡块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的永磁同步电机的具体实施例：

如图1至图2所示，永磁同步电机包括电机壳体1、位于电机壳体1内的定子绕组2以及设置在电机壳体1外周面上的三相进线接口3。

如图1和图2所示，电机壳体1包括后端盖5和用于穿出电机输出轴的前端盖4，前端盖4与后端盖5均为圆形，且与永磁同步电机的输出轴同轴布置。永磁同步电机还包括设置在后端盖5上的切换开关6，该切换开关6包括环形壳体7，环形壳体7具有绝缘性能，且环形壳体7固定在后端盖5上，并与电机的输出轴同轴布置。

如图1、图2和图4所示，切换开关6还包括沿固定在环形壳体7的内侧壁上，且沿环形壳体7的周向间隔布置的导电滑块8，导电滑块8设置有15组且沿环形壳体7周向均匀布置，对应每组导电滑块8的环形壳体7的外侧壁上设置有接线端子9，本实施例中，定子绕组2根据电机转速和反电动势需求平均分成15段，以形成分段式绕组，每段绕组之间串联，且每段绕组的末段引出接线头，接线头穿过后端盖5，并与环形壳体7的外侧壁上的15组接线端子9一一对应导电连接。

每组导电滑块8包括间隔设置的三相滑块，该三相滑块分别为A相滑块10、B相滑块11和C相滑块12，如图4所示，三相滑块沿与环形壳体7的中心轴线平行的直线间隔布置，并通过接线端子9上的各相端子和各相接线头与相应段绕组中的三相对应导电连接，以在分段式绕组线路中形成S1、S2、S3至S15共15个位于电机壳体1外的待连接位置，如图3所示，这种沿与环形壳体的中心轴线平行的方向间隔布置的三相滑块结构简单，便于加工和装配。当然在其他实施例中，三相滑块还可以沿与环形壳体的中心轴线呈锐角布置的方向间隔布置。

如图4所示，相邻两个导电滑块8之间设置有绝缘滑块13，该绝缘滑块13固定在环形壳体7上，以使绝缘滑块和导电滑块8围成封闭的环状结构。相邻两组导电滑块8之间仅设置有一组绝缘滑块13，以使绝缘滑块13的组数与导电滑块8的组数相等。本实施例中，绝缘滑块13为一体式结构，以便于绝缘滑块13的加工制作，其他实施例中，绝缘滑块也可以分体式设置，即一组绝缘滑块包括三个滑块，以分别与导电滑块中的三相滑块在周向上并列布置。

切换开关6还包括绕环状结构的中心转动的碳刷14，碳刷14位于环形壳体7的内侧且弹性抵压在环状结构上，以使切换开关6的结构更加紧凑。其他实施例中，导电滑块和绝缘滑块还可以固定在环形壳体的外侧壁上，接线端子固定在内侧壁上，碳刷位于环形壳体外侧且弹性抵压在导电滑块或绝缘滑块上。

本实施例中，如图1和图4所示，碳刷14配置有驱动机构，该驱动机构具体为步进电机15，步进电机15由永磁同步电机的外部电源供电，且步进电机15固定在后端盖5的中心位置处，以便于与碳刷14传动连接，可带动碳刷14绕环状结构的中心转动，以使碳刷14在任一确定位置仅与一组导电滑块8接触，使得A、B和C三相绕组星接在一起，而碳刷14形成三相绕组星接的中性点，如图3所示。

本实施例中，驱动机构为步进电机15，便于对碳刷14转动角度的控制。其他实施例中，驱动机构还可以是伺服电机或者液压控制装置。

本实施例中，驱动机构配置有控制器，该控制器可根据电机的转速控制步进电机15动作，带动碳刷14转动相应角度以与相应的导电滑块8导电接触。

如图1、图3和图4中，本实施例中，在电机处于低速运转时，碳刷14在定子绕组2中连接在S15位置处，该位置处碳刷14对应连接在定子绕组2的匝数最多的高位导电滑块16上，当电机转速超过6000r/min时，控制器控制步进电机15带动碳刷14逆时针旋转24°，使碳刷14连接在S14位置处，切掉部分定子绕组匝数，降低定子绕组2中的磁链，降低定子绕组2中的反电动势；此后电机转速每升高500r/min，碳刷14就会逆时针旋转24°，切掉1/15的定子绕组匝数，降低定子绕组2中的磁链，相反的电机转速度每降低500r/min，碳刷14就会顺时针旋转24°，增加1/15的定子绕组匝数，提高定子绕组2中的磁链以提高定子绕组2中的反电动势，保证电机恒功率输出。当电机转速达到最高速13000r/min时，碳刷14连接在S1位置处，在S1位置处碳刷14对应连接在定子绕组2的匝数最少的低位导电滑块17上，电机接入的定子绕组匝数最少，但反电动势值与电机低速时一致，以使整个速度调节范围内电机无需弱磁扩速。

本实施例中，如图1和图4所示，低位导电滑块17与高位导电滑块16在环形壳体7上相邻且间隔布置，且低位导电滑块17和高位导电滑块16之间的绝缘滑块13上设置有限位挡块18，以限制碳刷14在高位导电滑块16和低位导电滑块17之间切换，避免因碳刷14误动作从低位导电滑块17切换到高位导电滑块16，而造成定子绕组2上的瞬间反电动势突增而击穿永磁同步电机中的元器件。

其他实施例中，在低位导电滑块与高位导电滑块之间的绝缘滑块上还可以不设置限位挡块，由于步进电机与碳刷之间设置有碳刷连接臂，可在电机壳体的后端盖上设置限位挡块，以限制碳刷连接臂从低位导电滑块切换到高位导电滑块；或者其他实施例中，还可以不设置限位挡块，控制器控制碳刷在周向上的运动，可使控制器在电机转速处于高速且碳刷与低位导电滑块导电接触时，仅能驱动碳刷顺时针转动。

除此之外，碳刷14可根据电机的转速的逐级变化在除高位导电滑块16和低位导电滑块17外的其他相邻导电滑块8之间任意切换，以根据电机转速需求，调整电机中的反电动势，提高电机高速运行区间的输出效率，保持电机恒功率输出。

本实施例中，切换开关6上的导电滑块设置有15组，以实现将定子绕组2平均分成15段。其他实施例中，根据电机转速的调节精度需求，还可以将切换开关上的导电滑块的组数设置成2～15之间的任意组数，导电滑块组数设置越多，电机转速的调节精度越高，且在电机转速调节的过程中电机的输出功率越稳定。

本发明永磁同步电机的定子绕组可设置的最大分段数为n，即可在切换开关中设置的导电滑块的最大组数也为n，n组导电滑块分别与定子绕组中n个具有不同匝数的分段绕组导电连接，以在定子绕组电路中形成可与碳刷导电连接的S1位置、S2位置、S3位置……Sn位置。定子绕组可设置的最大分段数n或者说可在电机中设置的导电滑块的最大组数n由定子绕组中每个绕组元件的串联匝数N和槽数Q决定，最大分段段数/最大组数n＝N×(Q/3)。如本实施例的永磁同步电机中，分段式绕组中每个绕组元件的串联匝数N为5，槽数Q为48，由此可得出分段式绕组中可设置的最大分段数，即可设置的导电滑块的最大组数n为80；或者其他实施例中，分段式绕组中每个绕组元件的串联匝数N为10，电机槽数Q为42，可得出分段式绕组可设置的最大分段数，即可设置的导电滑块的最大组数n为140。所以要想使电机具有最高的转速调节精度，只需要依据定子绕组中每个绕组元件的串联匝数N和槽数Q，使定子绕组的分段段数，即滑块的组数等于定子绕组中每个绕组元件的串联匝数与每相槽数的乘积即可。

其他实施例中，切换开关上的导电滑块组数还可以设置成15～80之间的任意组数，当导电滑块组数设置成80时，可使电机转速达到最大的调节精度，无需弱磁扩速，可维持电机调速过程中的输出功率最稳定。

本发明的永磁同步电机中，无需另外设置继电器，通过设置切换开关，可采用减少部分定子绕组匝数的方法实现降低定子绕组中的反电动势的目的，在永磁同步电机定子绕组结构的限制下，可扩大定子绕组的分段段数，使电机在高速区间内具有较高的输出效率，在转速调节过程中具有较高的转速调节精度和较稳定的输出功率；而且切换开关结构简单，电机调速过程中无噪音，当碳刷磨损后便于更换，可使永磁同步电机使用在电动汽车上。如图1和图4所示，为了保证碳刷14在任一确定位置仅与一组导电滑块8接触，以避免定子绕组2的相间短路而使电机发生故障，本实施例中，碳刷14上与环状结构的接触面的圆心角小于绝缘滑块13的圆心角，具体地，碳刷14上与环状结构的接触面的圆心角为10°，而绝缘滑块13对应的圆心角为14°。

导电滑块8在对应的圆心角还等于碳刷14上与环状结构的接触面所对应的圆心角，即导电滑块8对应的圆心角为10°，以使碳刷14上与环状结构的接触面在周向上恰好与导电滑块8的三相滑块吻合接触。

其他实施例中，碳刷上与环状结构的接触面的圆心角还可以等于绝缘滑块的圆心角，这种结构布置也能够保证碳刷在任一确定位置仅与一组导电滑块接触；或者其他实施例中，在碳刷上与环状结构的接触面所对应的圆心角小于或者等于绝缘滑块对应的圆心角的条件下，无需限定导电滑块所对应圆心角的大小，只要满足碳刷在转动的过程中，能与导电滑块中的三相滑块导电接触即可。

本实施例中，碳刷14上与环状结构的接触面在沿环状结构的中心轴线方向上的长度等于三相滑块在环状结构的中心轴线方向上的长度以及相邻两个滑块在环状结构的中心轴线方向上的间隙之和，满足碳刷14上与环状结构的接触面在环状结构的中心轴线方向上能够全部覆盖三相滑块的内表面。其他实施例中，还可以不限定碳刷上与环状结构的接触面在环状结构的中心轴线方向上的长度，只要满足碳刷上与环状结构的接触面能够与导电滑块的三相滑块接触即可。

本实施例中，导电滑块8和绝缘滑块13距离环状结构中心的距离相等，以满足碳刷14在相邻导电滑块之间转动的过程中，绝缘滑块13可起过渡转接作用，避免碳刷14卡滞。其他实施例中，绝缘滑块还距离环状结构中心的距离还可以大于或小于导电滑块距离环状结构中心的距离，且绝缘滑块与导电滑块之间圆弧平滑过渡，以使碳刷能够顺滑的在导电滑块与绝缘滑块之间转动过渡。

本实施例中，切换开关设置在电机壳体的后端盖上，以使切换开关与电机壳体装配成一体式结构，便于整个电机的装配和转运。其他实施例中，切换开关还可以与电机壳体分体式布置，即在切换开关上另外配置用于支撑切换开关的基座，且切换开关上的接线端子与分段式绕组的相应段之间通过导线连接。

本实施例中，切换开关包括环形壳体，用于设置在电机的后端盖上，导电滑块、绝缘滑块以及接线端子均固定在环形壳体上，便于导电滑块、绝缘滑块以及接线端子的安装和定位。其他实施例中，环形壳体还可以设置在电机壳体的外周面上，或者环形壳***于电机后端盖上且与绝缘滑块设置成一体式结构；或者其他实施例中，切换开关中还可以不设置环形壳体，导电滑块与绝缘滑块之间通过绝缘连接件连接，导电滑块与接线端子之间通过连接件导电连接，且上述结构均通过绝缘滑块固定在电机壳体的后端盖上，这种结构也可便于导电滑块、绝缘滑块以及接线端子的安装和定位。

本实施例中，环形壳体与永磁同步电机的输出轴同轴布置，可减少每组导电滑块与相应分段绕组之间连接导线的长度，且便于线束整理。其他实施例中，环形壳体与永磁同步电机的输出轴还可以不同轴布置。

本实施例中，驱动机构固定在后端盖上，且对应与环状结构的中心位置设置，便于驱动机构的固定安装，而且便于驱动机构与碳刷的传动连接。其他实施例中，驱动机构还可以与电机壳体分体设置，且驱动机构对应环状结构的中心位置设置。

本发明的永磁同步电机的切换开关的具体实施例：

永磁同步电机的切换开关的具体结构与上述永磁同步电机的具体实施例中切换开关的具体结构相同，此处不再赘述。