CN101179248B - 电动机驱动装置及驱动方法 - Google Patents

Abstract

在定子的周向上将定子的各相线圈分为n(≥2)个线圈组，对每个线圈组分离动力线，从而形成多极电动机，并且将n个变频器分别连接到与上述电动机的各相对应的线圈组的动力线上，通过控制装置来同步运转该n个变频器，从而驱动上述电动机，由此，通过低成本构成的系统来安全地驱动在大型电动汽车和混合动力汽车中使用的多极电动机。

Description

电动机驱动装置及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种作为电动汽车以及混合动力汽车等的发动机使用的电动机的驱动装置以及驱动方法。 

背景技术

在对大型卡车等车辆总重量比较大的汽车进行电动汽车化或者改造为混合动力汽车时，需要控制与该车辆总重量相称的大型电动机。 

本来，对于大型电动机，由于与该电动机的功率相称的大型变频器(inverter)而要求供给所需的电力。 

但是，在制作大功率变频器时由于需要大型的IGBT等特殊的半导体元件，并且因为制造数量少而价格上涨。由于得到它们存在困难，因此供应时花费过多的时间。 

假设，作为大型车所需的大型电动机，例如为以500V(伏特)运转的200KW(千瓦特)级的电动机，要想用通常的方法运行它，单纯的计算就需要耐压500V、容许电流400A(安培)的IGBT元件。但是，现实中为了耐浪涌电压(surge voltage)和耐瞬间超载也必须预先设定。 

在考虑其实用性时，在通过概算耐压1200V、PWM(脉宽调制)技术对直流进行交流化以便使用的方法中，由于需要将限制通电的区域包括在内的交流输出平均值设定为400A，因此需要至少1500A的瞬间容许通电量。甚至，要同时控制高压、大电流的话，还需要适合对应噪声的办法。 

人们尝试了在输出端子的部分上并联连接变频器的输出，从而通过多个变频器来输出大电流，但还未实现。在这种方法中，IGBT彼此没有完全同步，因此，在大多数情况下，刚通电就破损的可能性很高。 

而且，专利文献1公开了使用多台变频器来驱动一个电动机的装置。 

在JP特开2003-174790号公报中公开了这样的技术：在定子的相邻槽(slot)中安装分别独立地卷绕的一对三相电枢绕组作为车辆所用电动机， 这一对绕组分别连接变频器，并且使用两个变频器来驱动电动机，在一个变频器故障时停止该故障的变频器的运转，并倍增另一个变频器的通电量以便安全运转。 

然而，在JP特开2003-174790号公报中记载的技术是故障对策，而并非应对大型化的内容。 

在用该方式谋求大功率化时，为了在一个极附近配设多个独立的同相绕组，需要将变频器增加到三台、四台以及第三台或第四台所用的U绕组，由于同样也需要V相、W相，因此槽和齿槽(teeth)数模加倍增加。 

一旦槽的尺寸变化，绕组的线直径和绕组数就变化，随之需要变更变频器的特性以及控制特性。 

发明内容

本发明的目的在于解决像上述那样的现有技术的问题，能够使用多个中、小型变频器来运转大型电动机。 

为了达到上述目的，本发明的特征在于，提供一种电动机驱动装置，具有：多极电动机，其在定子的周向上，以分别生成不同的磁极的方式将定子的各相线圈分割为n个线圈组，并对每个线圈组分离出动力线；n个变频器，该n个变频器分别连接到与上述电动机的各相对应的线圈组的动力线上，并且以生成与各上述线圈组对应的磁极的方式运转；控制装置，其通过使上述n个变频器同步运转来驱动上述电动机，上述n大于等于2。 

这样一来，与通常用1台变频器驱动多极电动机相对，仅仅做出分组定子的线圈组而分离动力线的变更，通过各个变频器对所担负的线圈组执行送电或者所需的控制，能够并行运转并避免了与担负其它线圈组的变频器的干涉。 

并且，由于能够通过适用于中、小型车的中、小型变频器可以运转大型电动机，因此提高了产量，自然也降低了成本。另外，在部件的进货和补给方面也有利。 

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的结构的图。 

图2是表示本发明第二实施方式的结构的图。 

图3是表示本发明第三实施方式的结构的图。 

具体实施方式

例如，电动机的定子线圈大多用普通2极、4极、6极、8极、12极、16极等。在大型电动汽车中使用的电动机上，就其旋转速度和扭矩而言，可使用从8极到16极左右的多极机。 

下面基于附图来说明将本发明应用于3相8极交流电动机的第一实施方式。 

图1表示概要电路结构(横向展开周向的结构)，包括3相×8/2极＝12组线圈，它们是减少了用U、V、W3相一组的线圈生成2极的线圈数的DC无刷(brushless)型绕组。 

在此，在最简单方式的集中绕组的情况下，由于U、V、W这3相一组且每一相1个，故总共3个，因此所有定子最少有12个线圈就可以实现。另外，为了能够平稳顺利地运转，在重叠绕组和波绕组的情况下用整数倍的线圈来构成。 

在本实施方式中，在定子的周向上，将这些定子的8极的U、V、W各相的线圈以最小单位即U、V、W这3相一组的线圈生成的2极为单位分割为第1组线圈C1、第二组线圈C2、第三组线圈C3、第四组线圈C4。 

而且，在第一组～第四组线圈C1、C2、C3、C4的每一个上，U、V、W动力线是独立的并且连接到端子箱(图中未示出)。 

在第一组～第四组线圈C1、C2、C3、C4的每一个上分别连接有1台变频器I1、I2、I3、I4。 

通过1台控制计算机S来同步运转第1变频器I1、第2变频器I2、第3变频器I3、第4变频器I4这4台变频器。 

通常，量产型的IGBT元件耐压1200V、容许电流为300A。如果利用这种元件，能够制造500V、110A即55KW级的变频器。55KW级的变频器适合用于驱动控制车辆总重量为3吨左右的中小型车，但在量产的情况下，定位在大型生产的中心地位。 

针对上述那样构成的定子，如果将这4台变频器相连接，则通过电动机和4台变频器的组合，电力输出可达到220KW，而且就电动机而言，虽少于 考虑这些效率的电力输出，但大体上能够输出与电动机的能力相称的动力。 

将来自控制计算机S的同一PWM信号分为4组而供给给4台变频器I1、I2、I3、I4。即，4台变频器I1、I2、I3、I4同时以同一方式运转。 

在8极电动机的定子上，对于电角度360°而有机械(转子旋转)角90°的位移，因此当正在运行时，控制从第1线圈组C1依次转移到第2线圈组C2、第3线圈组C3，同时产生旋转力。 

通过如上所述的构成，变频器I1、I2、I3、I4的输入信号能够完全同步，同时能够将完全独立的信号分别供给到变频器I1、I2、I3、I4，从而各个变频器I1、I2、I3、I4通过电绝缘且独立的定子线圈来磁化定子和齿槽。定子线圈被划分为适当的“组”而绝缘、独立，同时与其它组完全同步的通电以及磁化。 

例如，如图1所示，在U相上流入最大电流的同时，U相(绕组位置的定子)磁化为N极。由于此时V相和W相流着反方向的中程度的电流，因此在V相和W相中间附近产生S极。 

接着，W相的电流达到最大时W相磁化为S极，在U相和V相的中间附近产生N极。 

下面，同样的在V相磁化为N极时S极产生在W相、U相的中间附近，当U相磁化为S极时N极产生在V相、W相的中间附近，当W相磁化为N极时S极产生在U相、V相的中间附近，当V相磁化为S极时N极产生在W相、U相的中间附近。 

这样，随着交流电的相位前移，定子的磁极就旋转并且使转子旋转。 

在上图中，虽然图示了将8极式定子线圈分为4组的管理方法，但是也可每4极进行分组从而分为2组。 

另外，在图1中，虽然示出了U、V、W相是星形连接，但是不用说也能够适用于三角形连接。 

这样一来，利用一般及量产机型的半导体元件，能够构成由几乎无限大型的变频器及电动机的组合构成的电动机驱动装置。只要小型车采用与现有技术一样的一个变频器，中型车采用两个变频器及具有与其对应的定子线圈的发动机即可；大型车只要采用这种发动机单元即可，即包括4个或4个以上的同样的变频器以及与其对应的电动机。如此，由于大量生产同样规格的 变频器并且根据汽车的机型来使用，因此在成本以及部件的管理方面具有优势。 

此外，当如上所述使用U、V、W这3相一组的线圈而生成2极的定子的情况下，如上所述，在8极电动机中，以U、V、W这3相1组为最小单位，分为最大8/2＝4个线圈组。 

对此，在使用U、V、W这3相1组的线圈而生成1极来构成定子的情况下，最大能够分为与电动机极数相同的(8极时有8个)线圈组。 

图2表示适用于使用U、V、W这3相1组的线圈生成1极的8极电动机的实施方式。 

对该电动机的定子来说，在集中绕组包括共计24个(在重叠绕组、波绕组中是其整数倍)线圈，在U、V、W这3相2组的共计6个线圈上形成了N、S两极。 

在该实施方式中，在定子的周向上以U、V、W这3相1组的最小单元来分割该24个线圈，并且将各自的动力线连接到第1～第8变频器上。 

根据图来说明动作。 

a.当通过第1变频器供给的U相电力在第1线圈(图2中在线圈编号1的下方表示。其它的相同)上生成了N极时(仅仅生成N极或S极时一般认为是磁力变为最大值时)，通过第2变频器的U相电力，使第4线圈上流着与第1线圈相反方向的电流而生成S极。 

同时，通过第1变频器供给的W相电力，在第2线圈上流着与第1线圈相同方向的电流，生成中程度的N极，通过供给向V相供给电力，在第3线圈上流着与第1线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

b.由于变频器供给的交流电的相位前移，当在第2线圈上生成N极时，由于第2变频器供给的W相电力而在流着相反电流方向的电流的第5线圈上生成S极。 

同时，在第3线圈上流着与第2线圈相同方向的电流，生成中程度的N极，另外，在第4线圈上流着与第2线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

c.同样当在第3线圈上生成N极时，在电流方向相反的第6线圈上生成S极。 

同时，在第4线圈上流着与第3线圈相同方向的电流，生成中程度的N极。 

同时，在第5线圈上流着与第3线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

d.在通过第2变频器向U相供给电力从而在第4线圈上生成N极时，通过第3变频器向U相供给电力，从而在电流方向相反的第7线圈上生成S极。 

同时，通过向W相供给电力，从而在第5线圈上流着与第4线圈相同方向电流，而生成中程度的N极，通过向V相供给电力，在第6线圈上流着与第1线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

e.当在第5线圈上生成N极时，在电流方向相反的第8线圈上生成S极。 

同时，在第6线圈上流着与第5线圈相同方向的电流，生成中程度的N极，在第7线圈上流着与第5线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

f.同样在第6线圈上生成了N极时，在电流方向相反的第9线圈上生成S极。 

同时，在第7线圈上流着与第6线圈相同方向的电流，生成中程度的N极，在第8线圈上流着与第6线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

上面虽然示出了从第1线圈到第9线圈的磁极变化，但是由于全部变频器同步供给各相相同的交流电力，因此发生同样的磁极变化，在第1～第24的全部线圈上重复上述a～f的循环，并生成磁极旋转的旋转磁场。 

当选定对应于电动机输出的变频器的最适合值时，假设通过1台变频器供应8个极的情况下线圈线截面积为1，则在大功率发电机情况下通过8台变频器运转8个极时，如果定子的轴长尺寸相同，那么只要这样设计即可：使线圈线数大致相同，并且使线直径截面积为8左右。 

另外，在专利文献1中，其目的是故障对策，而在本发明中，当1台变频器发生故障时，能够停止该变频器的运转并进行对应的处理。 

在该情况下，控制计算机对除了发生故障的变频器以外的正常变频器供给到对应线圈组的通电量进行增大补偿，从而也能够确保所需的电力。 

另外，控制计算机C能够使发生了故障的变频器所连接的线圈组以及处于旋转对称位置的线圈组所连接的变频器停止运转，并且能够对剩余的正常变频器供给到对应线圈组的通电量进行增大补偿，从而得到与故障前的电动 机输出同样的输出。 

例如，当第1变频器发生故障时，停止第1变频器的运转，同时使第1变频器所驱动的线圈组(第1～第3线圈)以及驱动位于电动机的旋转轴相反侧的线圈组的第5变频器停止运转，进一步也停止奇数的第3、第7变频器的运转，而且与此相对应，使其它运转的变频器的通电量变为8/6倍或2倍，由此得到同等的输出。 

即，如果极数足够多，那么1台故障造成的影响小，但是，当极数不是那么多时，由于停止了故障的变频器的运转，所以通过定子的各个线圈组产生的扭矩在周向上变得不均等，因此旋转的平稳程度受到影响。因此，使发生了故障的变频器所连接的线圈组以及位于旋转对称位置的线圈组所连接的变频器都停止运转，维持正常变频器所连接的线圈组的旋转对称性，并且对正常变频器的通电量进行增大补偿，从而无损于平稳旋转而确保输出。 

图3表示适用于与上述同样使用U、V、W这3相1组的线圈生成1极的8极电动机的其它实施方式。 

在本实施方式中，示出了将定子的线圈分为两个线圈组，并且使用2台变频器驱动。 

将U、V、W各相线圈分别在定子周向上每隔一个串联连接，从而分割为两个线圈组。 

具体地说，将U相的第1线圈、第7线圈、第13线圈、第19线圈串联连接而作为U相第1组线圈，将第4线圈、第10线圈、第16线圈、第22线圈串联连接而作为U相第2组线圈。 

同样，将V相的第3线圈、第9线圈、第15线圈、第21线圈串联连接而作为V相第1组线圈，将第6线圈、第12线圈、第18线圈、第24线圈串联连接而作为V相第2组线圈。 

同样，将W相的第2线圈、第8线圈、第14线圈、第20线圈串联连接而作为W相第1组线圈，将第5线圈、第11线圈、第17线圈、第23线圈串联连接而作为W相第2组线圈。 

而且，将U相第1组线圈、V相第1组线圈、W相第1组线圈的动力线连接到第1变频器，将U相第2组线圈、V相第2组线圈、W相第2组线圈的动力线连接到第2变频器。 

下面来说明本实施方式的作用。 

a.通过第1变频器供给的U相电力而在U相第1组线圈上(第1、第7、第13、第19线圈)生成了N极时，通过来自第2变频器的U相电力，使得在U相第2组线圈上(第4、第10、第16、第22线圈)流着与U相第1组线圈相反方向的电流，从而生成S极。 

同时，通过第1变频器供给的W相电力，使得在W相第1组线圈上(第2、第8、第14、第20线圈)流着与U相第1组线圈相同方向的电流，从而生成中程度的N极，同样通过供给到V相的电力，在V相第1组线圈(第3、第9、第15、第22线圈)上流着与U相第1组线圈相反方向的电流，生成中程度的S极。 

b.由于变频器供给的交流电力的相位前移，因此在W相第1组线圈(第2、第8、第14、第20线圈)上生成了N极时，由于第2变频器供给的W相电力，在W相第2组线圈(第5、第11、第17、第23线圈)上流着与W相第1组线圈相反方向的电流，从而生成S极。 

同时，在V相第1组线圈(第3、第9、第15、第21线圈)上流着与W相第1组线圈相同方向的电流，从而生成中程度的N极，另外，在U相第2组线圈(第4、第10、第16、第22线圈)上流着与W相第1组线圈相反方向的电流，从而生成中程度的S极。 

c.同样在V相第1组线圈(第3、第9、第15、第21线圈)上生成了N极时，由于第2变频器供给的V相电力，在V相第2组线圈(第6、第12、第18、第24线圈)上流着与V相第1组线圈相反方向的电流，从而生成S极。 

同时，在U相第2组线圈(第4、第10、第16、第22线圈)上流着与V相第1组线圈相同方向的电流，从而生成中程度的N极，另外，在W相第2组线圈(第5、第11、第17、第23线圈)上流着与V相第1组线圈相反方向的电流，从而生成中程度的S极。 

d.同样通过第2变频器供给的U相电力，在U相第2组线圈(第4、第10、第16、第22线圈)上生成了N极时，通过第1变频器供给的U相电力，使得在U相第1组线圈(第1、第7、第13、第19线圈)上流着与U相第2组线圈相反方向的电流，从而生成S极。 

同时，在W相第2组线圈(第5、第11、第17、第23线圈)上流着与U相第2组线圈相同方向的电流，从而生成中程度的N极，另外，在V相第2组线圈(第6、第12、第18、第24线圈)上流着与U相第2组线圈相反方向的电流，从而生成中程度的S极。 

e.在W相第2组线圈(第5、第11、第17、第23线圈)上生成了N极时，由于第2变频器供给W相的电力，在W相第1组线圈(第2、第8、第14、第20线圈)上流着与W相第2组线圈相反方向的电流，从而生成S极。 

同时，在V相第2组线圈(第6、第12、第18、第24线圈)上流着与W相第2组线圈相同方向的电流，从而生成中程度的N极，另外，在U相第1组线圈(第1、第7、第13、第19线圈)上流着与W相第2组线圈相反方向的电流，从而生成中程度的S极。 

f.同样在V相第2组线圈(第6、第12、第18、第24线圈)上生成了N极时，由于第2变频器供给的V相电力，在V相第1组线圈(第3、第9、第15、第21线圈)上流着与V相第1组线圈相反方向的电流，从而生成S极。 

同时，在U相第1组线圈(第1、第7、第13、第19线圈)上流着与V相第2组线圈相同方向的电流，从而生成中程度的N极，另外，在W相第1组线圈(第2、第8、第14、第20线圈)上流着与V相第2组线圈相反方向的电流，从而生成中程度的S极。 

重复该a～f的循环，从而生成磁极旋转的旋转磁场。 

另外，在本实施方式中，当一个变频器发生故障时，例如第1变频器发生故障时，停止第1变频器的运转，同时，仅仅将第2变频器的通电量提高2倍从而确保大约相同的输出，由于各相线圈每隔一个而串联连接从而分割为2组，因此只有一个线圈组运转，也能够保持旋转对称性，从而能够进行平稳的运转。 

另外，在上述实施方式中，虽然U、V、W各相的第1组线圈内的各个线圈、第2组线圈内的各个线圈分别串联连接，但是也可以采用如下结构的实施方式，即，将这些各个线圈的电力导入侧端部相互并联连接，并将以每一根为单位的第1组线圈以及第2组线圈的U、V、W的动力线分别连接到第1变频器以及第2变频器，此时，也具有同样的功能。 

此外，也可认为图2、图3作为表示适用于像第1实施方式那样的用U、V、W这3相1组的线圈生成2极的16极电动机的实施方式的图。 

Claims (6)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，具有：

多极电动机，其在定子的周向上，以分别生成不同的磁极的方式将定子的各相线圈分割为n个线圈组，并对每个线圈组分离出动力线；

n个变频器，该n个变频器分别连接到与上述电动机的各相对应的线圈组的动力线上，并且以生成与各上述线圈组对应的磁极的方式运转；

控制装置，其通过使上述n个变频器同步运转来驱动上述电动机，

上述n大于等于2。

2.根据权利要求1所记载的电动机驱动装置，其特征在于，上述电动机是三相电动机，并且以U、V、W的3相为1组的线圈为最小单位来进行分组。

3.根据权利要求1所记载的电动机驱动装置，其特征在于，当1个变频器发生故障时，上述控制装置停止该发生故障的变频器的运转。

4.根据权利要求3所记载的电动机驱动装置，其特征在于，上述控制装置对除了上述发生故障的变频器以外的变频器供给到对应线圈组的通电量进行增大补偿。

5.根据权利要求4所记载的电动机驱动装置，其特征在于，上述控制装置使位于与上述发生故障的变频器所连接的线圈组旋转对称的位置的线圈组所连接的变频器也停止运转，并且对剩余变频器供给到对应线圈组的通电量进行增大补偿，使得能够得到与故障前的电动机输出同等的输出。

6.一种电动机的驱动方法，其特征在于，

在定子的周向上，以分别生成不同的磁极的方式将多极电动机中的定子的各相线圈分割为n个线圈组，并对每个线圈组分离出动力线；

将n个变频器分别连接到与电动机的各相相对应的线圈组的动力线上，并且以生成与各上述线圈组对应的磁极的方式运转；

通过使上述n个变频器同步运转来驱动电动机，

上述n大于等于2。

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