CN102158172B - 一种电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

目前的电机驱动系统中，驱动电机完成生产制造后便不能改变其接线方式，这导致电机过载时的电流较大，增加了控制器的成本。本发明提供一种能够自动调整自身接线方式的电机驱动系统，其特征是：有一个与电机引出线相连接的接线切换装置，能根据电机运行速度的变化，在不同接线方式之间进行切换。有益效果是：使电机运行于低速大转矩阶段(加速阶段)的电流减小，降低电机控制器的成本；并能在高速时减少弱磁电流或不进行弱磁控制，减少电机及其控制器的发热。

Description

一种电机驱动系统

技术领域

本发明涉及一种电机驱动系统，尤其是能自动切换电机引出线之间接线方式的电机驱动系统。

背景技术

目前由变频器控制的调速驱动系统被广泛应用于伺服、电梯、风电、新能源汽车等领域。

永磁电机是调速驱动系统中常用的一类电机，对于永磁电机而言，随着电机转速的升高，电机自身的感应电动势也随之升高，电机供电的最大电压(即电机控制器输出的极限电压)限制了电机转速不能无限地增加，所以电机的调速范围受到了电压的限制。目前的永磁电机控制通常采用弱磁技术解决这个问题，在高速时对永磁电机进行弱磁控制，使电机的直轴磁场减弱，以达到降低电机电压和扩宽调速范围的目的，这就是所谓的“弱磁扩速”控制技术。但这种技术也存在一定的缺陷，即采用弱磁控制比不采用弱磁控制时的电机电流要大，因为在采用弱磁控制时，除了用于产生转矩和动力的电流之外，还需要额外的电流用来进行弱磁，这样就导致总电流的增加，从而导致的电机发热和控制器发热的增加。

当前，永磁电机一旦完成生产制造，其接线方式就被固定下来，在电机运行过程中不会更改，但这种单一的接线方式在宽调速或负载变化大的场合往往存有缺陷，即运行于加速段的电机电流会比较大，因为电机要实现加速，其加速转矩往往要比额定转矩大很多，因而加速时的电机电流也往往比额定电流大很多，只有具有较大极限电流的电机控制器才能满足该电机的需求，这样就抬高了控制器中电子开关的容量，使控制器的成本增加。另外，传统电机中采用多抽头绕组进行调速的方案会使一部分电机绕组处于闲置状态，没能充分利用电机潜能，效能不高，在要求高效率和高功率密度的新型永磁电机应用领域中适用性不强。

在使用电机驱动的场合中，有些场合是采用多电机联合驱动的方式，这种驱动系统中，电机之间的接线方式是固定不变的，这种单一的接线方式虽然结构简单牢固，但在调速场合往往会存有电机运行在加速段的电流会比较大的缺陷，因为电机的加速转矩往往要比额定转矩大很多，因而加速时的电机电流也往往比额定电流大很多，只有具有较大极限电流的电机控制器才能满足该电机的需求，这样就抬高了控制器中电子开关的容量，增加控制器的成本。

总之，高速时如何扩速和低速时如何减小电流是目前调速驱动领域的经常碰到的问题，能否通过改进电机结构同时解决上述两方面的问题是值得研究课题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够自动调整接线方式的电机驱动系统，减小电流，降低电机控制器的成本，并能扩宽电机的调速范围。

本发明的技术构思是：提供一个与电机引出线连接的接线切换装置，该接线切换装置能根据电机转速的变化切换电机引出线间的接线方式，降低大转矩时(加速阶段)的电机电流，降低电机控制器的成本；减少高速时电机的弱磁电流或不进行弱磁控制，减少电机和电机控制器的发热。

本发明的技术方案是：提供一种电机驱动系统，包括电机、电机控制器和接线切换装置，其特征在于，电机控制器通过线路与电机内部的绕组相连，并控制电机的运转；接线切换装置与电机的引出线相连接；在接线切换装置内设有若干电路开关，接线切换装置通过切换或者通断开关执行切换动作，并且，该切换动作能够改变电机引出线之间的电路连接方式；接线切换装置的切换动作是自动进行的，而且是可逆的；接线切换装置是否执行切换动作由电机转速决定，电机由静止运行到最高速度的过程中，该接线切换装置至少执行一次切换动作；接线切换装置每执行一次切换动作，控制器输出电压与电机转速的比值(U/n)都发生改变，且电机低速段的控制器输出电压与电机转速的比值(U/n)大于高速段的控制器输出电压与电机转速的比值(U/n)。

本技术方案中驱动电机的运行是由控制器控制的；该电机有引出线引出电机本体，所述的电机本体是指电机定子和转子等组成的电磁结构部分。一般情况下，三相电机至少有3条引出线，也可根据需要将多于3条的引出线引出电机本体，比如20极72槽的电机，可将每相绕组的4条支路的进线端和出线端都引出，三相绕组最多可有24条引出线。

本技术方案中的接线切换装置与电机的引出线相连接，在接线切换装置内设有若干电路开关，该电路开关是接线切换装置的动作执行单元，通过切换或者通断开关可以执行切换动作，并在执行切换动作的同时，改变电机引出线之间的电路连接方式，即该切换动作前后的电机引出线之间的电路连接方式是不同的。

本技术方案中接线切换装置的切换动作可以自动进行，无需人为操作。另外，本技术方案中接线切换装置的切换动作是可逆的，比如，电机由静止运行到最高速度的过程中，该接线切换装置仅在电机转速运行至最高速度的一半时执行一次切换动作，与此同时，电机引出线之间的电路连接方式由低速段的连接方式切换到高速段的连接方式，那么，当电机由最高速度降速到静止时，该接线切换装置会在电机转速降至最高速度的一半左右时执行一次切换动作，接线切换装置内的电路开关切回低速段的开关状态，同时，电机引出线之间的电路连接方式由高速段的连接方式切回低速段的连接方式。

本技术方案中的一个显著特征是接线切换装置是否执行切换动作由电机转速决定，电机由静止运行到最高速度的过程中，该接线切换装置至少执行一次切换动作，即电机转速是该接线切换装置执行切换动作的原始诱导因素。另外，接线切换装置每执行一次切换动作，控制器输出电压与电机转速的比值(U/n)都发生改变，且电机低速段的控制器输出电压与电机转速的比值(U/n)大于高速段的控制器输出电压与电机转速的比值(U/n)，假如该电机驱动系统中仅有一颗电机，则该电机的反电势系数(Ke)和转矩系数(Kt)在接线切换装置切换接线方式时发生改变，且低速时的反电势系数和转矩系数大于高速时的反电势系数(Ke)和转矩系数(Kt)。

本技术方案可以有多种实施形式，其中的一类实施例是在电机驱动系统中仅有一颗驱动电机，接线切换装置的作用是调整电机内单相绕组不同支路间的连接方式。所述电机的磁极数与槽数有1个以上的公约数，每相绕组有1条以上的支路。每条绕组支路都引出电机本体，并连接在所述的接线切换装置上。该接线切换装置可切换每相绕组支路间的接线方式。在电机由静止运行至最高速的过程中，每相绕组支路间的接线方式至少切换一次，且高速段接线方式中的并联支路数大于低速段接线方式中的并联支路数。

根据电机理论，只要电机的磁极数与槽数有1个以上的公约数，每相绕组就会有1条以上的绕组支路。例如20极72槽的三相电机，其磁极数与槽数有3个公约数，分别是1，2，4。每相绕组的支路条数是磁极数(20)与槽数(72)的最大公约数，每相绕组有4条支路，三相共有12条支路，每条支路由两个引出端，共有24个引出端。根据本技术方案，可将24个引出端都连接在所述的接线切换装置上，该接线切换装置可切换每相绕组支路间的接线方式，比如电机由静止运行至最高速6000rpm的过程中，该接线切换装置在电机转速运行至3000rpm时执行切换动作，每相绕组支路间的接线方式发生改变，每相绕组由4条支路串联改为4条支路并联，即在转速为0rpm到3000rpm区段接线方式中的并联支路数为1，在转速为3000rpm到6000rpm区段接线方式中的并联支路数为4。

上述实施例的机理是：电机绕线下线工序完成后，绕组中每条支路的串联匝数是被固定下来，在接线时，并联支路数越少就意味着每相绕组的串联支路数越多，那么每相绕组的总串联匝数就越多，因而电机的反电势系数和转矩系数就越大，在电机低速时(一般是大转矩加速启动阶段)选取并联支路数少的接线方式，就能升高电压和减小电流。因转速低，其电压仍能维持在控制器的电压极限内，但已达到了“升压降流”的目的。同理，并联支路数越多就意味着每相绕组的串联支路数越少，那么每相绕组的总串联匝数就越少，因而电机的反电势系数和转矩系数就越小，在电机高速时(一般是恒功率运行阶段)选取并联支路数多的接线方式，就能降低电压和增大电流，因高速时转矩较小，电流仍能维持在电机控制器的电流极限内，但已达到了“降压扩速”的目的。

本技术方案中的另一类实施例是，电机内单相绕组不同支路间的连接方式不能改变，但接线切换装置能调整电机与电机之间的连接方式。该类实施例中的驱动系统由两颗或两颗以上的电机联合驱动；每颗电机的引出线都连接在所述的接线切换装置上，该接线切换装置可切换电机间的接线方式，在电机由静止运行至最高速的过程中，电机间的接线方式至少改变一次，且高速段接线方式中并联的电机数目大于低速段接线方式中并联的电机数目。

例如用于电动汽车的双电机联合驱动系统，该系统中的两颗电机之间的接线方式有两种，分别为两颗电机串联和两颗电机并联。假设这两颗电机都是三相永磁同步电机，根据本技术方案，可将每颗电机每相绕组的进线端和出线端都引出电机本体，三相共有6个引出端，将两颗电机12个引出端都连接在所述的接线切换装置上，该接线切换装置可切换这两颗电机之间的接线方式。比如，电机由静止运行至最高速6000rpm的过程中，该接线切换装置在电机转速运行至3000rpm时执行切换动作，与此同时，这两颗电机间的接线方式发生改变，由两颗电机串联改为两颗电机并联，即在转速为0rpm到3000rpm区段接线方式中并联的电机数为1，在转速为3000rpm到6000rpm区段接线方式中并联的电机数为2。

上述实施例的机理是：控制器的总电流为单颗电机的电流与接线电路中并联支路数的乘积。在所有驱动电机之间的进行接线时，接线电路中串联电机数越多就意味着并联电机数就越少，在车辆大转矩加速阶段选取接线电路中并联电机数目较少的接线方式，虽单颗电机的电流较大，但因并联电机数目较少总电流并不大，这样就能降低控制器的总电流，达到降低控制器成本的目的。同理，接线电路中串联电机数目越少就意味着串联电路中的总电压(即控制器的输出电压)就越低，在车辆高速时(一般是恒功率运行阶段)选取接线电路中并联电机数目较多的接线方式，就能降低电路的总串联电压，使驱动电机可以运行于更高的速度，达到扩宽电机调速范围的目的。

本技术方案中接线切换装置的一种实施形式是，所述的接线切换装置中的电路开关受到电信号的控制，该电路开关可以是电磁铁、接触器、继电器、晶闸管、电力晶体管。所述的的电信号集成到电机控制器中，由电机控制器发出电控命令。在控制器中设定速度切换的区间，即设定触发点的速度数值，当电机运转到该转速触发点时，控制器便发出电信号给接线切换装置中的动作执行单元，通过开关的动作实现电路的切换。

本技术方案中接线切换装置的另一种实施例是，是该接线切换装置中的电路开关执行切换动作的原始驱动力为离心力，且电机转速越高该离心力就越大，电机转速的信息通过重块的离心力来体现出来。具体实施是，设计有可径向移动的重块安装在电机旋转部件上，并在电机旋转时产生离心力，该离心力传递给接线切换装置中电路开关，并驱动该电路开关执行切换动作，该离心力是接线切换动作执行的原动力。

本技术方案中的电机一般为永磁电机，使用变频器或PLC等控制器控制，适用于宽调速范围的驱动场合，尤其适用于低速恒功率运行高速恒转矩运行的驱动场合，比如新能源汽车的驱动。

本技术方案的有益效果是：能够减小低速(大转矩)时的电机电流，降低控制器中电子开关晶闸管容量，降低电机控制器成本；在电机高速时通过调整接线方式，降低高速时的电机电压，扩宽电机的调速范围，必要时不使用弱磁控制就能达到要求的调速范围，同时能减小电机发热。

附图说明

附图1是接线切换装置中动作执行机构的功能示意图

附图2是单相绕组接线切换开关的功能示意图

附图3是电机绕组与接线切换装置的示意图

附图4是两颗电机联合驱动系统的接线示意图

附图5是由控制器控制的接线切线执行机构功能示意图

附图6是由离心力驱动的接线切线执行机构功能示意图

图中标号：1、相绕组中的一条支路，2、相绕组的进线端，3、相绕组的出线端，4、接线切换装置的切换开关，5、接线切换装置，6、电机控制器，7、能径向移动的重块，8、连接重块和电机转轴的弹簧，9、电机转轴，10、离心力动作触发架，11、触发架拉力弹簧，11、触发架拉力弹簧上的滚轮，12、驱动电机，13、驱动电机的进线端，14、驱动电机的出线端。

具体实施方式

通过下面实施例的说明，将有助于理解本发明的技术实质和技术效果，但不能以实施例来限制本发明。

图2和图3是本技术方案中永磁电机的一个实施例，该电机每相有两条支路绕组1，图中虚线标示电流路线。见图2，相绕组两条支路绕组1的两个线端都与切换开关4，该切换开关4是接线切换装置中的动作执行机构。见图1和图2，在45度内旋转切换开关4，便可在两支路1串联和两支路1并联之间进行切换，其中两支路1串联接线时其并联支路数为1，两支路1并联接线时其并联支路数为2。见图3，电机三相绕组的切换开关构成了绕组切换装置5的核心部件。见图3，三相绕组的进线端2和出线端3都连接在电机控制器6，其中出线端3被短接在一起，即三相电机绕组星形接线。

图4是本技术方案中的另一个实施例，该驱动系统为双电机联合驱动。见图2，驱动电机12的每相绕组的两个线端都与切换开关4相连，该切换开关4是接线切换装置中的动作执行机构。见图1，在45度内旋转切换开关4，便可在两驱动电机12串联接线和两驱动电机12并联接线之间进行切换，其中，两驱动电机12串联接线时线电路中并联的电机数为1，两驱动电机12并联接线时接线电路中并联的电机数为2。电机三相绕组的切换开关构成了绕组切换装置5的核心部件。驱动电机12的进线端13和出线端14都连接在电机控制器6上，第1I颗电机的出线端14被短接在一起，即三相绕组星形接线。

图5是本技术方案接线切换装置5的一个实施例，其中切换开关4为电控型的开关，比如是接触器或继电器。该切换开关4的控制信号来自于电机控制器6。电机控制器6给相应的切换开关4同时发出电信号，切换开关4便同时切换电路，完成绕组接线方式的切换。与此同时，电机控制器6需刷新内部的电机参数设定，对该电机的运行继续进行控制。

图6是本技术方案接线切换装置5的另一个实施例，其中切换开关4为离心力驱动型的开关。可径向移动的重块7通过弹簧8固定在电机转轴9上。电机旋转时，重块7跟着旋转，随着转速的增加其离心力也增加，离心力便逐渐克服弹簧8的拉力使弹簧8伸长。当转速超过一定的速度时，重块便触动触发架10的上架，使其上架往上移动，与此同时，与触发架拉力弹簧11相连的滚轮12便滚过触发架10上的一个小凸峰到另一边的凹槽，于是拉力弹簧11便拉动触发架10，使其上架左移避开重块7，并使其下架右移挡住重块7往转轴9方向收缩。即重块7在远离转轴9的方向上不受触发架10的阻拦，而在靠近转轴9的方向上就会受到触发角10的下架的阻拦。这个触发过程完成前后，触发架10围绕自身的固定轴旋转大约45度。通过机械传动将触发架10与切换开关4联动，就能使切换开关4在触发架10旋转的同时也旋转45度，即实现电路的切换。同理，若电机转速由高速降低时，重块7的离心力减小，重块7在弹簧8的拉力下往电机转轴9方向收缩，当电机转速降到一定的速度时，重块7便会触发触发架10的下架，于是滚轮12便滚过触发架10上的凸峰到下面的凹槽，弹簧11便拉动触发角10，使其上架右移阻挡重块7往远离转轴9方向移动，并使其下架左移避开重块7。在这个过程中，触发架10又转回45度，同时切换开关4也转回45度，切回到低速时的接线方式。

以上所述之实施例只是本发明的几种实施例，发明人例举这些实施例，旨在说明本技术方案的实施方式，并非以此限制本发明的实施范围，比如，电机及电机绕组、切换开关、切线切换装置等都可以与上文中例举的实施例有所不同，故凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电机驱动系统，包括电机、电机控制器和接线切换装置，其特征是：

所述接线切换装置根据电机转速的变化切换电机引出线间的接线方式；

电机控制器通过线路与电机内部的绕组相连，并控制电机的运转；

接线切换装置与电机的引出线相连接；

接线切换装置内设有若干电路开关，通过切换或者通断开关执行切换动作，并且，该切换动作能够改变电机引出线之间的电路连接方式；

接线切换装置的切换动作是自动进行的，而且是可逆的；

接线切换装置是否执行切换动作由电机转速决定，电机由静止运行到最高速度的过程中，该接线切换装置至少执行一次切换动作；

接线切换装置每执行一次切换动作，控制器输出电压与电机转速的比值都发生改变，且电机低速段的控制器输出电压与电机转速的比值大于高速段的控制器输出电压与电机转速的比值。

2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征是：

所述电机的磁极数与槽数有1个以上的公约数，每相绕组有1条以上的支路，其磁极数与槽数有3个公约数，分别是1，2，4，每相绕组有4条支路；

每条绕组支路都引出电机本体，并连接在所述的接线切换装置上；所述接线切换装置可将磁极数为20槽数为72的三相电机的每相绕组由4条支路串联改为4条支路并联，即由并联支路数为1改为并联支路数为4；

在电机由静止运行至最高速的过程中，每相绕组支路间的接线方式至少切换一次，且高速段接线方式中的并联支路数大于低速段接线方式中的并联支路数。

3.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征是：

由两颗或两颗以上的电机共同驱动；

每颗电机的引出线都连接在所述的接线切换装置上，所述接线切换装置可将双电机联合驱动系统中的两颗电机由串联改为并联；

在电机由静止运行至最高速的过程中，电机间的接线方式至少改变一次，且高速段接线方式中并联的电机数目大于低速段接线方式中并联的电机数目。

4.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征是该接线切换装置中的电路开关受到电信号的控制，该电路开关可以是电磁铁、接触器、继电器、电力晶体管。

5.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征是该接线切换装置中的电路开关执行切换动作的原始驱动力为离心力，且电机转速越高该离心力就越大。

6.根据权利要求5所述的电机驱动系统，其特征是设有可径向移动的重块安装在电机旋转部件上，并在电机旋转时产生离心力，该离心力传递给接线切换装置中电路开关，并驱动该电路开关执行切换动作。

7.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征是所述的电机为永磁电机。

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