CN103107622A

CN103107622A - 可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成

Info

Publication number: CN103107622A
Application number: CN2011103597754A
Authority: CN
Inventors: 王世杰; 李元奎; 吴梅豪
Original assignee: JD Components Co Ltd
Current assignee: JD Components Co Ltd
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: CN103107622B

Abstract

一种可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，包含有：一第一绕组，分为一第一上半绕组以及一第一下半绕组且连接于一共接点；一第一开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第一绕组；一第二绕组，分为一第二上半绕组以及一第二下半绕组且连接于该共接点；一第二开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第二绕组；一第三绕组，分为一第三上半绕组以及一第三下半绕组且连接于该共接点；一第三开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第三绕组；以及一模式控制手段，是用以控制所述电力电子开关的开启或关闭，进而形成H型模式或Y型模式的驱动模式，达到切换输出状态的功效。

Description

可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成

技术领域

本发明是与马达的驱动技术有关，特别是指一种可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成。

背景技术

已知的马达绕组，如图9所示，其是以三个绕组AW、BW、CW以Y型方式连接，该三绕组分别对应为A相、B相及C相，并通过六个电力电子开关T1、T2、T3、T4、T5、T6的开启及关闭的状态来改变各该绕组上的电流，进而达到对三相马达的驱动目的。

然而，前述的Y型连接方式的马达绕组，如希望马达运转时具有较高空载转速，则其起动扭矩就较低，反之，如被驱动马达具有较高起动扭矩，就无法有太高的空载转速，因此马达可操作转速范围是受限的。

中国台湾公告第401923号专利揭露了一种可将绕组切换于串联或并联模式，而可在低转速需要高扭力时切换为串联模式，以达到大扭力输出，此外，在转速提高后需要提高极速范围时时即切换为并联模式，而可以提高转速范围。

此外，中国台湾公开第200538322号专利亦揭露了一种不同于前揭第401923号专利的技术，其是以一切换控制手段来控制各个开关，进而决定连接于马达的绕组匝数，由此同样可进行对马达驱动模式的改变。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其结构不同于先前技术，是通过控制各个开关的开启/关闭的状态来改变对马达的驱动方式，并增加工作转速范围。

为了达成前述目的，依据本发明所提供的一种可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，包含有：一第一绕组，分为一第一上半绕组以及一第一下半绕组，该第一上半绕组与该第一下半绕组是以一端相连接于一共接点；一第一开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第一绕组；一第二绕组，分为一第二上半绕组以及一第二下半绕组，该第二上半绕组与该第二下半绕组是以一端相连接于该共接点；一第二开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第二绕组；一第三绕组，分为一第三上半绕组以及一第三下半绕组，该第三上半绕组与该第三下半绕组是以一端相连接于该共接点；一第三开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第三绕组；以及一模式控制手段，是用以控制所述电力电子开关的开启或关闭，进而使该第一绕组、第二绕组以及第三绕组联合形成H型模式或Y型模式，进而达到切换输出状态的功效；该第一开关组、第二开关组以及第三开关组是电性连接于一电源以及一接地端。

附图说明

为了详细说明本发明的构造及特点所在，列举以下的较佳实施例并配合附图说明如后，其中：

图1是本发明一较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明一较佳实施例的操作示意图。

图3是本发明一较佳实施例的等效结构图，显示本发明在H型模式操作的状态。

图4是本发明一较佳实施例的操作示意图，显示在H型模式下以六步方波驱动时，各该绕组的电流方向。

图5是本发明一较佳实施例的操作示意图，显示在H型模式下以弦波驱动时的驱动结构。

图6是本发明一较佳实施例的另一等效结构图，显示本发明的部分电力电子开关配合各个上半绕组于Y型模式操作的状态。

图7是本发明一较佳实施例的又一等效结构图，显示本发明的部分电力电子开关配合各个下半绕组于Y型模式操作的状态。

图8是本发明一较佳实施例的示意图，显示马达的扭矩与转速的关系。

图9是已知马达绕组与电力电子开关的组合图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一较佳实施例所提供的一种可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成10，主要由一第一绕组AW、一第一开关组11、一第二绕组BW、一第二开关组21、一第三绕组CW、一第三开关组31以及一模式控制手段(图中未示)所组成，其中：

该第一绕组AW，分为一第一上半绕组AW1以及一第一下半绕组AW2，该第一上半绕组AW1与该第一下半绕组AW2是以一端相连接于一共接点P，且该第一上半绕组AW1与该第一下半绕组AW2是相对称，于本实施例中绕组的对称是指上半绕组与下半绕组的匝数相同为例，但匝数数量相近的状况亦为容许范围内，亦即，前述的对称并非以匝数相同为限制。

该第一开关组11，具有四电力电子开关，电性连接于该第一绕组AW。该第一开关组11的四个电力电子开关分别为第一、第二、第三及第四电力电子开关S1、S2、S3、S4。该第一电力电子开关S1与该第二电力电子开关S2是相串联，且二者均连接于该第一上半绕组AW1而呈Y型连接。该第三电力电子开关S3与该第四电力电子开关S4是相串联，且二者均连接于该第一下半绕组AW2而呈Y型连接。

该第二绕组BW，分为一第二上半绕组BW1以及一第二下半绕组BW2，该第二上半绕组BW1与该第二下半绕组BW2是以一端相连接于该共接点P，且该第二上半绕组BW1与该第二下半绕组BW2是相对称。此处的对称如同前述，并非以匝数相同为限制。

该第二开关组21，具有四电力电子开关，电性连接于该第二绕组BW。该第二开关组21的四个电力电子开关分别为第五、第六、第七及第八电力电子开关S5、S6、S7、S8。该第五电力电子开关S5与该第六电力电子开关S6是相串联，且二者均连接于该第二上半绕组BW1而呈Y型连接。该第七电力电子开关S7与该第八电力电子开关S8是相串联，且二者均连接于该第二下半绕组BW2而呈Y型连接。

该第三绕组CW，分为一第三上半绕组CW1以及一第三下半绕组CW2，该第三上半绕组CW1与该第三下半绕组CW2是以一端相连接于该共接点P，且该第三上半绕组CW1与该第三下半绕组CW2是相对称。此处的对称如同前述，并非以匝数相同为限制。

该第三开关组31，具有四电力电子开关，电性连接于该第三绕组CW。该第三开关组31的四个电力电子开关分别为第九、第十、第十一及第十二电力电子开关S9、S10、S11、S12。该第九电力电子开关S9与该第十电力电子开关S10是相串联，且二者均连接于该第三上半绕组CW1而呈Y型连接。该第十一电力电子开关S11与该第十二电力电子开关S12是相串联，且二者均连接于该第三下半绕组CW2而呈Y型连接。

该模式控制手段，是用以控制所述电力电子开关的开启或关闭，进而使该第一绕组AW、第二绕组BW以及第三绕组CW联合形成H型模式或Y型模式，进而达到切换输出状态的功效。于本实施例中，是使该第一开关组11、第二开关组21及第三开关组31中的各个电力电子开关S1-S12之间产生同步动作或互补动作。前述的同步动作是指同步开启或同步关闭，互补动作是指一者关闭时另一者即开启。此外，各该电力电子开关S1-S12在开启时，是以脉冲宽度调变(PWM)来控制各该电力电子开关S1-S12，并进而使该第一绕组AW、第二绕组BW以及第三绕组CW联合形成H型模式或Y型模式。

该第一开关组11、第二开关组21以及第三开关组31是电性连接于一电源VCC以及一接地端GND。

欲使该第一绕组AW、第二绕组BW以及第三绕组CW联合形成为H型模式时：

该模式控制手段中关于同步动作的状态为：该第一电力电子开关S1与该第四电力电子开关S4同步动作，该第二电力电子开关S2与该第三电力电子开关S3同步动作，该第五电力电子开关S5与该第八电力电子开关S8同步动作，该第六电力电子开关S6与该第七电力电子开关S7同步动作，该第九电力电子开关S9与该第十二电力电子开关S12同步动作，该第十电力电子开关S10与该第十一电力电子开关S11同步动作。

该模式控制手段中关于互补动作的状态为：该第一电力电子开关S1与该第二电力电子开关S2互补动作，该第三电力电子开关S3与该第四电力电子开关S4互补动作，该第五电力电子开关S5与该第六电力电子开关 S6互补动作，该第七电力电子开关S7与该第八电力电子开关S8互补动作，该第九电力电子开关S9与该第十电力电子开关S10互补动作，该第十一电力电子开关S11与该第十二电力电子开关S12互补动作。

此外，该模式控制手段还包含了：分别控制该第一开关组11、第二开关组21以及第三开关组31的端电压或电压调变率。

通过上述的模式控制手段，即可使该第一绕组AW、第二绕组BW以及第三绕组CW联合形成为H型模式，并以H型模式来驱动马达。

在H型模式中，通过该第一、第二及第三上半绕组AW1、BW1、CW1分别对称于该第一、第二及第三下半绕组AW2、BW2、CW2的关系，使得各该绕组由该共接点P流至其它绕组的电流为零(i＝0)，其状态如图2所示。因此该共接点P的共接关系即可忽略，进而视为如图3所示的H型模式。

欲使该第一绕组AW、第二绕组BW以及第三绕组CW联合形成为Y型模式时：

该模式控制手段中关于同步动作及互补动作是与前述H型模式的动作方式相同。

然而，该模式控制手段并不分别控制该第一开关组11、第二开关组21以及第三开关组31的端电压或电压调变率，而是以已知的磁场导向控制(Field Oriented Control，FOC)的技术来控制各该电力电子开关S1-S12的脉冲宽度调变状态。

通过上述的模式控制手段，即可使该第一绕组AW、第二绕组BW以及第三绕组CW联合形成Y型模式来驱动马达；其中，通过前述的互补动作，可使得各该上半绕组有电流流至其它上半绕组，或可使得各该上半绕组有电流流至其它下半绕组，进而视为Y型模式，此Y型模式的操作方式在稍后会配合附图说明。

在配合装设马达时，是将该第一绕组AW、该第二绕组BW以及该第三绕组CW分别装设于一马达的各个定子槽中，而该马达的定子槽数量必须为3的倍数，以配合三个上半绕组或三个下半绕组的数量。

此外，于本实施例中，进行脉冲宽度调变时是采用弦波驱动方式或方波驱动方式的其中一种。在以方波驱动时，可以采用六步方波驱动方式，在以弦波驱动时，可以采用正弦脉冲宽度调变(Sinusoidal PWM，SPWM)或空间向量脉冲宽度调变(Space Vector PWM，SVPWM)的方式。

下述表1即举例说明了以六步方波驱动各该电力电子开关时的驱动方式，此种驱动方式可以用于H型模式来驱动马达。

表1

状态

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

S10

S11

S12

状态5

PWM

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

状态1

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

状态3

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

状态2

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

PWM

状态6

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

PWM

状态4

PWM

OFF

PWM

OFF

PWM

OFF

上述表1中，S1为第一电力电子开关，S2为第二电力电子开关，…依此类推。PWM代表电力电子开关开启而进行脉冲宽度调变，OFF代表电力电子开关关闭。

以该第一绕组AW为A相，该第二绕组BW为B相以及该第三绕组CW为C相时，上述表1的驱动方式即显示于第4图，其中a、b、c分别代表第一绕组、第二绕组以及第三绕组，而图中的箭头则代表电流方向，由此即可控制各该开关组11、21、31的端电压。

图5是举例说明以弦波驱动各该开关组11、21、31的驱动结构，此种驱动方式可以用于H型模式来驱动马达。

其中，图5中的各个组件符号所对应的意义示于下述表2中。

表2

L_a	a相自感
		M	马达互感
R_a	a相电阻
		V_a	a相端电压

[0048]

I	相电流峰值
		ω_e	马达电气角速度
K_ea	a相马达感应电动势常数
		i_a ^*	a相电流命令
i_a	a相电流
		ω	马达机械角速度

由于一般而言马达互感(M)很小，可以解偶，故同理可推出ib及ic的控制方块图，其中：

i_a ^*＝Isinω_et

i_b ^*＝Isin(ω_et-120°)

i_c ^*＝Isin(ω_et-240°)

至此可知，以图5中所示的弦波驱动方式，可控制各该开关组11、21、31的电压调变率，进而个别的得出A相或B相或C相的相电流，达到了弦波驱动H型模式的效果。

当欲控制于Y型模式时，是利用已知的磁场导向控制(Field OrientedControl，FOC)的技术来控制各该电力电子开关的脉冲宽度调变状态。在第一、第二、第五、第六、第九及第十电力电子开关S1、S2、S5、S6、S9、S10的结构下，所形成的Y型模式即如图6所示。而在第三、第四、第七、第八、第十一及第十二电力电子开关S3、S4、S7、S8、S11、S12的结构下，所形成的Y型模式即如图7所示。由于磁场导向控制(FOC)技术是属已知技术，容不赘述。

图8所示的，即为马达的扭矩与转速的关系图，其中，以H型模式驱动马达时，其曲线是如X线所示，适用于高扭力低转速的状况；而以Y型模式驱动马达时，其曲线则如Y线所示，适用于低扭力高转速的状态。因此可知，以该X线与Y线的交叉点Z做为H型模式及Y型模式的切换点，即可在转速高于该交叉点Z时切换为Y型模式驱动，而在转速低于该交叉点Z时改切换为H型模式驱动，进而提高了马达的驱动效率和工作转速范围。

由上可知，本发明的结构不同于先前技术，且是通过控制各个开关的开启/关闭的状态来改变对马达的驱动方式。

Claims

1.一种可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，包含有：

一第一绕组，分为一第一上半绕组以及一第一下半绕组，该第一上半绕组与该第一下半绕组以一端相连接于一共接点；

一第一开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第一绕组；

一第二绕组，分为一第二上半绕组以及一第二下半绕组，该第二上半绕组与该第二下半绕组以一端相连接于该共接点；

一第二开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第二绕组；

一第三绕组，分为一第三上半绕组以及一第三下半绕组，该第三上半绕组与该第三下半绕组以一端相连接于该共接点；

一第三开关组，具有四电力电子开关，电性连接于该第三绕组；以及

一模式控制手段，用以控制所述电力电子开关的开启或关闭，进而使该第一绕组、第二绕组以及第三绕组联合形成H型模式或Y型模式，进而达到切换输出状态的功效；

该第一开关组、第二开关组以及第三开关组电性连接于一电源以及一接地端。

2.依据权利要求1所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：该第一开关组的四电力电子开关分别为第一、第二、第三及第四电力电子开关，该第二开关组的四电力电子开关分别为第五、第六、第七及第八电力电子开关，该第三开关组的四电力电子开关分别为第九、第十、第十一及第十二电力电子开关；该第一电力电子开关与该第二电力电子开关相串联，且二者均连接于该第一上半绕组而呈Y型连接；该第三电力电子开关与该第四电力电子开关相串联，且二者均连接于该第一下半绕组而呈Y型连接；该第五电力电子开关与该第六电力电子开关相串联，且二者均连接于该第二上半绕组而呈Y型连接；该第七电力电子开关与该第八电力电子开关相串联，且二者均连接于该第二下半绕组而呈Y型连接；该第九电力电子开关与该第十电力电子开关相串联，且二者均连接于该第三上半绕组而呈Y型连接；该第十一电力电子开关与该第十二电力电子开关相串联，且二者均连接于该第三下半绕组而呈Y型连接。

3.依据权利要求2所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：该模式控制手段为：使该第一开关组、第二开关组以及第三开关组中的各个电力电子开关之间产生同步动作或互补动作；前述的同步动作指同步关闭或同步开启，互补动作指一者关闭时另一者即进行开启。

4.依据权利要求3所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：该模式控制手段中，各该电力电子开关开启时，以脉冲宽度调变来控制各该电力电子开关，并进而使该第一绕组、第二绕组以及第三绕组联合形成H型模式或Y型模式。

5.依据权利要求4所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：使该第一绕组、第二绕组以及第三绕组联合形成Y型模式时，利用磁场导向控制技术来控制各该电力电子开关的脉冲宽度调变状态；使该第一绕组、第二绕组以及第三绕组联合形成H型模式时，分别控制该第一开关组、第二开关组以及第三开关组的端电压或电压调变率。

6.依据权利要求1所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：该第一上半绕组、该第一下半绕组、该第二上半绕组、该第二下半绕组、该第三上半绕组及该第三下半绕组所配合安装的马达定子槽数为3的倍数。

7.依据权利要求6所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：进行脉冲宽度调变时采用弦波驱动方式或方波驱动方式的其中一种。

8.依据权利要求1所述的可供切换输出状态的马达绕组与电力电子开关的组合总成，其中：该第一上半绕组与该第一下半绕组相对称，该第二上半绕组与该第二下半绕组相对称，该第三上半绕组与该第三下半绕组相对称。