CN103973065A - 变结构马达及其切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种变结构马达及其切换方法，是透过依序切换该变结构马达上的多个开关，使该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构，或是由Δ接结构变换至Y接结构，并在变换过程可避免大振幅的突波电流产生，以及避免马达转速产生突升或突降的情形。

Description

变结构马达及其切换方法

技术领域

本发明是与马达有关，更详而言之是指一种变结构马达及其切换方法。

背景技术

由于全球能源危机不断发生，影响经济发展甚巨，因此，世界各国积极投入利用电能以取代燃油引擎的相关研究，造成电动车辆的研发再次受到重视，一些较知名的车厂也开始贩卖电动车辆，然而电动车辆仍无法普遍，其主要原因除了价格居高不下外，还碍于一些关键技术尚未解决，如电动车辆的续航力不足、效率不高、加速性不良及爬坡力欠佳...等等。

目前电动车所使用的动力马达，以永磁式无刷直流马达(BrushlessDC motor，BLDCM)为主，因其具有较高的转矩对转动惯量比及无永磁直流马达的缺点(例如：电刷磨耗、换向火花及热散路径过长)。为了电动车辆具舒适性与实用性以及扭力与速度的操控考量，马达一般经由机械式减速传动系统减速以增加转矩带动车轮，然而，机械式减速机构的效率不到70％，势将造成能量使用上的浪费。

典型车辆的车速对转矩动力特性如图1所示，而涵盖该曲线的典型永磁式无刷直流马达的T-N特性曲线亦显示于图1，其中，图1中的连续区为可长期运转而不致毁损的工作区；间歇区为马达仅可做短时间的操作，如启动、刹车的特殊工作。但，具备图1中的T-N特性曲线的无刷直流马达为非常大瓦特数，换言之，即高价格。由图1可知，马达在低速区的车轮转矩并不足以提供行车的车轮转矩要求，如此会降低车辆加速性，而在高速区的车轮转矩范围又超过实际所需，因此无法充分发挥马达性能。

无刷直流马达的转矩常数与反电动势常数会随内部线圈连接的方式不同而有所变化，对于具有相同线圈的无刷直流马达，Y型接线(简称Y接)和Δ型接线(简称Δ接)的T-N特性曲线如图2所示。Y接结构与Δ接结构在相同的线电压和线电流的条件下，Y接结构的相电压为Δ接相电压的58％；即，以Y接启动时，其启动电流仅为Δ接法的1/3倍，换言之，Y型接线的马达其转矩常数比较大，而Δ接线的马达反电动势常数比较小，可得较高的速度。

由此，遂有后续研发如图3所示的具有三相独立线圈的变结构马达5，可利用多个的开关S1～S6形成不同接法改变马达线圈结构，如Y接(如图4)和Δ接(如图5)，进而改变马达的等效转矩常数和反电动势常数，产生电子式两段变速效果法。即，低速利用Y接法，使相同的电流可产生大转矩，而高速时采用Δ接法使最大转速范围增大。

然而，当使用者透过同时切换该些开关S1～S6使马达5由Y接结构切换至Δ接结构时，会有大振幅的突波电流产生，此时容易烧毁电子开关，并易造成马达突然加速的不稳定状况。同样地，当使用者透过同时切换该些开关S1～S6使马达5由Δ接结构切换至Y接结构时，也会有大振幅的突波电流产生，而产生上述的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种变结构马达及其切换方法，可避免大振幅的突波电流产生，且更可避免马达转速突升或突降。除此之外，更可有效地减少功率晶体的数量，进而达到节省成本的目的。

缘以达成上述目的，本发明所提供变结构马达包含有一三相线圈组、一Y接切换模块以及一Δ接切换模块。其中，该三相线圈组具有一第一相线圈、一第二相线圈以及一第三相线圈，且所述相线圈分别具有一正端以及一负端；该Y接切换模块与该三相线圈组电性连接，且具有一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第五二极管、一第六二极管、以及一切换开关；其中，该第一二极管的正极与该第一相线圈的负端连接；该第二二极管的负极与该第一二极管的负极连接，而正极则与该第二相线圈的负端连接；该第三二极管的负极与该第二二极管的负极连接，而正极则与该第三相线圈的负端连接；该第四二极管的负极与该第一相线圈的负端连接；该第五二极管的负极与该第二相线圈的负端连接，而正极则与该第四二极管的正极连接；该第六二极管的负极与该第三相线圈的负端连接，而正极则与该第五二极管的正极连接；该切换开关的一端连接该第三二极管的负极，而另一端则连接该第六二极管的正极；该Δ接切换模块与该三相线圈组电性连接，且具有一第一开关组、一第二开关组、以及一第三开关组，且各该开关组分别包含有一第一端以及一第二端；其中，该第一开关组的第一端与该第一相线圈的正端连接，而第二端则与第二相线圈的负端连接；该第二开关组的第一端与该第二相线圈的正端连接，而第二端则与第三相线圈的负端连接；该第三开关组的第一端与该第三相线圈的正端连接，而第二端则与第一相线圈的负端连接。

由此，当该切换开关导通，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组断接时，该变结构马达呈Y接结构；而当该切换开关断接，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组导通时，该变结构马达呈Δ接结构。

依据上述构思，该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法包含有下列步骤：

A-1：于该第一相线圈与第二相线圈呈通电状态时，将该第三开关组导通；

A-2：于该第二相线圈与第三相线圈呈通电状态时，将该第二开关组导通；

A-3：于该第二相线圈与第三相线圈仍呈通电状态时，将该第一开关组导通，且将该切换开关断接，而使该变结构马达呈Δ接结构。

依据上述构思，该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法包含有下列步骤：

B-1：当该第一相线圈的相电流大于该第二相线圈的相电流时，将该第一开关组断接，且将该切换开关导通；

B-2：当该第一相线圈呈断路状态时，将该第二开关断接；

B-3：当该第三相线圈的线路呈断路状态时，将第三开关组断接，而使该变结构马达呈Y接结构。

本发明的有益效果：透过变结构马达及其切换方法的设计，便可避免大振幅的突波电流产生，并还可避免马达发生转速突升或突降的情形。除此之外，上述的结构中，更有效地减少功率晶体的数量，达到节省成本的目的。

附图说明

图1为转矩动力特性与无刷直流马达的T-N特性曲线图。

图2为Y型接线和Δ型接线的T-N特性曲线图。

图3为现有变结构马达的结构图。

图4为现有变结构马达的Y型接线图。

图5为现有变结构马达的Δ型接线图。

图6为本发明变结构马达与换流器的结构图。

图7为本发明电源的六步方波驱动波型图。

图8为本发明变结构马达的Y型接线图。

图9为本发明变结构马达的Δ型接线图。

图10与图11揭示由Y接变换至Δ接的结构变化。

图12与图13揭示由Δ接变换至Y接的结构变化。

主要元件符号说明

1变结构马达

10三相线圈组

U第一相线圈 V第二相线圈 W第三相线圈

20Y接切换模块

21第一二极管 22第二二极管 23第三二极管

24第四二极管 25第五二极管 26第六二极管

27切换开关

30Δ接切换模块

31第一开关组 32第二开关组 33第三开关处

2换流器

UT第一上臂开关 UB第一下臂开关

VT第二上臂开关 VB第二下臂开关

WT第三上臂开关 WB第三下臂开关

5变结构马达

U第一相线圈 V第二相线圈 W第三相线圈

S1第一开关 S2第二开关 S3第三开关

S4第四开关 S5第五开关 S6第六开关

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明，兹举较佳实施例并配合图示详细说明如后。

请参阅图6所示，本发明较佳实施例的该变结构马达1是一直流无刷马达(Brushless DC motor，BLDCM)，且与一变频器(Inverter)2连接。该变频器2包含有一第一上臂开关UT、一第一下臂开关UB、一第二上臂开关VT、一第二下臂开关VB、一第三上臂开关WT以及一第三下臂开关WB。其中，该第一上臂开关UT一端与该第一下臂开关UB一端电性连接后。该第二上臂开关VT一端与该第二下臂开关VB一端电性连接，且该第二上臂开关VT的另一端则与该第一上臂开关UT另一端电性连接，而该第二下臂开关VB的另一端与该第一下臂开关UB的另一端电性连接。该第三上臂开关WT一端与该第三下臂开关WB一端电性连接，且该第三上臂开关WT的另一端与该第一上臂开关UT另一端电性连接，而该第三下臂开关WB的另一端则与该第一下臂开关UB的另一端电性连接。另外，请参阅图7，于本实施例中，该变频器2用以供应该变结构马达1所需的预定频率的三相电信号，且该变频器依据该变结构马达1进行一次转动循环的360度电气角，区分为一第一区间I、第二区间II、第三区间III、第四区间IV、第五区间V、第六区间VI、第七区间VII、第八区间VIII、第九区间IX、第十区间X、第十一区间XI及第十二区间XII，并依据所述区间I～XII决定第一、第二及第三上、下臂开关UT、UB、VT、VB、WT、WB的导通或断接。本实施例中，电信号于高准位时表示导通，而低准位时则表示断接。

该变结构马达1包含有一三相线圈组10、一Y接切换模块20以及一Δ接切换模块30。其中：

该三相线圈组10具有一第一相线圈U、一第二相线圈V以及一第三相线圈W，且所述相线圈U、V、W分别具有一正端以及一负端，而所述相线圈U、V、W的正端则与该变频器2连接。更详而言之，该第一相线圈U的正端连接于该第一上臂开关UT以及该第一下臂开关UB之间。该第二相线圈V的正端连接于该第二上臂开关VT以及该第二下臂开关VB之间。该第三相线圈W的正端则连接于该第三上臂开关WT以及该第三下臂开关WB之间。

该Y接切换模块20与该三相线圈组10电性连接，且具有一第一二极管21、一第二二极管22、一第三二极管23、一第四二极管24、一第五二极管25、一第六二极管26、以及一切换开关27。其中，该第一二极管21的正极与该第一相线圈U的负端连接。该第二二极管22的负极与该第一二极管21的负极连接，而正极则与该第二相线圈V的负端连接。该第三二极管23的负极与该第二二极管22的负极连接，而正极则与该第三相线圈W的负端连接。该第四二极管24的负极与该第一相线圈U的负端连接。该第五二极管23的负极与该第二相线圈V的负端连接，而正极则与该第四二极管24的正极连接。该第六二极管26的负极与该第三相线圈W的负端连接，而正极则与该第五二极管25的正极连接。该切换开关27为一单向开关，其一端连接该第三二极管23的负极，而另一端则连接该第六二极管26的正负极。

该Δ接切换模块30与该三相线圈组10电性连接，且具有一第一开关组31、一第二开关组32、以及一第三开关组33，且所述开关组31、32、33分别具有一第一端+以及一第二端-。其中，该第一开关组31的第一端与该第一相线圈U的正端连接，而第二端则与第二相线圈V的负端连接；该第二开关组32的第一端与该第二相线圈V的正端连接，而第二端则与第三相线圈W的负端连接；该第三开关组33的第一端与该第三相线圈W的正端连接，而第二端则与第一相线圈U的负端连接，而各该开关组31、32、33包含有两个反向并联连接的单向开关，其中一单向开关用以导通或截断由该第一端流向该第二端的电信号，而另外一单向开关则用以导通或截断由该第二端流向该第一端的电信号。于本实施例中，上述的各该单向开关是以场效应晶体管(field effect transistor，FET)所组成的开关电路，当然在实际实施上，该单向开关亦可是绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、双极性晶体管(bipolar junction transistor，BJT)或其它功率晶体管所组成的电子开关电路。

由此，当该切换开关27导通，且该第一开关组31、第二开关组32以及第三开关组33断接时，该变结构马达1呈Y接结构(如图8)。而当该切换开关27断接，且该第一开关组31、第二开关组32以及第三开关组33导通时，该变结构马达1呈Δ接结构(如图9)。

如此一来，当该变结构马达1为Y接结构，并在Y接用电源的第一区间I接收到结构变换的指令，而由Y接结构变换至Δ接结构时，包含有下列转换步骤：

A-1：由图7可知，在第二区间II时，该第一上臂开关UT与该第二下臂开关VB导通。此时，该第一相线圈U与第二相线圈V呈通电的导通状态，且该第三相线圈W并不导通而呈断路状态，因此，利用此现象在第二区间II时，将该第三开关组33导通(如图10)。

A-2：由图7可知，在第五区间V时，该第二上臂开关VT与该第三下臂开关WB导通。此时，该第二相线圈V与第三相线圈W呈通电的导通状态，且该第一相线圈U并不导通而呈断路状态。此时，将该第二开关组32导通(如图11)，使该第二相线圈V与该第三相线圈W呈现Δ接状态，且依据合成力矩出力方向，仍可维持第五区间V的力矩需求。

A-3：由图7可知，在第六区间VI时，该第二上臂开关VT与该第三下臂开关WB仍呈导通，于该第二相线圈V与第三相线圈W仍呈通电的导通状态时，此时，将该第一开关组31导通，且将该切换开关27断接，而使该变结构马达呈Δ接结构(如图9)。

另外，当该变结构马达1为Δ接结构，并在Δ接用电源的第二区间II接收到结构变换的指令，而由Δ接结构变换至Y接结构时，包含有下列变换步骤：

B-1：由图7可知，在第三区间III时，该第一上臂开关UT与该第三下臂开关WB导通。此时，该第一相线圈U的相电流大于该第二相线圈V的相电流，将该第一开关组31断接，且将该切换开关27导通(如图12)。

B-2：由图7可知，在第六区间VI时，该第二上臂开关VT与该第三下臂开关WB导通。此时，该第一相线圈U呈断路状态，因此，利用此现象在第六区间VI时，将该第二开关32断接(如图13)，使该第二相线圈V与该第三相线圈W呈现Y接的状态。

B-3：由图7可知，在第七区间VII时，该第二上臂开关VT与该第一下臂开关UB导通，此时，该第三相线圈W的线路呈断路状态时，将第三开关组33断接，而使该变结构马达1呈Y接结构(如图8)。

如此一来，我们便可在该变结构马达1需要高扭矩时，先以Y接结构运转，当该变结构马达1的转速高于一预定转速后，而需要可提供高转速的设计时，将该变结构马达1由Y接结构变换至Δ接结构。另外，当该变结构马达1的转速逐渐降低至低于该预定转速时，而再度需要可提供高扭矩的设计时，将该变结构马达1由Δ接结构变换至Y接结构。

另外，我们还可设计在Y接结构变换至Δ接结构的转速、以及在Δ接结构变换至Y接结构的转速之间设置一迟滞区，以防止在切换点附近造成开关不断切换。换言之，当该变结构马达1的转速高于一第一预定转速时，该变结构马达1由Y接结构变换至Δ接结构；当该变结构马达1的转速低于一第二预定转速时，将该变结构马达1由Δ接结构变换至Y接结构，且上述的第二预定转速小于该第一预定转速。

是以，透过上述的设计，便可使该变结构马达由Y接结构切换至Δ接结构时的电流波形、以及由Δ接结构切换至Y接结构时，均未出现大振幅的突波电流，且可避免马达转速产生突升或突降的情形发生。另外，除上述优点外，现有变结构马达需要用到12颗的价格较为昂贵的晶体管做为开关电路的主要结构设计，但本发明的变结构马达仅须使用7颗晶体管，并再利用价格较为低廉的二极管来达到相同的电路需求。如此一来，透过上述的结构与方法的设计，还可大幅地降低制造成本的支出。必须说明的是，本发明供应电源予该变结构马达1的方式并不以上述方式为限，只要是能配合所述开关依序切换来达到变结构的其它驱动方式，亦应属本发明另外的实施态样。

以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及权利要求范围所为之等效结构及制作方法变化，理应包含在本发明的专利范围内。

Claims (11)

1.一种变结构马达，其特征在于，包含有：

一三相线圈组，具有一第一相线圈、一第二相线圈以及一第三相线圈，且所述相线圈分别具有一正端以及一负端；

一Y接切换模块，与该三相线圈组电性连接，且具有一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第五二极管、一第六二极管、以及一切换开关；其中，该第一二极管的正极与该第一相线圈的负端连接；该第二二极管的负极与该第一二极管的负极连接，而正极则与该第二相线圈的负端连接；该第三二极管的负极与该第二二极管的负极连接，而正极则与该第三相线圈的负端连接；该第四二极管的负极与该第一相线圈的负端连接；该第五二极管的负极与该第二相线圈的负端连接，而正极则与该第四二极管的正极连接；该第六二极管的负极与该第三相线圈的负端连接，而正极则与该第五二极管的正极连接；该切换开关的一端连接该第三二极管的负极，而另一端则连接该第六二极管的正极；以及

一Δ接切换模块，与该三相线圈组电性连接，且具有一第一开关组、一第二开关组、以及一第三开关组，且各该开关组分别包含有一第一端以及一第二端；其中，该第一开关组的第一端与该第一相线圈的正端连接，而第二端则与第二相线圈的负端连接；该第二开关组的第一端与该第二相线圈的正端连接，而第二端则与第三相线圈的负端连接；该第三开关组的第一端与该第三相线圈的正端连接，而第二端则与第一相线圈的负端连接。

2.如权利要求1所述变结构马达，其特征在于，该Δ接切换模块的各该开关组包含有两个反向并联连接的单向开关，其中一单向开关用以导通或截断由该第一端流向该第二端的电信号；另外一单向开关则用以导通或截断由该第二端流向该第一端的电信号。

3.如权利要求1所述变结构马达，其特征在于，该Y接切换模块的该切换开关为一单向开关，用以导通或截断由该第一二极管、该第二二极管、或该第三二极管的正极流向该第四二极管、该第五二极管、或该第六二极管的负极的电信号。

4.如权利要求2或3所述变结构马达，其特征在于，所述的单向开关是以场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、双极性晶体管或其它功率晶体管所组成的开关电路。

5.如权利要求1所述变结构马达，其特征在于，所述相线圈的正端与一变频器连接，该变频器用以产生一预定频率的三相电信号予该三相线圈组。

6.一种使用权利要求1所述的变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法，其特征在于，当该切换开关导通，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组断接时，该变结构马达呈Y接结构；而当该切换开关断接，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组导通时，该变结构马达呈Δ接结构；该方法包含有下列步骤：

A-1：该第一相线圈与第二相线圈呈通电状态时，将该第三开关组导通；

A-2：于该第二相线圈与第三相线圈呈通电状态时，将该第二开关组导通；

A-3：于该第二相线圈与第三相线圈仍呈通电状态时，将该第一开关组导通，且将该切换开关断接，而使该变结构马达呈Δ接结构。

7.如权利要求6所述变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法，其特征在于，当该变结构马达的转速高于一预定转速时，将该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构。

8.一种使用权利要求1所述的变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法，其特征在于，当该切换开关导通，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组断接时，该变结构马达呈Y接结构；而当该切换开关断接，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组导通时，该变结构马达呈Δ接结构；该方法包含有下列步骤：

B-1：当该第一相线圈的相电流大于该第二相线圈的相电流时，将该第一开关组断接，且将该切换开关导通；

B-2：当该第一相线圈呈断路状态时，将该第二开关断接；

B-3：当该第三相线圈的线路呈断路状态时，将第三开关组断接，而使该变结构马达呈Y接结构。

9.如权利要求8所述变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法，其特征在于，当该变结构马达的转速低于一预定转速时，将该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构。

10.一种使用权利要求1所述的变结构马达的结构变换方法，其特征在于，当该切换开关导通，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组断接时，该变结构马达呈Y接结构；而当该切换开关断接，且该第一开关组、第二开关组以及第三开关组导通时，该变结构马达呈Δ接结构；

该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法包含有下列步骤：

A-1：于该第一相线圈与第二相线圈呈通电状态时，将该第三开关组导通；

A-2：于该第二相线圈与第三相线圈呈通电状态时，将该第二开关组导通；

A-3：于该第二相线圈与第三相线圈仍呈通电状态时，将该第一开关组导通，且将该切换开关断接，而使该变结构马达呈Δ接结构；

该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法包含有下列步骤：

B-1：当该第一相线圈的相电流大于该第二相线圈的相电流时，将该第一开关组断接，且将该切换开关导通；

B-2：当该第一相线圈呈断路状态时，将该第二开关断接；

B-3：当该第三相线圈的线路呈断路状态时，将第三开关组断接，而使该变结构马达呈Y接结构。

11.一种如权利要求10所述的变结构马达的结构变换方法，其特征在于，当该变结构马达的转速高于一第一预定转速时，该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构；当该变结构马达的转速低于一第二预定转速时，将该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构；另，上述的第一预定转速大于该第二预定转速。