CN105553345A

CN105553345A - 一种永磁电机线圈切换调速方法

Info

Publication number: CN105553345A
Application number: CN201610074145.5A
Authority: CN
Inventors: 鲁方春; 丁洪涛; 陈世将
Original assignee: Whirlpool China Co Ltd
Current assignee: Whirlpool China Co Ltd
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2016-05-04

Abstract

本发明涉及一种永磁电机线圈切换调速方法，包括以下步骤：在电机驱动器与电机之间加入切换电路，所述切换电路包括多个切换开关；将电机定子线圈引出多个抽头与所述切换开关相连，通过切换开关改变绕组连接方式后将三相电传给电机，所述绕组连接方式包括星形连接和三角形连接，所述星形连接和三角形连接分别包括由多个定子线圈串联或并联或串并联结合构成的低速档和高速档，所述高速档通过在所述低速档的基础上增加每组并联支路数构成。本发明可独立有级调速，也可以基于变频、调压、弱磁等调速方法基础上实现更大调速范围的无级调速。使得永磁电机在满足更宽调速范围的同时，减小了永磁电机的体积，从而大大降低了电机的生产成本。

Description

一种永磁电机线圈切换调速方法

技术领域

本发明涉及电机调速技术领域，具体涉及一种永磁电机线圈切换调速方法。

背景技术

随着经济社会的日益发展和科技水平的逐渐提高，调速电机的应用领域越来越广泛，对调速电机的调速范围要求也越来越高。同时对降低电机体积、重量及成本的要求也越来越高，要求电机能在一定体积、重量及成本的条件下，实现更宽的调速范围。

在洗衣机领域，洗衣机在洗涤的时候转速低，力矩大，脱水的时候转速高，力矩小。在设计时，要满足低速电机输出力矩要求，就要提高电机的力矩系数；高速时，输入电压限制，须降低电机的反电势系数。而电机的反电势系数与力矩系数又是成正比关系，需改变电机本身特性才能满足调速要求。

由于调速电机的广泛应用，各行业领域对调速电机的调速范围也越来越高。目前电机行业广泛应用的调压调速、变频调速、弱磁调速等方法为我们提供了较宽的调速需求。但是针对于以上几种调速方法应用受限制的情况，仍不能满足调速范围，所以我们就需要一种调速范围更宽的调速方法或者一种能够联合以上几种调速方法同时进行并拓宽调速范围的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁电机线圈切换调速方法，拓宽了调速范围，使得洗衣机电机在相同转速、力矩要求的情况下可以做得更小、更轻。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种永磁电机线圈切换调速方法，包括以下步骤：在电机驱动器与电机之间加入切换电路，所述切换电路包括多个切换开关；将电机定子线圈引出多个抽头与所述切换开关相连，通过切换开关改变绕组连接方式后将三相电传给电机，所述绕组连接方式包括星形连接和三角形连接，所述星形连接和三角形连接分别包括由多个定子线圈串联或并联或串并联结合构成的低速档和高速档，所述高速档通过在所述低速档的基础上增加每组并联支路数构成。

所述电机定子线圈平均分为三组，所述切换开关包括单控开关和双控开关，相邻组线圈之间设有一单控开关，每组线圈均通过一双控开关与另外两组线圈相连。

所述定子线圈平均分为三组，所述星形连接或三角形连接通过三组线圈连接构成，低速档时，每组线圈采用相互串联构成，高速档时，每组线圈采用并联或串并联相结合连接构成

由上述技术方案可知，本发明所述永磁电机线圈切换调速方法，可独立有级调速，也可以基于变频、调压、弱磁等调速方法基础上实现更大调速范围的无级调速。使得永磁电机在满足更宽调速范围的同时，减小了永磁电机的体积，从而大大降低了电机的生产成本。

附图说明

图1是本发明低速档时的仿真特性曲线图；

图2是本发明高速档时的仿真特性曲线图；

图3是本发明的切换控制框图；

图4是本发明实施例中低速档向高速档切换时示意图；

图5是本发明实施实例的切换开关切换为低速档时的控制电路图；

图6是本发明实施实例的切换开关切换为高速档时的控制电路图；

图7是本发明定子线圈为12时的星形连接方式中低速时的连接示意图；

图8是本发明定子线圈为12时的星形连接方式中高速时的一种连接示意图；

图9是本发明定子线圈为12时的星形连接方式中高速时的另一种连接示意图；

图10是本发明定子线圈为12时的三角形连接方式中低速时的连接示意图；

图11是本发明定子线圈为12时的三角形连接方式中高速时的一种连接示意图；

图12是本发明定子线圈为12时的三角形连接方式中高速时的另一种连接示意图。

图13是本发明的实施例同步永磁电机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1～13所示，本实施例的永磁电机线圈切换调速方法，在电机驱动器与电机之间加入切换电路，所述切换电路由多个切换开关组成；将电机定子线圈引出多个抽头与所述切换开关相连，通过切换开关改变绕组连接方式后将三相电传给电机，所述绕组连接方式包括星形连接和三角形连接，所述星形连接和三角形连接分别包括由多个定子线圈串联或并联或串并联结合构成的低速档和高速档，所述高速档通过在所述低速档的基础上增加每组并联支路数构成。在本实施例中，所述星形连接和三角形连接包括由多个定子线圈串联构成的低速档以及由多个定子线圈并联构成的高速档。

为实现上述目的，本发明首先从基本物理学原理进行了分析。根据法拉第定律,电动势E＝dψ/dt,即磁通量随时间的变化率,而ψ＝nBS(n是线圈串联匝数；S是磁通量通过闭合线圈的面积)。

若导线在dt时间内垂直于导线的位移为dD,则闭合回路的一部分导线切割磁感线时,E＝d(BS)/dt＝BdS/dt＝Bd(LD)/dt＝BLdD/dt＝BLV，得到公式(1)。同理，根据安培力公式可得到公式(2)。

E＝nBLV(1)

F＝nBIL(2)

上述公式中：E：相反电动势，即导体切割磁力线所产生的电压；n：线圈串联匝数；B：磁场强度；L：导体长度；V：导体切割磁力线的速度；F：带电导体在磁场中所受的力；I：导体中所通过的电流。

从公式(1)可以看出，电机运行速度V在n、B、L这三个物理参数不变的情况下，受电压限制。但要提高输出力矩，须增大n、B、I、L四个参数。

本发明所述串、并联绕组切换的方法，是通过降低定子线圈串联匝数n，来扩大转速范围。且降低串联匝数，增加并联支路数，可增大电机可承受的最大相电流，不影响电机输出力矩要求。

星形连接——三角形连接切换，则是从两种连接线电压与线电流的不同来作转速调整。

星形连接：

U_{L} = \sqrt{3} U_{P}; I_{L} = I_{P}

三角形连接：

U_{L} = U_{P}; I_{L} = \sqrt{3} I_{P}

上述公式中，UL：线电压；UP：相电压；IL：线电流；IP：相电流。三角形连接比星形连接电压需求下降倍，也能起到串、并联绕组切换同要的效果。且线电流增大倍，相电流不会变，不影响电机负载能力。

每相电枢绕组由多个定子线圈串联或并联组成，对于一个齿槽配合已确定的电机，定子线圈的总个数是相同的。但不同的并联支路数会产生不同的机械特性，且三相的连接方式不同也会产生不同的机械特性。如图1、图2所示，在电机设计其它参数(齿数、槽数、单个线圈匝数、线径等)不变，仅改变并联支路数时仿真得到不同的机械特性曲线。

常规调速电机的电枢绕组连接方式是固定不可变的，要实现本发明所述线圈切换调速，就需要做到在运行过程中进行绕组切换。

在不同的转速范围，设计不同的电枢绕组连接方式。在本实施例中，设电机共12个定子线圈，第一步，分三组，每组4个定子线圈。低速档，并联支路数为1,4个定子线圈采用串联接法构成的三角形或星形的连接方式，如图7和图10；高速档，并联支路数为2，4个定子线圈采用两两串联再并联的接法构成的三角形或星形的连接方式，如图8和图11，本实施例中，可再增加其调速范围，即在高速档时，可采用4个定子线圈并联连接构成的星形连接方式或三角形连接方式如图9和图12。在低速档采用调压、变频调速，当电压达到上限，便切换到高速档，如图4所示。切换到高速档之后，反电势降为低速档的1/2，前期调速仍采用调压变频调速，后期随着转速升高，电压达到上限，采用弱磁、变频调速。

第二步，作调速电机结构设计，根据第一步设计的多种电枢绕组连接方式，确定调速电机的绕线方式及需要引出的抽头数量。在本实施例中，电机共12个定子线圈，24个连接头。实现并联支路数为1到2的切换，只需引出9个抽头。如图5、图6所示，引出头①到⑨。

第三步，引出接线头并将引出线汇总引出。在本实施例中，运用了PCB板以焊接的方式将连接头汇总到一起。

第四步，连接至控制切换电路，实现电枢绕组连接方式的切换。通过控制电路，当电机工作状态需要不同转矩和转速要求时，控制电路按预先设计好的程序切换成所需的连接方式。

本实施例总切换框图如图3所示，在电机驱动器与电机之间加入了切换电路。电机驱动器提供三相电U、V、W到切换电路，切换电路通过开关切换改变电枢绕组连接方式后将三相电传给电机。本实施例电枢绕组连接方式从并联支路数为1切换到并联支路数为2，切换原理及步骤如下：

低速档，如图5所示，控制开关S1、S2、S3与2号触头闭合，控制开关S4、S5断开，此时电枢绕组并联支路数为1，电枢绕组连接方式见图4(a)。

高速档，如图6所示，控制开关S1、S2、S3与1号触头闭合，控制开关S4、S5闭合，此时电枢绕组并联支路数为2，电枢绕组连接方式见图4(b)。

在切换控制电路中，当电机需要从低速运行调整到高速运行状态或电机需要从高速运行调整到低速运行状态时，通过改变5个开关的闭合状态切换电枢绕组的连接方式，实现调速功能。

本实施例中，电枢绕组有12个定子线圈，引出线抽头数量为9个。在低速状态转入高速状态运行过程中，进行了图4所示，两种状态的切换。对于不同电机的电枢绕组，定子线圈个数不同，电枢绕组连接方式也有很多种。但只要是设计电机时可实现的电枢绕组连接方式，应用本发明所述调速方法，均可以在多种连接方式间进行切换。同时定子线圈引出头的数量根据需要切换的连接方式而定，不一定每个定子线圈都有引出线，如本实施例所述切换电路设计的引出线抽头数量为9个。

综上所述，先按转速范围要求设计电枢绕组连接方式，确定绕组切换方案并设计切换控制电路，确定抽头位置及数量。然后进行电机结构设计，将抽头引出至控制电路。最后配合驱动器进行绕组切换，实现电机宽范围调速。在本实施例中，仅采取了星形连接的并联支路数为1到2的切换，若是其它不同并联支路数之间的切换，切换原理及实施步骤与上述步骤相同。星形连接与三角形连接之间切换的具体实施步骤也与所述步骤相同，仅改变的反电势比例不同，因此调速比例不同。例如，如图8和图11所示，若星形向三角形进行切换，则可认为星形为低速状态，三角形为高速状态，设低速速度为V1，高速为V2。因三角形连接比星形连接电压需求降低倍，加相同电压，便有得到图8连接方式电机转速是图11连接方式的倍，从而实现了电机换挡调速。

图13是本发明的实施例同步永磁电机的结构示意图，图中，21为后端盖，22为引出线，23为定子，24为转子，25为后端盖。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种永磁电机线圈切换调速方法，其特征在于：包括以下步骤：在电机驱动器与电机之间加入切换电路，所述切换电路包括多个切换开关；将电机定子线圈引出多个抽头与所述切换开关相连，通过切换开关改变绕组连接方式后将三相电传给电机，所述绕组连接方式包括星形连接和三角形连接，所述星形连接和三角形连接分别包括由多个定子线圈串联或并联或串并联结合构成的低速档和高速档，所述高速档通过在所述低速档的基础上增加每组并联支路数构成。

2.根据权利要求1所述的永磁电机线圈切换调速方法，其特征在于：所述电机定子线圈平均分为三组，所述切换开关包括单控开关和双控开关，相邻组线圈之间设有一单控开关，每组线圈均通过一双控开关与另外两组线圈相连。

3.根据权利要求1所述的永磁电机线圈切换调速方法，其特征在于：所述定子线圈平均分为三组，所述星形连接或三角形连接通过三组线圈连接构成，低速档时，每组线圈采用相互串联构成，高速档时，每组线圈采用并联或串并联相结合连接构成。