CN105576870A - 一种永磁无刷电机裂相式绕组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷电机裂相式绕组及其控制方法，属于电机机械本体与控制交叉结合的技术领域。本发明裂相式绕组对每极每相槽数大于等于2的整数槽绕组裂相，并通过多次逐相抽取电机每相分布线圈中的一组线圈形成，将不少于2个逆变器分别接入相同数量各自独立的多套电机绕组，各个逆变器可依照一定规则各自控制独立的各套电机绕组，实现控制和算法的灵活性，同时实现电机绕组断路或短路时的容错运行；在所述的控制电流条件下，进入到转子的谐波分量大幅度降低。

Description

一种永磁无刷电机裂相式绕组及其控制方法

技术领域

本发明公开了一种永磁无刷电机裂相式绕组及其控制方法，属于电机机械本体与控制交叉结合的技术领域。

背景技术

目前广泛使用的交流同步电机或异步电机，一般只有一套星形连接或三角形连接的电机绕组，电机绕组内部可以为一条或多条支路，当电机绕组由于高温、化学腐蚀、异物进入或绝缘老化等原因发生局部短路或断路情况时，电机为故障状态，多数情况下出力大幅下降，甚至发生严重事故。单套绕组电气连接的电机一般不能确保具备降低要求的出力，难以保证故障状态下最低限度的任务要求。

现有的多套独立绕组电机多采用以下方法实现容错运行：一、多个电机定子铁心(含绕组)共用一个转子，电机铁心在电机轴向分开；二、多套独立绕组共用一个定子铁心，但是多套绕组的位置布局和绕制方法确保绕组之间相互不耦合；三、使用开关磁阻电动机，多套绕组并联或者串联，实现电机容错运行。

但是，采用多个电机定子铁心(含绕组)共用一个转子方式，由于多个定子铁心各自独立，绕组端部连接线空间占用较多电机轴向尺寸，电机功率密度大幅降低。

以往的单定子多绕组容错电机，尽管其形式多种多样，但是从本质上说，其多套绕组的位置布局和绕制方法是要确保绕组之间相互不耦合或少耦合，由此电机需要提供更多的齿部和轭部空间提供各自独立的磁路，为实现容错运行，需要大幅增加电机的体积和重量。

已有报道的单定子多绕组容错电机，每极每相槽数为分数且转子极数较多，以正弦波驱动控制，不能达到绕组空间分裂后独立控制的效果，在特定应用尤其是高速电机应用中具有局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种永磁无刷电机裂相式绕组及其控制方法，裂相式绕组对每极每相槽数大于等于2的整数槽绕组裂相，并通过多次逐相抽取电机每相分布线圈中的一组线圈形成，实现了多套电机绕组的独立控制，采用本发明公开的裂相式绕组的永磁无刷电机可灵活适应特定应用尤其是高速电机应用，解决了现有永磁无刷电机谐波损耗较大的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种永磁无刷电机裂相式绕组，相数为M、极数为P且每极每相槽数为N的电机包含有按照双层整距分布的M×P×N只线圈，每对极同一相槽中嵌有的N个线圈组沿圆周均匀分布组成一相裂相式绕组，共有M相包含N个线圈组的裂相式绕组，每一个线圈组由串联的P只线圈组成，各线圈组之间电气绝缘且相互之间相差的机械角度，从每一相圆周对称对应位置上取出的一个线圈组构成一套独立绕组，共有N套包含M×P个线圈的独立绕组，所述N套独立绕组安装于同一台M相P极永磁无刷电机内部并共用同一个定子铁心和同一个转子，每一套独立绕组中各线圈组头为该套独立绕组的引出端，M、N、P均为大于或等于2的整数。

作为所述一种永磁无刷电机裂相式绕组的进一步优化方案，在M＝3时：P＝2且N＝4，或者，P＝2且N＝3，或者，P＝2且N＝2，或者，P＝4且N＝4，或者，P＝4且N＝3，或者，P＝4且N＝2。

进一步的，所述一种永磁无刷电机裂相式绕组的每一套独立绕组中，各线圈组电气连接方式为：每一套独立绕组中各线圈组尾星形连接。

进一步的，所述一种永磁无刷电机裂相式绕组的每一套独立绕组中，各线圈组电气连接方式为：每一套独立绕组中各线圈组三角形连接。

永磁无刷电机裂相式绕组的控制方法，包括如下步骤：

A、为每套独立绕组配一台M相全桥逆变器，每一套独立绕组的引出端与对应M相全桥逆变器的桥臂中点按照标示相同原则依次逐一电气连接；

B、在一个电周期内向每套独立绕组中每相通入120°电角度的方波电流，每隔60°电角度换向一次，且三相方波电流相位互差120°电角度，各套独立绕组的对应相的电流波形逐次错开的电角度为机械角度对应的电角度，Q为电机槽数。

作为所述永磁无刷电机裂相式绕组的控制方法的进一步优化方案，N个全桥逆变器的输入侧直流电源并联运行或者独立运行。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：裂相式绕组对每极每相槽数大于等于2的整数槽绕组裂相，并通过多次逐相抽取电机每相分布线圈中的一组线圈形成，将多个(不少于2个)逆变器分别接入相同数量各自独立的多套电机绕组，各个逆变器可依照一定规则各自控制独立的各套电机绕组，实现控制和算法的灵活性，同时实现电机绕组断路或短路时的容错运行；在所述的控制电流条件下，进入到转子的谐波分量大幅度降低。

附图说明

图1是M＝3且N＝4、P＝2的电机绕组布置方式以及逆变器接线示意图；

图2是M＝3且N＝3、P＝2的电机绕组布置方式以及逆变器接线示意图；

图3是M＝3且N＝2、P＝2的电机绕组布置方式以及逆变器接线示意图；

图中标号说明：1为线圈，2为导线，3为逆变器，4为直流电源。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

相数为M、极数为P且每极每相槽数为N的电机如图1至图3所示，包含有按照双层整距分布的M×P×N只线圈1，每对极同一相槽中嵌有的N个线圈组沿圆周均匀分布组成一相裂相式绕组，共有M相包含N个线圈组的裂相式绕组，每一个线圈组由串联的P只线圈组成，各线圈组之间电气绝缘且相互之间相差的机械角度，从每一相圆周对称对应位置上取出的一个线圈组构成一套独立绕组，共有N套包含M×P个线圈的独立绕组，N套独立绕组安装于同一台M相P极永磁无刷电机内部并共用同一个定子铁心和同一个转子，每一套独立绕组中各线圈组头为该套独立绕组的引出端，M、N、P均为大于或等于2的整数。每一套独立绕组引出端经导线2与对应逆变器3的桥臂中点按照标示相同原则依次逐一电气连接，N个逆变器3的输入侧直流电源4并联运行或者独立运行。

这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1中的上半部分导线引出端A1/A2/A3/A4/B1/B2/B3/B4/C1/C2/C3/C4与下半部分导线引出端A1/B1/C1/A2/B2/C2/A3/B3/C3/A4/B4/C4/按照标示相同原则依次逐一电气连接；图2中的上半部分导线引出端A1/A2/A3/B1/B2/B3/C1/C2/C3与下半部分导线引出端A1/B1/C1/A2/B2/C2/A3/B3/C3按照标示相同原则依次逐一电气连接；图3中的上半部分导线引出端A1/A2/B1/B2/C1/C2与下半部分导线引出端A1/B1/C1/A2/B2/C2按照标示相同原则依次逐一电气连接。

图1所示为一种由4套绕组和4台逆变器组成的系统结构，包括4套电机绕组和4台逆变器，M＝3且N＝4、P＝2。电机每相包括4组电机线圈，3相×4组线圈共12组线圈安装于同一台电机内部，共用一个电机定子铁心，共用同一个转子；从电机每相依次取出1组线圈，共取出3组线圈，即取出图1中的A1-X1/B1-Y1/C1-Z1三组线圈，X1/Y1/Z1引出端电气短路，由此，所述三组线圈组成一套完整的星形连接的电机绕组。在对称位置依次进行第2次线圈取出后，即取出A2-X2/B2-Y2/C2-Z2三组线圈，X2/Y2/Z2引出端电气短路，产生第2套绕组，顺次取出A3-X3/B3-Y3/C3-Z3三组线圈，X3/Y3/Z3引出端电气短路，产生第3套绕组，顺次取出A4-X4/B4-Y4/C4-Z4，X4/Y4/Z4引出端电气短路，产生第4套绕组，4套电机绕组沿着圆周均布对称排列。电机每相引出4根导线，A相引出端为A1/A2/A3/A4，B相引出端为B1/B2/B3/B4，C相引出端为C1/C2/C3/C4，3相电机绕组共引出3×4＝12根导线；电机包括4台逆变器，逆变器为3相全桥逆变器，从单台逆变器3个桥臂中点引出3根导线，这三根导线的引出端分别为A1/B1/C1(第1台逆变器)、A2/B2/C2(第2台逆变器)、A3/B3/C3(第3台逆变器)、A4/B4/C4(第4台逆变器)，4台逆变器一共引出4×3＝12根导线；逆变器引出的4×3＝12根导线的引出端与电机3×4＝12根导线引出端全部交叉逐一连接，即图1中上半部分导线引出端A1/A2/A3/A4/B1/B2/B3/B4/C1/C2/C3/C4与下半部分的导线引出端A1/B1/C1/A2/B2/C2/A3/B3/C3/A4/B4/C4/按照标示相同原则依次逐一电气连接，其连接规律为：每只逆变器的3根引出导线分散后依次分别连接到电机3相，连接到电机3相的引出线互差Q＝120°(Q等于360°除以3)机械角度；多套绕组均使用直流无刷电机一个周期内每相120°电角度方波驱动且相与相之间互差120°电角度的控制方式，4套绕组的控制电压波形在时间上依次错开α＝15°(α＝360°除以电机槽数24)机械角度对应的电角度。

图2所示为一种由3套绕组和3台逆变器组成的系统结构，包括3套电机绕组和3台逆变器，M＝3且N＝3、P＝2。电机每相包括3组电机线圈，3相×3组线圈共9组线圈安装于同一台电机内部，共用一个电机定子铁心，共用同一个转子；从电机每相依次取出1组线圈，共取出3组线圈，即取出图2中的A1-X1/B1-Y1/C1-Z1三组线圈，X1/Y1/Z1引出端电气短路，由此，三组线圈组成一套完整的星形连接的电机绕组。在对称位置依次进行第2次线圈取出后，即取出A2-X2/B2-Y2/C2-Z2三组线圈，X2/Y2/Z2引出端电气短路，产生第2套绕组，顺次取出A3-X3/B3-Y3/C3-Z3三组线圈，X3/Y3/Z3引出端电气短路，产生第3套绕组，3套电机绕组沿着圆周均布对称排列。电机每相引出3根导线，A相引出端为A1/A2/A3，B相引出端为B1/B2/B3，C相引出端为C1/C2/C3，3相电机绕组共引出3×3＝9根导线；电机包括3台逆变器，逆变器为3相全桥逆变器，从单台逆变器3个桥臂中点引出3根导线，这三根导线的引出端分别为A1/B1/C1(第1台逆变器)、A2/B2/C2(第2台逆变器)、A3/B3/C3(第3台逆变器)，3台逆变器一共引出3×3＝9根导线；逆变器引出的3×3＝9根导线的引出端与电机3×3＝9根导线引出端全部交叉逐一连接，即图2中上半部分的导线引出端A1/A2/A3/B1/B2/B3/C1/C2/C3与下半部分中的导线引出端A1/B1/C1/A2/B2/C2/A3/B3/C3按照标示相同原则依次逐一电气连接，其连接规律为：每只逆变器的3根引出导线分散后依次分别连接到电机3相，连接到电机3相的引出线互差Q＝120°(Q等于360°除以3)机械角度；多套绕组均使用直流无刷电机一个周期内每相120°电角度方波驱动且相与相之间互差120°电角度的控制方式，3套绕组的控制电压波形在时间上依次错开α＝20°(α＝360°除以电机槽数18)机械角度对应的电角度。

图3所示为一种由2套绕组和2台逆变器组成的系统结构，包括2套电机绕组和2台逆变器，M＝3且N＝2、P＝2。电机每相包括2组电机线圈，3相×2组线圈共6组线圈安装于同一台电机内部，共用一个电机定子铁心，共用同一个转子；从电机每相依次取出1组线圈，共取出3组线圈，即取出图3中的A1-X1/B1-Y1/C1-Z1三组线圈，X1/Y1/Z1引出端电气短路，由此，三组线圈组成一套完整的星形连接的电机绕组。在对称位置依次进行第2次线圈取出后，即取出A2-X2/B2-Y2/C2-Z2三组线圈，X2/Y2/Z2引出端电气短路，产生第2套绕组，2套电机绕组沿着圆周均布对称排列。电机每相引出2根导线，A相引出端为A1/A2，B相引出端为B1/B2，C相引出端为C1/C2，3相电机绕组共引出3×2＝6根导线；电机包括2台逆变器，逆变器为3相全桥逆变器，从单台逆变器3个桥臂中点引出3根导线，这三根导线的引出端分别为A1/B1/C1(第1台逆变器)、A2/B2/C2(第2台逆变器)，2台逆变器一共引出2×3＝6根导线；逆变器引出的2×3＝6根导线的引出端与电机3×2＝6根导线引出端全部交叉逐一连接，即图3中上半部分的导线引出端A1/A2/B1/B2/C1/C2与图3中下半部分的导线引出端A1/B1/C1/A2/B2/C2按照标示相同原则依次逐一电气连接，其连接规律为：每只逆变器的3根引出导线分散后依次分别连接到电机3相，连接到电机3相的引出线互差Q＝120°(Q等于360°除以3)机械角度；多套绕组均使用直流无刷电机一个周期内每相120°电角度方波驱动且相与相之间互差120°电角度的控制方式，2套绕组的控制电压波形在时间上错开α＝30°(α＝360°除以电机槽数12)机械角度对应的电角度。

逆变器的输入侧直流电源可以并联运行，也可以独立运行。

采用方波永磁无刷直流电机三相六拍制换相，每套绕组中的每相一个电周期通入120°电角度的方波电流，每隔60°电角度换向一次，且三相电流互差120°电角度，各套绕组控制电压波形逐次错开的电角度与360°/Q机械角度相对应，电角度等于机械角度乘以P再除以2，Q为电机槽数。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种永磁无刷电机裂相式绕组，其特征在于：相数为M、极数为P且每极每相槽数为N的电机包含有按照双层整距分布的M×P×N只线圈，每对极同一相槽中嵌有的N个线圈组沿圆周均匀分布组成一相裂相式绕组，共有M相包含N个线圈组的裂相式绕组，每一个线圈组由串联的P只线圈组成，各线圈组之间电气绝缘且相互之间相差的机械角度，从每一相圆周对称对应位置上取出的一个线圈组构成一套独立绕组，共有N套包含M×P个线圈的独立绕组，所述N套独立绕组安装于同一台M相P极永磁无刷电机内部并共用同一个定子铁心和同一个转子，每一套独立绕组中各线圈组头为该套独立绕组的引出端，M、N、P均为大于或等于2的整数。

2.根据权利要求1所述一种永磁无刷电机裂相式绕组，其特征在于，在M＝3时：P＝2且N＝4，或者，P＝2且N＝3，或者，P＝2且N＝2，或者，P＝4且N＝4，或者，P＝4且N＝3，或者，P＝4且N＝2。

3.根据权利要求1或2所述的一种永磁无刷电机裂相式绕组，其特征在于：所述每一套独立绕组中，各线圈组电气连接方式为：每一套独立绕组中各线圈组尾星形连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种永磁无刷电机裂相式绕组，其特征在于：所述每一套独立绕组中，各线圈组电气连接方式为：每一套独立绕组中各线圈组三角形连接。

5.根据权利要求1或2所述永磁无刷电机裂相式绕组的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、为每套独立绕组配一台M相全桥逆变器，每一套独立绕组的引出端与对应M相全桥逆变器的桥臂中点按照标示相同原则依次逐一电气连接；

B、在一个电周期内向每套独立绕组中每相通入120°电角度的方波电流，每隔60°电角度换向一次，且三相方波电流相位互差120°电角度，各套独立绕组的对应相的电流波形逐次错开的电角度为机械角度对应的电角度，Q为电机槽数。

6.根据权利要求5所述永磁无刷电机裂相式绕组的控制方法，其特征在于，N个全桥逆变器的输入侧直流电源并联运行或者独立运行。