CN106685305A - 三模式电机及其控制方法 - Google Patents

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李世明
付明竹
张江豪
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    • H02P25/188—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays wherein the motor windings are switched from series to parallel or vice versa to control speed or torque

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Abstract

本发明揭示了一种三模式电机，所述电机为三相永磁电机，所述电机设有采用星形接线方式连接三相电源的三相绕组，所述三相绕组的每一相绕组单元均由四个匝数相同的绕组构成，当电机以低速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互串联，当电机以中速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组两两串联后相互并联，每相构成两个星形中心点，当电机以高速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互并联，每相构成四个星形中心点。本电机不同的转速匹配不同的状态，在电机的低速段和高速段效率明显提升，低速起步效率提升，扭矩加大，也允许看门狗重启，对控制器的技术可靠性要求明显降低。

Description

三模式电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及调速电机领域。
背景技术
电动汽车的驱动电机，要求电机在0转速到最高转速全程高效和高可靠。采用机械齿轮变速的方式匹配电机的转速和效率区，结构复杂机械变速成本高。流行的电机控制算法提速的方式，即电机设计额定转速比较低，高速采用弱磁提速的方法，似乎完美解决了电动汽车电机的要求，因此得到大量推广。随着电动汽车的不断发展，产量的提升和车速的不断提高，弱磁控制电机缺点逐渐明显，高速运转时效率急剧下降，高速电耗甚至超过低速时段的一倍，应用此电机的电动汽车低速性能很好，高速续驶里程减小很多，影响电动汽车的高速运行性能。而且该方案对控制电路的可靠性要求极高，不允许CPU看门狗重启。高速段运转时有一瞬间的失控必然导致扭矩异常的自动发电问题，产生突然拖拽的问题，有安全隐患。过度依赖控制技术，决定了该技术很难进一步大批量推广应用和降低成本。
双绕组双速电机方案：先前有人把电机的每一相绕组设计成双绕组，绕组串联满足低速运行工况，绕组并联匹配高速工况，结构有所改进。性能和可靠性明显提升，但仍然不能全部满足电动汽车的全工况要求。
现有弱磁控制技术的永磁同步电机存在下列问题：
1、高转速效率低的问题；
2、高速可能产生异常拖拽的问题；
3、不允许控制器看门狗电路触发启动的问题和对控制器可靠性要求太高的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种结构简单，调节精度高的电机调节控制电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：三模式电机，所述电机为三相永磁电机，所述电机设有采用星形接线方式连接三相电源的三相绕组，所述三相绕组的每一相绕组单元均由四个匝数相同的绕组构成，当电机以低速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互串联，当电机以中速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组两两串联后相互并联，构成两个星形中心点，当电机以高速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互并联，构成四个星形中心点。
电机设有九个三相接触器；
其中接触器R1、接触器R4、接触器R7依次串联，所述接触器R1输入端连接三相电源，所述接触器R7输出端为星形中心点，所述接触器R4输入端设有U3、V3、W3接线端，所述接触器R7输入端设有U2、V2、W2接线端；
其中接触器R2、接触器R5、接触器R8依次串联，所述接触器R2输入端连接三相电源，所述接触器R8输出端为星形中心点，所述接触器R2输入端设有U1、V1、W1接线端，所述接触器R5输入端设有U5、V5、W5接线端，所述接触器R8输入端设有U4、V4、W4接线端；
其中接触器R3、接触器R6、接触器R9依次串联，所述接触器R3输入端连接三相电源，所述接触器R9输出端为星形中心点，所述接触器R6输入端设有U7、V7、W7接线端，所述接触器R9输入端设有U6、V6、W6接线端；
所述电机U相绕组中绕组u1两端分别连接U1接线端和U2接线端，绕组u2两端分别连接U3接线端和U4接线端，绕组u3两端分别连接U5接线端和U6接线端，绕组u4一端连接U7接线端，另一端为星形中心点；
所述电机V相绕组中绕组v1两端分别连接V1接线端和V2接线端，绕组v2两端分别连接V3接线端和V4接线端，绕组v3两端分别连接V5接线端和V6接线端，绕组v4一端连接V7接线端，另一端为星形中心点；
所述电机W相绕组中绕组w1两端分别连接W1接线端和W2接线端，绕组w2两端分别连接W3接线端和W4接线端，绕组w3两端分别连接W5接线端和W6接线端，绕组w4一端连接W7接线端，另一端为星形中心点。
每一相绕组单元的四个绕组感应电压波形和相位角相同。
基于所述三模式电机的模式控制方法：
启动低速模式时，闭合接触器R4、接触器R5、接触器R6，其他接触器断开，各相绕组串联；
启动中速模式时，闭合接触器R1、接触器R3、接触器R4、接触器R7，其他接触器断开，各相绕组两串联两并联；
启动高速模式时，闭合接触器R1、接触器R2、接触器R3、接触器R7、接触器R8、接触器R9，其他接触器断开，各相绕组并联。
本发明在双绕组技术基础上，把电机的每一个相位线圈绕组设计成4个绕组，根据电机转速切换4个绕组的不同连接方式，低速时段采用4个绕组全串联的形式，提高电机的扭矩，转速提高后，控制线圈绕组2串联再并联的形式，适合于适当的扭矩和功率，转速段效率最高；转速再提高时4个绕组全并联控制，此时高速高功率效率最高，而不需要弱磁电流带来的不必要热损耗。由于控制线圈切换的过程不是一个频繁的过程，CPU也就可以看门狗触发重启，确保具有安全可靠的最后一道防线。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为电机绕组引线结构图；
图2为低速模式接触器状态示意图；
图3为中速模式绕组接线图；
图4为中速模式接触器状态示意图；
图5为高速模式绕组接线图；
图6为高速模式接触器状态示意图；
图7为电机不同模式工作效率示意图；
具体实施方式
本发明的三模式电机采用三相永磁电机，并改成四绕组电机，电机设计每一相位绕组，设计成4个匝数相同的绕组，即同一相位四个绕组的匝数相同，同一相位的四个绕组感应电压波形和相位相同。
三模式电机采用星形接线方式连接三相电源的三相绕组，三相绕组的每一相绕组单元均由四个匝数相同的绕组构成，当电机以低速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互串联，当电机以中速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组两两串联后相互并联，每相构成两个星形中心点，当电机以高速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互并联，每相构成四个星形中心点。
具体接线电路如图1-6所示，电机设有九个三相接触器，分别为接触器R1、接触器R2、接触器R3、接触器R4、接触器R5、接触器R6、接触器R7、接触器R8、接触器R9。
如图2、4、6所示，其中接触器R1、接触器R4、接触器R7依次串联，接触器R1输入端连接三相电源，接触器R7输出端为星形中心点，接触器R4输入端设有U3、V3、W3接线端，接触器R7输入端设有U2、V2、W2接线端；
如图2、4、6所示，其中接触器R2、接触器R5、接触器R8依次串联，接触器R2输入端连接三相电源，接触器R8输出端为星形中心点，接触器R2输入端设有U1、V1、W1接线端，接触器R5输入端设有U5、V5、W5接线端，接触器R8输入端设有U4、V4、W4接线端；
如图2、4、6所示，其中接触器R3、接触器R6、接触器R9依次串联，接触器R3输入端连接三相电源，接触器R9输出端为星形中心点，接触器R6输入端设有U7、V7、W7接线端，接触器R9输入端设有U6、V6、W6接线端；
如图1、3、5所示，电机U相绕组中绕组u1两端分别连接U1接线端和U2接线端，绕组u2两端分别连接U3接线端和U4接线端，绕组u3两端分别连接U5接线端和U6接线端，绕组u4一端连接U7接线端，另一端为星形中心点；
如图1、3、5所示，电机V相绕组中绕组v1两端分别连接V1接线端和V2接线端，绕组v2两端分别连接V3接线端和V4接线端，绕组v3两端分别连接V5接线端和V6接线端，绕组v4一端连接V7接线端，另一端为星形中心点；
如图1、3、5所示，电机W相绕组中绕组w1两端分别连接W1接线端和W2接线端，绕组w2两端分别连接W3接线端和W4接线端，绕组w3两端分别连接W5接线端和W6接线端，绕组w4一端连接W7接线端，另一端为星形中心点。
如图1、2所示，低速：起步到1/4最高转速：采用各相4个绕组串联；如图3、4所示，中速：1/4最高转速到1/2最高转速：采用各相绕组两并联再串联的形式；如图5、6所示，高速：1/2最高转速以上:采用各相绕组两并联再串联的形式。
基于上述三模式电机的调速方法：
如图2所示，启动低速模式时，闭合接触器R4、接触器R5、接触器R6，其他接触器断开，绕组接线如图1所示；
如图4所示，启动中速模式时，闭合接触器R1、接触器R3、接触器R4、接触器R7，其他接触器断开，绕组接线如图3所示；
如图6所示，启动高速模式时，闭合接触器R1、接触器R2、接触器R3、接触器R7、接触器R8、接触器R9，其他接触器断开，绕组接线如图5所示。
本发明电机改成四绕组电机可以解决上述问题，高速段效率提升，效率图见附图7，不同的转速匹配不同的状态，在电机的低速段和高速段效率明显提升。低速起步效率提升，扭矩加大。也允许看门狗重启，对控制器的技术可靠性要求明显降低。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.三模式电机，所述电机为三相永磁电机，所述电机设有采用星形接线方式连接三相电源的三相绕组，其特征在于：所述三相绕组的每一相绕组单元均由四个匝数相同的绕组构成，当电机以低速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互串联，当电机以中速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组两两串联后相互并联，每相构成两个星形中心点，当电机以高速模式运转时，每一相绕组单元的四个绕组相互并联，每相构成四个星形中心点。
2.根据权利要求1所述的三模式电机，其特征在于：电机设有九个三相接触器；
其中接触器R1、接触器R4、接触器R7依次串联，所述接触器R1输入端连接三相电源，所述接触器R7输出端为星形中心点，所述接触器R4输入端设有U3、V3、W3接线端，所述接触器R7输入端设有U2、V2、W2接线端；
其中接触器R2、接触器R5、接触器R8依次串联，所述接触器R2输入端连接三相电源，所述接触器R8输出端为星形中心点，所述接触器R2输入端设有U1、V1、W1接线端，所述接触器R5输入端设有U5、V5、W5接线端，所述接触器R8输入端设有U4、V4、W4接线端；
其中接触器R3、接触器R6、接触器R9依次串联，所述接触器R3输入端连接三相电源，所述接触器R9输出端为星形中心点，所述接触器R6输入端设有U7、V7、W7接线端，所述接触器R9输入端设有U6、V6、W6接线端；
所述电机U相绕组中绕组u1两端分别连接U1接线端和U2接线端，绕组u2两端分别连接U3接线端和U4接线端，绕组u3两端分别连接U5接线端和U6接线端，绕组u4一端连接U7接线端，另一端为星形中心点；
所述电机V相绕组中绕组v1两端分别连接V1接线端和V2接线端，绕组v2两端分别连接V3接线端和V4接线端，绕组v3两端分别连接V5接线端和V6接线端，绕组v4一端连接V7接线端，另一端为星形中心点；
所述电机W相绕组中绕组w1两端分别连接W1接线端和W2接线端，绕组w2两端分别连接W3接线端和W4接线端，绕组w3两端分别连接W5接线端和W6接线端，绕组w4一端连接W7接线端，另一端为星形中心点。
3.根据权利要求1或2所述的三模式电机，其特征在于：每一相绕组单元的四个绕组感应电压波形和相位相同。
4.基于权利要求2中所述三模式电机的控制方法，其特征在于：
启动低速模式时，闭合接触器R4、接触器R5、接触器R6，其他接触器断开；
启动中速模式时，闭合接触器R1、接触器R3、接触器R4、接触器R7，其他接触器断开；
启动高速模式时，闭合接触器R1、接触器R2、接触器R3、接触器R7、接触器R8、接触器R9，其他接触器断开。
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