CN106787338A - 绕组分套式多相电机及其控制方法 - Google Patents

绕组分套式多相电机及其控制方法 Download PDF

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绕组分套式多相电机及其控制方法，属于多相电机结构及控制技术领域。本发明是为了解决传统结构电机在低速和轻载工作区效率较低和容错运行能力不足的问题。电机包括三套电枢绕组，每套电枢绕组包括m相绕组，三套电枢绕组的相应相绕组在定子铁芯上依次相间隔缠绕；三套电枢绕组分别为高速绕组、中速绕组和低速绕组，三套电枢绕组的额定功率相同，额定转速不同；三套电枢绕组的中性点各自独立引出；控制方法通过主控制器和三个子控制器对电机进行控制，三个子控制器分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器，对应控制高速绕组、中速绕组和低速绕组的工作状态，使电机在效率最优状态下带动负载旋转。本发明为一种新型电机结构及其控制。

Description

绕组分套式多相电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及绕组分套式多相电机及其控制方法，属于多相电机结构及控制技术领域。
背景技术
现有电驱动和电推进系统中常采用三相、六相、十二相或十五相电机，其所有绕组设计一致，电机额定工作点唯一确定，电机在额定点附近效率较高，但在低速和轻载工作区效率相对较低，在低速和轻载工作时间较长的应用场合不能充分发挥电驱动和电推进系统的优势。
发明内容
本发明目的是为了解决传统结构电机在低速和轻载工作区效率较低和容错运行能力不足的问题，提供了一种绕组分套式多相电机及其控制方法。
本发明所述绕组分套式多相电机，它包括三套电枢绕组，三套电枢绕组设置在定子铁芯上；每套电枢绕组包括m相绕组，m为大于或者等于3的整数；三套电枢绕组的相应相绕组在定子铁芯上依次相间隔缠绕；
三套电枢绕组分别为高速绕组、中速绕组和低速绕组，三套电枢绕组的额定功率相同，额定转速不同；三套电枢绕组的中性点各自独立引出。
一种绕组分套式多相电机的控制方法，它基于所述的绕组分套式多相电机实现，所述控制方法通过主控制器和三个子控制器对电机进行控制，三个子控制器分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器，对应控制高速绕组、中速绕组和低速绕组的工作状态；
主控制器检测负载的动力需求，根据负载的转速和转矩需求分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器分配转速和转矩指令，三个子控制器再对对应的电枢绕组分配电流指令，使电机在效率最优状态下带动负载旋转；主控制器内预置电机工作区内三套电枢绕组的效率最优转矩分配信息。
本发明的优点：本发明提出了一种不对称单元多相电机结构，这种结构在改善电机在低速和轻载区的效率特性，提高电机在容错状态下输出能力和动态响应特性方面具有极大的优势。
本发明提出的电机结构具有三套额定转速不同的绕组，额定转速不同通过改变每套绕组的匝数和线径达到设计目标，既可以扩大电机转速范围，又可以提高电机在低速工作区的效率，且具有容错运行的能力；本发明中电机绕组由三套独立的绕组构成，三套绕组在输出功率需求较高时可以同时工作，输出功率较低时只保留额定转速与工作转矩最接近的绕组工作，绕组并非一直处于工作状态，因此绕组的无故障工作时间可以延长；三套电枢绕组的时间常数不同，与绕组完全相同的设计方案相比，存在一套绕组的时间常数较小，因此在遇到扰动时响应速度更快的优势。
本发明所述控制方法的主控制器根据负载的转速和转矩需求为每套电枢绕组分配最优转矩，它可以根据负载需求使三套电枢绕组同时工作，也可以只有两套或者一套电枢绕组工作，实现了电机的控制目标为效率最优。
附图说明
图1是本发明所述绕组分套式多相电机的结构示意图；图中5为永磁体，6为转子铁芯；
图2是每套电枢绕组包括5相绕组时，以其中一套为例，电机的外部接线图；
图3是本发明所述绕组分套式多相电机的控制方法的总体控制流程图；
图4是本发明控制方法的具体控制过程流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述绕组分套式多相电机，它包括三套电枢绕组，三套电枢绕组设置在定子铁芯上；每套电枢绕组包括m相绕组，m为大于或者等于3的整数；三套电枢绕组的相应相绕组在定子铁芯4上依次相间隔缠绕；
三套电枢绕组分别为高速绕组1、中速绕组2和低速绕组3，三套电枢绕组的额定功率相同，额定转速不同；三套电枢绕组的中性点各自独立引出。
每套电枢绕组的m相绕组采用星形接法，其中每相绕组绕圈的正极引出接电源，负极连接在一起作为中性点。
每套电枢绕组中每相绕组的线圈匝数和额定转速成反比，线圈线径与额定电流成正比。
所述多相电机为内转子结构或者外转子结构。
每一相绕组采用分数槽集中绕组。
每套电枢绕组的电流有效值与匝数的乘积均相同。
工作原理：电机的绕组电压与线圈匝数和转速成正比，功率为转矩与角速度的乘积，在相同额定电压和功率下，高速绕组的额定转速最高，因此相应的其额定转矩最低而电流最大，因而其每相绕组串联线圈匝数最少且线径最大，中速绕组和低速绕组的每相绕组串联线圈匝数依次增加但线径依次减小；保证绕组的匝数和额定转速成反比关系，相应的，线圈截面积与匝数成反比，从而保证每相绕组所占的槽面积一致。
现有技术中，电机在额定点附近效率最高，但在低速、轻载工作时，电机的铁耗在总损耗中所占比例较高且难以降低；高速时在电压无法继续提高的情况下必须在电枢绕组中通入较高的励磁电流以减弱气隙磁场，使电机的铜耗急剧增加，因此电机的低速轻载和高速区的效率都会有明显的下降。而本发明的电机结构在低速区可以在主控制器的控制下切除高速绕组，有效降低电机的铁耗，且高速绕组不再产生铜耗，虽然工作的低速绕组和中速绕组中的铜耗有所增加，但在转矩较低时增加的铜耗小于切除高速绕组所减少的铁耗和铜耗，使低速区的效率提高。在高速区电机可以切除低速绕组和中速绕组，而高速绕组由于额定转速较高，所需的电枢励磁电流较小，高速绕组中因转矩增加而造成的铜耗增加小于低速和中速绕组工作所需的励磁电流带来的铜耗，因此电机在高速区的效率也得到提高。
下面结合附图和一种十五相电机结构，对本实施方式进一步说明：
图2所示，以一套电枢绕组为例，五相绕组采用星形接法，每相绕组线圈的正极A1、B1、C1、D1、E1引出接电源，负极则接在一起作为中性点N1。同理，其余两套电枢绕组的线圈正极A2，B2，C2，D2，E2和A3，B3，C3，D3，E3独立引出接电源，而负极作为各自的中性点N2，N3。三套绕组的中性点并不短接在一起，而是各自独立引出。
本发明所述的不等匝数绕组结构在电机运行过程中，不同相绕组之间会产生不对称的互感及磁场耦合，因此宜采用分数槽集中绕组，使不同相绕组之间电磁隔离性更好，降低不同相绕组之间的互感耦合系数，从而降低绕组间的互感。在电机使用过程中，尽量保持各套绕组的电流有效值与匝数的乘积相同，使得各套绕组产生的定子磁势相同，电机的铜耗和铁耗均匀分布在各套绕组和定子齿中，使电机的性能达到最优的状态。
具体实施方式二：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述绕组分套式多相电机的控制方法，它基于所述的绕组分套式多相电机实现，如图3所示，所述控制方法通过主控制器和三个子控制器对电机进行控制，三个子控制器分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器，对应控制高速绕组1、中速绕组2和低速绕组3的工作状态；
主控制器检测负载的动力需求，根据负载的转速和转矩需求分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器分配转速和转矩指令，三个子控制器再对对应的电枢绕组分配电流指令，使电机在效率最优状态下带动负载旋转；主控制器内预置电机工作区内三套电枢绕组的效率最优转矩分配信息。
电机运行时的效率最优控制过程如附图4。所述控制方法具体为：在主控制器中预置电机在不同状态下的效率特性信息，包括三套电枢绕组全工作区效率最优的转矩分配、两套电枢绕组运行效率最优的转矩分配及各单套电枢绕组的运行效率；
主控制器实时监测三套电枢绕组的健康状态，并监测负载的动力需求，然后将负载的动力需求转化为电机的转速和转矩需求；
当主控制器检测三套电枢绕组都处于健康状态时，根据预置的效率特性信息，进行动力分配计算，并为三套电枢绕组分配最优的转矩和电流指令并通过对应的子控制器传送指令；
由于电机具有三套具备独立的容错运行的能力的五相绕组，因此本发明电机具有切除故障绕组和切除整套绕组两种容错运行方式。当主控制器检测到某套电枢绕组处于故障状态时，首先计算负载的动力需求是否在正常运行的电枢绕组的工作区之内，若是，则切除故障相所在的整套绕组，在健康状态的两套绕组汇总根据正常运行的电枢绕组的效率特性信息，进行转矩分配计算，并通过相应的子控制器传送指令；否则，只切除故障电枢绕组的故障相，将该套绕组中正常运行的电枢绕组相重构，再按照效率特性信息分配最优的转矩和电流指令并通过对应的子控制器传送指令。
本发明以具有三套绕组的电机为例进行了说明，在实际应用中，电机的绕组也可以分为两套、四套、五套或者更多套。

Claims (8)

1.一种绕组分套式多相电机，其特征在于，它包括三套电枢绕组，三套电枢绕组设置在定子铁芯上；每套电枢绕组包括m相绕组，m为大于或者等于3的整数；三套电枢绕组的相应相绕组在定子铁芯(4)上依次相间隔缠绕；
三套电枢绕组分别为高速绕组(1)、中速绕组(2)和低速绕组(3)，三套电枢绕组的额定功率相同，额定转速不同；三套电枢绕组的中性点各自独立引出。
2.根据权利要求1所述的绕组分套式多相电机，其特征在于，每套电枢绕组的m相绕组采用星形接法，其中每相绕组绕圈的正极引出接电源，负极连接在一起作为中性点。
3.根据权利要求1或2所述的绕组分套式多相电机，其特征在于，每套电枢绕组中每相绕组的线圈匝数和额定转速成反比，线圈线径与额定电流成正比。
4.根据权利要求1或2所述的绕组分套式多相电机，其特征在于，所述多相电机为内转子结构或者外转子结构。
5.根据权利要求1或2所述的绕组分套式多相电机，其特征在于，每一相绕组采用分数槽集中绕组。
6.根据权利要求1或2所述的绕组分套式多相电机，其特征在于，每套电枢绕组的电流有效值与匝数的乘积均相同。
7.一种绕组分套式多相电机的控制方法，它基于权利要求1所述的绕组分套式多相电机实现，其特征在于：所述控制方法通过主控制器和三个子控制器对电机进行控制，三个子控制器分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器，对应控制高速绕组(1)、中速绕组(2)和低速绕组(3)的工作状态；
主控制器检测负载的动力需求，根据负载的转速和转矩需求分别为高速控制器、中速控制器和低速控制器分配转速和转矩指令，三个子控制器再对对应的电枢绕组分配电流指令，使电机在效率最优状态下带动负载旋转；主控制器内预置电机工作区内三套电枢绕组的效率最优转矩分配信息。
8.根据权利要求7所述的绕组分套式多相电机的控制方法，其特征在于，所述控制方法具体为：在主控制器中预置电机在不同状态下的效率特性信息，包括三套电枢绕组全工作区效率最优的转矩分配、两套电枢绕组运行效率最优的转矩分配及各单套电枢绕组的运行效率；
主控制器实时监测三套电枢绕组的健康状态和负载的动力需求，三套电枢绕组都处于健康状态时，根据预置的效率特性信息，进行动力分配计算，并为三套电枢绕组分配最优的转矩和电流指令并通过对应的子控制器传送指令；
当某套电枢绕组处于故障状态时，主控制器比较健康绕组输出能力与负载需求，决定切除故障相所在整套绕组或是只切除故障相，并为每套绕组分配转矩和电流。
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