CN107078678B

CN107078678B - 多相电机、驱动器及控制

Info

Publication number: CN107078678B
Application number: CN201580048630.9A
Authority: CN
Inventors: C.奥布里; B.布兰查德圣-雅克
Original assignee: TM4 Inc
Current assignee: Dana TM4 Inc
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: KR20170037974A; CN107078678A; EP3175546A4; US10693408B2; WO2016015147A1; CA2956231C; EP3175546A1; CA2956231A1; US20170229993A1

Abstract

本文描述了配备多个逆变器电源电路的多相电机。该多相电机目的是执行配置改变，同时减少机器在配置之间切换时的力矩损失。这通过形成限定由单独的逆变器电源电路供电的机器部分的相的组并且通过分别用受控的开关器件切换机器部分来进行。

Description

多相电机、驱动器及控制

技术领域

本发明涉及电机、其驱动器及其控制。更具体地，本发明与配备链接到不同逆变器电源电路的分组的相(phase)的多相电机有关。

背景技术

多相电机在本领域是周知的。通常，它们被从直流(DC)电源(例如，从电池)经由控制各相中的电流流动的逆变器电源电路来操作。

分组相机也是已知的。通常，相按照可以所谓的三角(delta)或星形配置互连的3个来分组。每相还可以包含可以以串联或并联配置互连的超过一个线圈。在一些机器中，在操作期间，互连的配置可在所述配置之间改变。

附图说明

附图中：

图1是9相电机和驱动电路的框图，其中相被三个三个地(three by three) 分组并且其中每组连接到不同的逆变器电源电路；

图2是图1的机器的一部分的更具体框图；

图3是图1的机器的内部定子和外部转子的示意图；

图3A是与图3类似的示出替换实施例的示意图；

图4是以星形配置连接的图2的机器部分的一个三相组的电路图；

图5是与图4类似但示出了采用三角配置的三相组的电路图；

图6是示出了对于以星形和三角配置连接的相同机器的力矩相对于速度的曲线图；

被标记为“现有技术”的图7示意性地在曲线图中示出了根据第一直观法由逐渐从星形配置到三角配置改变的9相电机提供的力矩；示出了来自单个相位分组的力矩和总力矩；

图8是与图7类似的、示出了第一控制方法的曲线图，在第一控制方法中，总力矩的震荡(jolt)减少；

图9是与图7类似的、示出了第二控制方法的曲线图，在第二控制方法中，当要求的力矩在预定阈值以下时，消除震荡；

图10是类似于图9的、示出了当要求的力矩在预定阈值以上并且在图8 的预定阈值以下时的最小震荡的曲线图；以及

图11是示出了逐渐从三角配置向星形配置改变的9相电机提供的力矩的曲线图。

具体实施方式

根据说明性实施例，提供了用于多相电机的驱动电路，多相电机包括以每组至少三个相的至少两组分组的线圈，至少两组中的每个组限定机器部分。每个机器部分的至少三个相的互连被配置以便可在至少两个配置之间改变。驱动电路包括：至少两个逆变器电源电路，每个与相应的机器部分关联，和控制器，连接到至少两个逆变器电源电路以便独立控制所述至少两个逆变器电源电路，使得当至少两个机器部分中的一个的配置改变时，该至少两个机器部分中的另一个形成补偿力矩。

根据另一方面，提供了多相电机，包括电源、包含以每组至少三个相的至少两组分组的线圈的定子，至少两组中的每个组限定机器部分。每个机器部分的至少三个相的互连被配置以便可在至少两个配置之间改变。该机器还包含与定子共轴的转子和驱动电路，所述驱动电路包括：至少两个逆变器电源电路，每个逆变器电源电路与相应的机器部分关联；以及控制器，连接到该至少两个逆变器电源电路以便独立地控制该至少两个逆变器电源电路，使得当至少两个机器部分中的一个的配置改变时，该至少两个机器部分中的另一个形成补偿力矩。

当在权利要求和/或说明书中结合术语“包括”使用时，词语“一”的使用可以意指“一个”，但其也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的意思一致。类似地，词语“另一个”可以意指至少第二个或更多个。

如本说明书和(多个)权利要求中使用的，词语“包括”(和包括的任何形式，例如“包含”)、“具有”(和具有的任何形式，例如“有”)、“包含 (和包含的任何形式，例如“含有”)”或“含有”(和含有的任何形式，例如“含”)是包括性的或开放的，并且不排除附加的、未列举的元件或过程步骤。

本领域技术人员将理解，本文和所附权利要求中使用的表述“电机”应被解释为电动机和/或发电机。

在阅读以下参考附图仅以示例方式给出的多相电机、驱动器和控制的说明性实施例的非限制性描述时，多相电机、驱动器和控制的其它目的、优点和特性将变得更显而易见。

总体而言，该多相电机的实施例目的是减少机器在配置之间切换时产生的震荡。这通过将机器分成各自由单独的逆变器电源电路供电的相组并且通过分开切换这些相组的配置来进行。

附图中的图1示意性地在框图中示出9相电机10及其驱动电路12和 DC电源14。电机10的9个相被划分成3个三相机器部分16、18和20，每个与相应的单独的逆变器电源电路22、24和26关联，逆变器电源电路22、 24和26是驱动电路12的一部分。3个逆变器电源电路22-26连接到公共DC电源14。要注意，驱动电路12还包含控制器27，用来控制逆变器电源电路22-26，如将在下文描述的。

现在转向图2，示出了逆变器电源电路22及其关联的机器部分16。DC 电源14包含高电压电池28和电容器组30。由于这3个逆变器电源电路22、 24和26是相同的并且由于三相机器部分16、18和20是相同的，所以出于简洁的目的，下文将只描述每种中的一个。

示意性示出的三相逆变器电源电路22传统上包含6个电子控制的开关 32和6个恢复二极管34。这样的三相逆变器电源电路22被认为是本领域周知的。因此，其用于控制提供给其关联的三相机器部分16的电流的操作将不在本文进一步描述。然而，要注意，电子控制的开关32可由控制器27控制，例如，以便相对于彼此精确调整各个三相逆变器电源电路22到26的相位。当然，可以使用其它类型的三相逆变器电源电路。

三相机器部分16包括示意性示出的限定相A的线圈36、限定相B的线圈38和限定相C的线圈40。

每个相A、B和C包括各自的第一连接42、44和46，其允许各种线圈到三相逆变器电源电路22的连接。

每个相A、B和C还包括各自的第二连接48、50和52，其允许各相以三角、星形或中性(neutral)配置互连，如将在下文描述的。

机器部分16还包括三个第一接触器54、56和58以及三个第二接触器 60、62和64。第一接触器54、56和58物理地或虚拟地互连以便处于相同连接状态，如虚线所示，并且第二接触器60、62和64物理地或虚拟地互连以便处于相同连接状态，如虚线所示。这些接触器由控制器27控制。

如本领域技术人员将容易理解的，当第二接触器60、62和64处于其闭合位置并且第一接触器处于其断开位置时，机器部分16处于星形配置，如图4所示。

类似地，当第一接触器54、56和58处于其闭合位置并且第二接触器处于其断开位置时，机器部分16处于三角配置，如图5所示。

最后，当第一和第二接触器都处于其断开位置时，如图2所示，机器部分16处于中性配置。

要注意，控制器27可以配备保护器(safeguard)以防止第一和第二接触器同时处于其闭合位置。

如将对本领域技术人员显而易见的，通过提供这样可配置的机器部分16，由于要形成相同力矩，星形配置需要比在三角配置中更少的电流，所以在电机低旋转速度下降低转换器提供给定子的电流是可能的。因此，在转换器中使用较小且较廉价的电子控制的半导体是可能的。因此，当电机以相对低的速度旋转并且传统上需要较大力矩时，通过将第二接触点置于其闭合位置，机器部分16被置于星形配置。

通过将机器部分16的配置从星形配置切换到三角配置，要由逆变器电源电路22向机器部分16提供的所需电压被降低以达到电机的相同最大旋转速度，这允许该机器达到比具有相同电池和功率半导体的星形配置更高的旋转速度。

本领域技术人员将理解，令人感兴趣的是当发生接触器的断开和闭合时，没有大的电流通过接触器。实际上，当接触器不必在支持大电流的同时被断开时，使用较小且较廉价的接触器是可能的。因此，控制器27被配置以便在需要或期望接触器的配置改变时，暂时停止逆变器电源电路22向机器部分16提供电流。

另一方面，控制器27可被设计以便在需要或期望接触器的配置改变时，将通过定子的线圈的电流降低到适合使用的接触器的值，而不是完全阻止转换器向定子提供电流。

要注意，单个三刀接触器可以实施第一接触器。类似地，单个三刀接触器也可以实施第二接触器。

本领域技术人员还将理解，第二接触器中的一个，例如接触器60，可被永久连接替换以减少接触器的总数目而不牺牲功能性。

最后，尽管接触器在本文被示出为允许机器部分在星形配置和三角配置之间切换的开关，但可以使用其它电气或电子控制的开关，诸如，例如，继电器、IGBT或FET。

现在回顾附图的图1，本领域技术人员将容易理解，电机10及其关联的驱动电路12因此限定了9相电机，其中相被三个三个地分组并且其中每组可以在操作期间分别置于星形或三角配置。

现在转向附图的图3，将简要描述机器10的示意机械配置。机器10包括内部定子70和外部转子72。内部定子70配备3个三相机器部分16-20，每个三相机器部分覆盖定子70的圆周的约120度。外部转子72在此情况下配备永久磁体(未示出)。

替换地，如图3A所示，3个三相机器部分16-20中的每个可被分成2 部分并且以彼此180度安装。这一配置是令人感兴趣的，因为它帮助在操作期间保持转子和定子的共轴关系。

要注意，代替如图3或3A所示将3个三相机器部分16-20分开，将可能允许9个相中的每个跨越定子42的整个圆周。然而，这将在所述相之间产生耦合。该耦合通常将意味着在相中需要更高的电流。

现在转向附图的图6，示出了在电机的三相部分处于星形或三角配置中时电机的三相部分的最大力矩相对于该机器的旋转速度。该特定电系统具有 300到750Vdc输入电源、约552mm的直径、约511mm的长度、348kg的重量、12对刀、3300RPM的最大速度和3400Nm的最大力矩。

如从该图可以看出的，低速时，星形配置形成的最大力矩大于三角配置形成的最大力矩。然而，当达到和超过约1100RPM的速度时，三角配置的最大力矩变得比星形配置的最大力矩更大。因而，令人感兴趣的是在达到 1100RPM速度前从星形配置切换到三角配置。

根据用于电机的应用的类型，许多策略可用于控制包含三个机器部分 16-20的9相电机。

以下描述假定使用这样的机器作为车辆中的牵引电动机。

一个可能的控制策略涉及在启动时使3个机器部分16-20处于星形配置中。理论基础是通常在启动时要求更多力矩。当达到预定速度时，控制器实现用于一次一个地将机器部分的配置从星形改变为三角的方法。

现在转向图7，将要讨论将3个机器部分16-20从星形配置改变为三角配置的传统方法。

如图6所示，每个机器部分16-20可以在处于三角配置时形成约660Nm 的额定力矩，以及在处于星形配置时形成约1100Nm的额定力矩。图7中，线102示出来自3个机器部分16-20的所得到的(resulting)力矩，线104示出了来自机器部分16的力矩，线106示出了来自机器部分18的力矩，并且线 108示出了来自机器部分20的力矩。从该图中，清楚地是，系统用户要求的力矩是1200Nm(见102A)，其可以使用任一配置获得。如上文所述，机器部分16-20在启动时处于星形配置。为了最大化效率和性能，要求的力矩通常在3个机器部分16-20之间等分。

让我们假定车辆的速度已达到阈值并且保持增长。由于三角配置可以在较高速度下每个机器部分保持要求的400Nm，并且可以允许机器部分达到其最大速度，因此是时候从星形配置切换为三角配置了。

在此传统方法中，机器部分16被最先从星形改变为三角。如图7所示，机器部分16的力矩104在接触器切换状态所需的短时间内被减小到0。因此，由于机器部分16是没有激活的(inactive)，因此总力矩102被降低到800Nm (见102B)。当机器部分16的配置切换完成时，它可以重新开始形成力矩并且所得到的力矩返回到要求的1200Nm(见102C)。下一步是将机器部分 18从星形改变到三角。机器部分18的力矩106在接触器切换状态所需的短时间内被减小到0。该时间期间，由于机器部分18是没有激活的，所得到的力矩102被降低到800Nm(见102D)。当机器部分18的配置切换完成时，它可以重新开始形成力矩并且所得到的力矩返回到要求的1200Nm(见 102E)。最后，机器部分20的配置从星形改变到三角。机器部分20的力矩 108在接触器切换状态所需的短时间内被减小到0。该时间期间，由于机器部分20是没有激活的，所得到的力矩102被减小到800Nm(见102F)。当机器部分20的配置切换完成时，它可以重新开始形成力矩并且所得到的力矩返回到要求的1200Nm(见102G)。

本领域技术人员将容易理解，这些力矩改变导致对车辆的一些震荡(该震荡并不是令人感兴趣的驾驶感觉)，并且可能导致车辆的机械组件(例如，变速箱)过早地发生故障。

附图的图8示出了用来减少由配置改变产生的震荡并且因而提升驾驶感觉的第一控制方法。

总体而言，图8的控制方法涉及使配置改变交替以避免在3个机器部分已从星形改变到三角前返回到要求的力矩。该控制方法还减少完成3个机器部分的配置的改变所需的总时间。

要求的力矩仍是1200Nm(见110A)并且机器部分16是最先被切换的。当力矩104降低到0时，所得到的力矩降低到800Nm(见110B)。当机器部分16从星形到三角的切换完成时，它返回到激活(active)状态并且由此形成的力矩增加回至400Nm。同时，由于配置切换，机器部分18的力矩106 减小到0。两个配置改变因而是交替的。因此，所得到的力矩保持800Nm并且不进一步产生车辆上的震荡。类似地，当第二机器18的配置切换完成时，机器返回到激活状态并且由此形成的力矩增加回至400Nm。同时，由于配置切换，机器部分20的力矩108减小到0。同样，由于配置改变是交替的，所以保证没有震荡。最后，当机器部分20的配置完成时，达到1200Nm 的要求的力矩(见110D)并且减少了震荡。

本领域技术人员将理解，图8的控制方法的驾驶感觉类似于传统的自动变速器在换档期间的驾驶感觉。

要注意，尽管上述配置改变已被描述为由于已达到阈值速度而从星形配置向三角配置的改变，但如果机器部分处于三角配置时要求高力矩，则这些配置改变可以以相同方式对于三角向星形执行。

类似地，尽管阈值速度已描述为对改变配置的触发，但可以使用其它触发。例如，可以使用力矩阈值、用户命令和/或系统安全限制特征(例如当场弱化(field weakening)达到预定阈值时或当电池电压达到预定电平时)作为触发。系统寿命和驾驶感觉是导致(多个)适当触发选择的因素的示例。

附图的图9和10示出用于改善驾驶感觉的第二控制方法，其中震荡被最小化并且在一些情况下被避免。

总体而言，该第二方法中，当机器部分中的一个的配置被改变并且由该机器部分形成的力矩被减小到0时，由其余机器形成的力矩被增加以最小化由力矩波动产生的震荡。换言之，当机器部分中的一个的配置改变时，其它机器部分形成补偿力矩。

图9中，要求的力矩是1200Nm。当由于配置切换，机器部分16的力矩104被降低到0时，其它两个机器部分18和20的力矩106和108每个被增加到600Nm以产生1200Nm的不变的所得到的力矩。机器部分18和20 因而每个形成补充的200Nm补偿力矩。当机器部分16的配置改变完成时，机器部分18准备好配置改变。再次，两个激活的机器部分16和20的力矩被增加至600Nm以保持1200Nm的要求的力矩。最后，机器部分20的配置改变被进行，同时由机器部分16和18提供的力矩每个被增加到600Nm 以防止任何震荡。

本领域技术人员将理解，上述控制方法在要求的力矩小于三角配置的最大力矩的2/3时防止震荡。实际上，为了使激活的机器部分能够完全补偿暂时没有激活的机器部分，要求的力矩一定不超过两个机器部分可以达到的最大力矩。

现在转向附图的图10，上文描述的第二控制方法将在震荡不可避免的情况中示出。

图10中，要求1500Nm的力矩。因而，最初处于其星形配置的每个机器部分16-20提供500Nm。当由于配置改变，第一机器的力矩104被减小到0时，机器部分18和20的力矩106和108每个被增加到750Nm，由于它们的最大力矩约为1100Nm，所以这不是个问题。

一旦机器部分16处于三角配置中，则它被配置以便在机器部分18提供的力矩被降低到0时提供其最大力矩660Nm。为进一步补偿机器部分18的力矩损失，仍处于星形配置的机器部分20将其提供的力矩增加到840Nm以保持1500Nm的所得到的力矩。

最后，一旦机器部分18处于三角配置中，则它被配置以便在机器部分 20提供的力矩降低到0时提供其最大力矩660Nm。由于两个被激励的机器部分18和20正提供其最大力矩660Nm，所以所得到的力矩在随后返回到 1500Nm之前，在机器部分20配置改变的持续时间内被降低到1320Nm。

因而，上述补偿方法最小化在配置改变期间产生的震荡量。

用于这样的9相电机的另一可能的控制策略涉及在启动时使3个机器部分16-20处于三角配置中，其中在所述9相电机中，3相机器部分可以独立置于星形或三角配置中。理论基础是如果要求软启动，则可能的是在三角配置中可获得的最大力矩将在启动时是足够的并且将不需要配置改变，因而最大化机器中使用的开关寿命。

附图的图11示出了当因为要求的力矩大于在三角配置中可获得的力矩，机器部分的配置必须从三角改变到星形时的第二控制方法。

图11中要求的力矩是最大力矩3400Nm。由于机器部分16-20最初处于其三角配置，所以它们可以共同传递的最大力矩大约为1920Nm(见114A)。机器部分16最先改变配置。由于该机器部分在配置改变期间不提供力矩，所以所得到的力矩被减小到1340Nm(见114B)。当机器部分16在其星形配置中达到激活状态时，它可以在机器部分18从三角配置向星形配置改变时提供其最大力矩1100Nm，从而将所得到的力矩增加到1760Nm(见114C)。当机器部分18具有其星形配置时，它可以在机器部分20的配置改变时与机器部分16一起传递总计2200Nm(见114D)。最后，3个机器部分16-20以其最大力矩工作，并且要求的力矩被达到(见114E)。

本领域技术人员将理解，尽管所得到的力矩的改变在附图中作为步阶 (step)示出，但机器控制器可以通过逐渐增加机器部分的力矩而不是如本文所示的尽可能快地达到最大力矩来使这些步阶变得平滑。

要注意，尽管本文所述的和附图中示出的实施例具有每组三相的三组，但是组的数目和每组中相的数目可以根据应用而修改。

本领域技术人员将理解，尽管上文描述了内部定子/外部转子电机，但上述机器、驱动器和控制不限于该机器配置，并且更为传统的外部定子配置可被使用。此外，尽管上文所述的电机是永久磁体机器，但可以使用其它机器技术。

对本领域技术人员还将是显而易见的，尽管以上描述说明控制器确定需要配置的改变，但是也可以对电机的用户给出选项以手动地改变机器部分中的一个或所有的配置。例如，手动配置控制可以对用户是可用的。

对本领域技术人员还将是显而易见的，尽管以上描述与在星形和三角布线配置之间执行配置的改变的系统有关，但上述方法还可以应用到其中机器部分的两个配置与机器部分的每个相中的串联或并联的线圈的互连有关的电机。

要理解，尽管以上描述与在两个配置之间执行配置改变的系统有关，但上述方法不限于2个配置，它可以应用到具有多于2个配置的系统。例如，可以通过组合三角/星形和串联/并联配置得到这样的许多配置。还可以通过断开所有继电器得到电机中性模式，产生可添加到上文所述的配置的另一配置。

要注意，尽管说明性实施例的以上描述重点在于使用这样的机器作为车辆中的牵引电动机，但该应用只是示例，因为上述说明性实施例还可用作例如发电机以及用于工业及航空应用中。

要理解，多相电机在其应用上不限于附图中示出和上文描述的结构和部分的细节。多相电机能够用于其它实施例并且能够用各种方式实践。还要理解，本文使用的用语或术语出于描述而非限制的目的。因此，尽管上文已通过其说明性实施例描述了多相电机，但可以在不脱离如所附权利要求限定的精神、范围和特性的情况下对其进行修改。

Claims

1.一种用于多相电机的驱动电路，所述多相电机包括以每组至少3相的至少两组分组的线圈，所述至少两组中的每组限定机器部分；每个机器部分的至少3相的互连被配置以便可在每个机器部分中的至少两个配置之间改变，所述驱动电路包括：

至少两个逆变器电源电路，每个与相应的机器部分关联；

控制器，连接到所述至少两个逆变器电源电路以便独立地控制所述至少两个逆变器电源电路，使得当所述至少两个机器部分中的一个的配置改变时，所述至少两个机器部分中的另一个形成补偿力矩；

其中所述控制器被配置以便通过依序地停止对所述机器部分的电流供给、改变所述机器部分的配置并且重新建立对所述机器部分的电流供给来改变所述机器部分中的一个的配置。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述至少两个配置包含星形配置和三角配置。

3.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述至少两个配置包含3个配置：星形配置、三角配置和中性配置。

4.如权利要求1所述的驱动电路，其中所述至少两个机器部分包含3个机器部分。

5.如权利要求4所述的驱动电路，其中所述控制器被配置以便控制所述3个机器部分，以改变所述机器部分中的一个的配置，同时其它两个机器部分每个形成补偿力矩。

6.如权利要求4所述的驱动电路，其中所述控制器被配置以便使所述3个机器部分的配置改变交替。

7.一种多相电机，包括：

电源；

定子，包含以每组至少3相的至少两组分组的线圈，所述至少两组中的每个限定机器部分；每个机器部分的至少3相的互连被配置以便可在每个机器部分中的至少两个配置之间改变；

与所述定子共轴的转子；

驱动电路，包括：

至少两个逆变器电源电路，每个与相应的机器部分关联；

8.如权利要求7所述的多相电机，其中所述至少两个配置包含星形配置和三角配置。

9.如权利要求7所述的多相电机，其中所述至少两个配置包含3个配置：星形配置、三角配置和中性配置。

10.如权利要求7所述的多相电机，其中所述至少两个机器部分包含3个机器部分。

11.如权利要求10所述的多相电机，其中所述控制器被配置以便控制所述3个机器部分，以改变所述机器部分中的一个的配置，同时其它两个机器部分每个形成补偿力矩。

12.如权利要求10所述的多相电机，其中所述控制器被配置以便使所述3个机器部分的配置改变交替。