CN108400742A - 一种双绕组三相电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种双绕组三相电机及其控制方法,该电机包括电机定子绕组,三相电机定子绕组包括两组,第一组为低速驱动绕组,只在低速时通过控制器切入绕组,匝数为W1,三相绕组分别记作A、B和C,整体为ABC绕组;第二组为高速驱动绕组,在高速和低速时通过控制器切入绕组,匝数为W2,三相绕组分别记作a、b和c,整体为abc绕组;W1的绕组圈数大于W2;ABC绕组和abc绕组同相控制,不存在相位差,ABC绕组与abc绕组的后端中性点均直接相连;ABC绕组前端与第一逆变单元的输出端相连接,abc绕组前端与第二逆变单元的输出端相连接;第一逆变单元和第二逆变单元并联在电容两端,共同组成电机控制器;本发明还公开了该电机的控制方法;本发明既可以产生低速的大转矩,也可以实现宽范围调速/高速运行。
Description
技术领域
本发明涉及三相电机技术领域,具体涉及一种双绕组三相电机及其控制方法。
技术背景
对电动汽车来说,在不同工况下,对驱动电机系统的性能要求是不同的。
当汽车从零速/低速开始加速时,或者处于斜坡上起动等情况下,这时候车速或电机转速都比较低,但需要大转矩以克服摩擦力或者车自身重力的分量。电机转矩与磁通密度成正比,因此需要高磁通密度。
在高速巡航时,系统通常对转矩要求不高,但为了使汽车驱动电机更高效率运作,希望降低磁通密度。在高速区域中,铁损占比高,而铁损基本与磁通密度的平方成正比。因此,磁通密度越低,铁损越低。另外,如果电机为永磁电机,由永磁体的磁通量产生的反电动势(电压)还会随着转速增加而增加。而车上电池电压水平有限,当该反电动势达到逆变器能够施加给电机的电压以上时,电机中电流就无法再通过,转速即不能再上升。因此,为了提高最高速度,也降低磁通密度以抑制反电动势——对此,通常使用弱磁控制技术来产生与永磁体磁通量相反方向的磁通,从而减小反电动势,提高转速。但是,为了产生相反方向的磁通量,必须使电流流过定子绕组,这同样会增加损耗,还会增加永磁体退磁的风险。因此弱磁的范围也不宜过宽。
也就是说,在低速区域和高速区域要求的转矩大小、磁通量密度是不同的。
现有技术中,存在利用双电机的方案,解决高速及低速大转矩的需求,即大小额定功率的电机搭配使用,通过联动轴将两个电机连接在一起,分别在不同的情况下控制使用不同的电机,该方法采用两个电机,且机械结构复杂,成本较高。
目前技术中还有通过多相电机实现低速大转矩的方案,多相线圈通过控制可实现转矩脉动小、低电流实现大转矩等优点,但控制较复杂,成本也偏高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足,提供一种双绕组三相电机及其控制方法,本发明既可以产生低速的大转矩,也可以实现宽范围调速/高速运行。
为实现以上目的,本发明采用的技术方案为:
一种双绕组三相电机,包括电机定子绕组3,所述三相电机定子绕组3包括两组,第一组为低速驱动绕组,只在低速时通过控制器切入绕组,匝数为W1,三相绕组分别记作A、B和C,整体为ABC绕组;第二组为高速驱动绕组,在高速和低速时通过控制器切入绕组,匝数为W2,三相绕组分别记作a、b和c,整体为abc绕组;W1的绕组圈数大于W2;ABC绕组和abc绕组同相控制,不存在相位差,ABC绕组与abc绕组的后端中性点均直接相连;ABC绕组前端与第一逆变单元1的输出端相连接,abc绕组前端与第二逆变单元2的输出端相连接;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2并联在电容两端;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2共同组成电机控制器4。
还包括开关S1,所述开关S1设置在第一逆变单元1与直流母线之间或设置在第一逆变单元1与ABC绕组之间,设置在逆变单元1与直流母线之间,用于在第二逆变单元2工作时防止线圈感应能量回流到直流母线;所述开关S1为半导体开关或继电器开关。
所述第一逆变单元1和第二逆变单元2的结构相同,均为三相逆变桥。。
所述的双绕组三相电机的控制方法,当电机运行于低速时,第一逆变单元1和第二逆变单元2同时工作,此时所有绕组都参加工作,产生较多的安匝数,产生大转矩,最大转矩可达T1;此时开关S1保持开通,以满足储能电池释放能量及电机能量回馈的双向能量流动;
随着转速升高,进入弱磁状态;当电机转速达到n3时,使第一逆变单元1封波停止工作,第二逆变单元2保持工作,并断开开关S1,此时电机进入单套绕组工作模式,只有高速驱动绕组工作;由于串联匝数较少,反电势相对较小,降低了弱磁的深度;开关S1断开保证ABC绕组处于完全断开模式,防止ABC绕组中产生电流形成干扰磁场;
当电机由高速减速,转速降至n2时,重新使第一逆变单元1开始工作,再次进入绕组串联模式。
所述其中:N为电机的弱磁倍数;Δn为n2~n3之间的宽度;n1为双绕组串联模式下需要弱磁的拐点转速,且Δn=n1。
和现有技术相比较,本发明具备如下优点:
1、由于在低速、高速切换工作模式,相当于在一个高速电机、一个低速电机间进行切换,因此起到两档变速箱的效果,既可以产生低速的大转矩,也可以实现宽范围调速/高速运行。
2、由于”低速电机”在低速区效率高、“高速电机”在高速区效率高,因此在高速、低速都可以实现高效运行。
3、低速线圈与高速线圈在低速时可同时工作,在高低速切换过程中无动力中断。
4、两个线圈可单独工作,提高系统可靠性。
5、根据系统需要的调速范围计算两套绕组的匝比,因此可以使得每种模式下的弱磁程度尽量浅,使弱磁控制更容易。
附图说明
图1为本发明第一种分段绕组电机控制器示意图。
图2为本发明第二种分段绕组电机控制器示意图。
图3为使用本发明电机控制器后电机的机械特性曲线。
图4为电机及控制系统总体架构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚简明,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1和图2所示,本发明一种双绕组三相电机,包括电机定子绕组3,所述三相电机定子绕组3包括两组,第一组为低速驱动绕组,只在低速时通过控制器切入绕组,匝数为W1,三相绕组分别记作A、B和C,整体为ABC绕组;第二组为高速驱动绕组,在高速和低速时通过控制器切入绕组,匝数为W2,三相绕组分别记作a、b和c,整体为abc绕组;W1的绕组圈数大于W2;ABC绕组和abc绕组同相控制,不存在相位差,ABC绕组与abc绕组的后端中性点均直接相连;ABC绕组前端与第一逆变单元1的输出端相连接,abc绕组前端与第二逆变单元2的输出端相连接;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2并联在电容两端;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2共同组成电机控制器4。
还包括开关S1,如图1所示,所述开关S1设置在第一逆变单元1与直流母线之间,用于在第二逆变单元2工作时防止线圈感应能量回流到直流母线;也可以如图2所示,所述开关S1设置在第一逆变单元1与ABC绕组之间。优选地,所述开关S1为半导体开关或继电器开关。
所述第一逆变单元1和第二逆变单元2的结构相同,均为三相逆变桥。
如图4所示,所述的双绕组三相电机的控制方法,当电机运行于低速时,第一逆变单元1和第二逆变单元2同时工作,此时所有绕组都参加工作,产生较多的安匝数,产生大转矩,最大转矩可达T1;此时开关S1保持开通,以满足储能电池释放能量及电机能量回馈的双向能量流动;
随着转速升高,进入弱磁状态;当电机转速达到n3时,使第一逆变单元1封波停止工作,第二逆变单元2保持工作,并断开开关S1,此时电机进入单套绕组工作模式,只有高速驱动绕组工作;由于串联匝数较少,反电势相对较小,降低了弱磁的深度;开关S1断开保证ABC绕组处于完全断开模式,防止ABC绕组中产生电流形成干扰磁场;
当电机由高速减速,转速降至n2时,重新使第一逆变单元1开始工作,再次进入绕组串联模式。
本发明第二逆变单元2持续工作,可保证高低速切换过程中转矩及转速输出的连续性。
如图3所示,n2~n3之间的区域为第一逆变单元1工作或停止均可的模式,为了提高绕组设计的合理性,宽度不宜过宽。
假设从应用设计的角度,需要电机的弱磁倍数为N倍(即n4:n1=N)。则为充分利用绕组,应有:
若希望n2~n3之间的宽度为Δn,令
推导可得从而如Δn=n1,也可简化选取为
电机及控制系统总体架构如图4所示。电机与控制器部分独立设计,在ABC绕组及abc绕组前端进行电气连接。控制器部分采用一个控制单元对两组逆变单元进行协调控制,控制单元可采用单控制核心或双控制核心通讯实现。
Claims (5)
1.一种双绕组三相电机,其特征在于:包括电机定子绕组(3),所述三相电机定子绕组(3)包括两组,第一组为低速驱动绕组,只在低速时通过控制器切入绕组,匝数为W1,三相绕组分别记作A、B和C,整体为ABC绕组;第二组为高速驱动绕组,在高速和低速时通过控制器切入绕组,匝数为W2,三相绕组分别记作a、b和c,整体为abc绕组;W1的绕组圈数大于W2;ABC绕组和abc绕组同相控制,不存在相位差,ABC绕组与abc绕组的后端中性点均直接相连;ABC绕组前端与第一逆变单元(1)的输出端相连接,abc绕组前端与第二逆变单元(2)的输出端相连接;所述第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)并联在电容两端;所述第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)共同组成电机控制器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种双绕组三相电机,其特征在于:还包括开关(S1),所述开关(S1)设置在第一逆变单元(1)与直流母线之间或设置在第一逆变单元(1)与ABC绕组之间,设置在逆变单元(1)与直流母线之间,用于在第二逆变单元(2)工作时防止线圈感应能量回流到直流母线;所述开关(S1)为半导体开关或继电器开关。
3.根据权利要求1所述的一种双绕组三相电机,其特征在于:所述第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)的结构相同,均为三相逆变桥。
4.权利要求1至3任一项所述的双绕组三相电机的控制方法,其特征在于:当电机运行于低速时,第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)同时工作,此时所有绕组都参加工作,产生大转矩,最大转矩可达T1;此时开关S1保持开通,以满足储能电池释放能量及电机能量回馈的双向能量流动;
随着转速升高,进入弱磁状态;当电机转速达到n3时,使第一逆变单元(1) 封波停止工作,第二逆变单元(2)保持工作,并断开开关S1,此时电机进入单套绕组工作模式,只有高速驱动绕组工作;由于串联匝数较少,反电势相对较小,降低了弱磁的深度;开关S1断开保证ABC绕组处于完全断开模式,防止ABC绕组中产生电流形成干扰磁场;
当电机由高速减速,转速降至n2时,重新使第一逆变单元(1)开始工作,再次进入绕组串联模式。
5.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于:
所述 其中:N为电机的弱磁倍数;Δn为n2~n3之间的宽度;n1为双绕组串联模式下需要弱磁的拐点转速,且Δn=n1。
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