CN108400742B - 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

一种双绕组三相电机及其控制方法
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 (2)

1.一种双绕组三相电机的控制方法，所述双绕组三相电机包括电机定子绕组(3)，所述电机定子绕组(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，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；
其特征在于：所述控制方法为：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，最大转矩为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，再次进入绕组并联模式；
所述其中：N为电机的弱磁倍数；Δn为n2～n3之间的宽度；n1为双绕组并联模式下需要弱磁的拐点转速，且Δn＝n1。
2.根据权利要求1所述的一种双绕组三相电机的控制方法，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。
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