CN109951111A - 电机驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电机驱动方法，适用于转子包含磁阻结构的电机，且包含以异步驱动方式启动电机，依据调速指令以异步驱动方式控制电机，侦测电机的转子转速并判断转子转速是否等于或大于临界转速，其中临界转速为电机的同步转速乘上临界百分比，以及当转子转速等于或大于临界转速时，以同步驱动方式控制电机。

Description

电机驱动方法
技术领域
本发明是关于一种电机驱动方法。
背景技术
电机(即马达)为现今社会不可或缺的动力元件，电机能将电能转化为动能，因此广泛应用于工具机、水泵、轻工机械、风力发电、水力发电和电动汽车等设备。由于广大的市场需求，各式的马达设计、制造与驱动控制技术正迅速发展。
一般而言，电机的驱动方式可分为异步驱动以及同步驱动。异步驱动以转子及定子之间的滑差所产生的感应电流与磁通进行作用，进而控制转子转动；同步驱动则是以定子所产生的磁场吸引转子磁场的异极，因此转子会随着定子的磁场以相同的速度旋转。异步驱动方式其优点在于受环境影响小，且具有高启动转矩，然而其功率因数低；同步驱动方式的则具有功率因数高的优点，然而其易受环境所影响，因此在启动阶段容易失败或是在低转速时性能较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电机驱动方法，选择性地以异步驱动方式或同步驱动方式来控制电机，以使电机的转动兼具两种驱动方式的优势。
依据本发明所揭示一实施例的电机驱动方法，适用于转子包含磁阻结构的电机，且包含：以异步驱动方式启动电机；依据调速指令以异步驱动方式控制电机；侦测电机的转子转速并判断转子转速是否等于或大于临界转速，其中临界转速为电机的同步转速乘上临界百分比；以及当转子转速等于或大于临界转速时，以同步驱动方式控制电机。
鉴于上述，本发明所揭示的电机驱动方法，在启动阶段时，以异步驱动方式启动并控制电机，有效抑制启动电流，使得电机的转子转速可以平滑顺畅地达到同步转速，并在转子转速达到同步转速之时或之前，切换以同步驱动方式来控制电机，使电机具有较佳效率、较低稳态矩或较佳功因。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是依据本发明的一实施例所绘示的电机驱动方法的流程图。
图2是依据本发明的一实施例所绘示的执行电机驱动方法的功能方块图。
图3是依据本发明的一实施例所绘示的电机驱动方法的转子转速-时间图。
图4是依据本发明的一实施例的电机驱动方法所适用的电机的转子机构的正视图。
其中，附图标记
9 电机
10 驱动器
1a 转子
4 磁阻结构
40 铁芯
41 导体槽
42 磁阻群
50 导体条
420 磁阻单元
L 轴心
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
请参考图1及图2，其中图1是依据本发明的一实施例所绘示的电机驱动方法的流程图，图2则依据本发明的一实施例所绘示的执行电机驱动方法的功能方块图。如图1及图2所示，电机驱动方法包含步骤S11～S14，且适用于电机9，其中电机9的转子包含有磁阻结构，而关于电机详细架构的实施例将于后描述。电机驱动方法可以由电性连接于电机9的驱动器10来执行。
于步骤S11～S12中，驱动器10以异步驱动的方式启动电机9，并依据调速指令以异步驱动方式控制电机9。异步驱动方式以转子及定子之间的滑差所产生的感应电流与磁通作用，进而控制转子转动。举例来说，异步驱动方式可以是变压变频控制(Variablevoltage variable frequency control，VVVF)，驱动器10产生包含多个控制指令的调速指令，且以输出频率由小至大地依序输出这些指令，以对电机9进行变压变频控制。举另一个例子，异步驱动方式亦可以是磁场导向控制(Field orient control，FOC)，利用座标轴转换，以个别控制电机的转矩与磁通。
再来于步骤S13～S14中，驱动器10侦测电机9的转子转速，并判断转子转速是否等于或大于临界转速，当转子转速等于或大于临界转速时，则驱动器10切换以同步驱动方式来控制电机9的转速。举例来说，同步驱动方式可以是变压变频控制、磁场导向控制或是其他控制方式。
于一实施例中，驱动器10的异步驱动方式是以变压变频控制实现，而同步驱动方式则是以磁场导向控制实现。于此实施例中，在启动及非同步阶段，变压变频控制可以使电机9以较小的启动电流获得较大的启动转矩，防止启动电流过大而造成电机9过热，甚至导致保护器跳闸，减少电机寿命的状况；而在电机9的转子转速等于或大于临界转速时，磁场导向控制可单独控制转矩与磁通量，以提供较佳的动态反应，且亦不会有转矩涟波的问题。
于另一实施例中，驱动器10的异步驱动以及同步驱动方式皆可以磁场导向控制实现。驱动器10通过内建控制系数的转换以自异步驱动方式切换至同步驱动方式。藉此，即仍能够在马达刚启动的阶段，通过异步驱动的方式以较小的启动电流获得较大的启动转矩；而在马达驱于稳态运转时，通过同步驱动的方式以提供较佳的动态反应。
请一并参考图2及图3，图3是依据本发明的一实施例所绘示的电机驱动方法的转子转速-时间图。于图3中，目标转速Ns预设为电机9的同步转速，临界转速Nth则设定与目标转速Ns之间具有比例关系，即临界转速Nth为目标转速Ns乘上一临界百分比。于一实施例中，临界转速Nth设定等于目标转速Ns，即临界百分比为100％。于另一实施例中，临界转速Nth设定为电机9处于异步模式且在额定负载下的最高异步转速。于又一实施例中，临界转速Nth设定为一般感应电机的额定转速，即一般感应电机在额定负载下的最高异步转速，其中所谓的一般感应电机是指与本案的马达的定子具有相同结构，但转子仅具有磁场感应结构的感应电机。一般而言，在以一般感应电机的额定转速设定临界转速Nth的情况下，临界百分比为等于或大于90％。
如图3所示，当驱动器10判断电机9的转子转速小于临界转速Nth时，驱动器10以异步驱动方式控制电机9；而当驱动器10判断转子转速等于或大于临界转速Nth时，驱动器10便切换以同步驱动方式来控制电机9。换句话说，在第一转动期间T1，驱动器10是以异步驱动方式控制电机9；而在第二转动期间T2则以同步驱动方式控制电机9。
如此一来，本发明的电机驱动方法在启动阶段(即滑差最大)时，以异步驱动方式启动并控制电机9，有效抑制启动电流，使得电机9的转子转速得以平滑顺畅地达到同步转速Ns(即滑差为零)，并在转子转速达到同步转速Ns之时或之前，切换以同步驱动方式来控制电机9，使电机9具有较佳效率、较低稳态矩或较佳功因。
如前所述，本发明的电机驱动方法适用于转子具有磁阻结构的电机9。以下就电机9的转子机构作举例说明，然而本发明的电机驱动方法所适用的电机并不限于此。请一并参照图2及图4，其中图4是依据本发明的一实施例所绘示的适用上述电机驱动方法的电机9的转子机构的正视图。
如图2及图4所示，电机9具有转子1a，转子1a包含一铁芯(rotor core)40与多个导体条(rotor bar)50。铁芯40具有多个导体槽41与多个磁阻群42。
导体槽41沿铁芯40周缘排列设置。于本实施例中，导体槽41与铁芯40的环形侧壁相隔一距离，且截面为圆形。于另一实施例中，导体槽41也可为破槽，且与铁芯40的环形侧壁相连。于其他实施例中，导体槽41的截面也可为梨形、椭圆形或其他几何图形，本发明不予限制。导体条50埋设于该转子内且设置邻近于转子1a的铁芯40的径向外周面。详细来说，导体条50分别设置于这些导体槽41中。
磁阻群42围绕铁芯40的轴心L排列，每一组磁阻群42包含多个磁阻单元(Reluctance unit)420。磁阻单元420分别自其中一导体槽41延伸到另一导体槽41；也可以说，磁阻单元420分别自其中一导体条50延伸到另一导导体条50。于一实施例中，转子1a不设置永磁材料例如磁铁，且各磁阻单元420与导体槽41之间保持一距离，即磁阻单元420与导体槽41为相分离而非相连。另外，提醒的是，铁芯40的极数(即磁阻群42的组数)与每组磁阻群42中磁阻单元420的数量可据实际需求进行调整，本发明并非以图中示例性地绘示的数量为限。
于本实施例中，各磁阻群42中的磁阻单元420等间距地沿该铁芯40的径向方向排列，也可以说，于铁芯40每一极(pole)中，具有三个磁阻单元420沿铁芯40的径向方向排列。但磁阻单元420不限于等间距排列。
对于铁芯40来说，每一磁阻单元420皆为磁通屏障，而相邻的磁阻单元420之间的间隙则为磁路通道，磁阻群42形成具有拓朴图案的磁阻结构4。在原理上，电机绕组输入电源，相对应定子绕组的铁芯40上的导体条50会产生激磁电流，使铁芯40导磁形成封闭的磁力线回圈。此时，单位截面积所通过的磁通量，称为磁通密度(Flux density-B)。通过磁阻结构4的配置，不仅可提供电机9于异步运转状态时磁通的通道，亦可使激磁的磁通控制在特定的方向以使电机9达同步运转状态。详细来说，于同步运转状态时，由于磁阻单元420排列于铁芯40中，磁通绝大部分被局限于磁阻单元420之间的间隙，使激磁的磁通绝大步分被控制在特定的方向流通。
鉴于以上所述，本发明前述的电机驱动方法，在启动阶段时，以异步驱动方式启动并控制电机，有效抑制启动电流，使得电机的转子转速可以平滑顺畅地达到同步转速，并在转子转速达到同步转速时或前，切换以同步驱动方式来控制电机，使电机具有较佳效率、较低稳态矩或较佳功因。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种电机驱动方法，其特征在于，适用于包含一转子的一电机，该转子包含一磁阻结构，且该电机驱动方法包含：
以一异步驱动方式启动该电机；
依据一调速指令，以该异步驱动方式控制该电机；
侦测该电机的转子转速，并判断该转子转速是否等于或大于一临界转速；以及
当该转子转速等于或大于该临界转速时，以一同步驱动方式控制该电机；
其中该临界转速是该电机的一同步转速乘上一临界百分比。
2.如权利要求1所述的电机驱动方法，其特征在于，该调速指令是由与该电机电性连接的一驱动器产生，并包含多个控制指令，且该些控制指令依据该驱动器的输出频率，由小至大地依序输出。
3.如权利要求1所述的电机驱动方法，其特征在于，该临界百分比为100％。
4.如权利要求1所述的电机驱动方法，其特征在于，该临界转速指示该电机处于一异步模式且在额定负载下的一最高异步转速。
5.如权利要求1所述的电机驱动方法，其特征在于，该转子的该磁阻结构包含磁阻群。
6.如权利要求1所述的电机驱动方法，其特征在于，该转子包含多个导体条埋设于该转子内且设置邻近于该转子的径向外周面。
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