CN110149077A - 一种绕组可切换电机及其绕组切换方法、电动机、发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绕组可切换电机及其绕组切换方法、电动机、发电机，包括微控制器、电机本体以及设置在电机本体内部的绕组，绕组上设置尾部抽头以及至少一个中间抽头，绕组与尾部抽头、中间抽头分别构成不同绕组档次，尾部抽头、中间抽头分别与微控制器信号连接；微控制器包括位置传感器，位置传感器用于测量电机转速，微控制器根据位置传感器反馈的转速信号切换对应的绕组档次。采用本发明的电机绕组切换方法，电机在低速时全绕组工作，高速时部分绕组工作，从而提高发电机高速输出功率或电动机高速输出能力，由于不需要机械切换且可以大电流工作，因而具有结构简单、成本低廉、工作可靠，节约安装空间的优点。
Description
技术领域
本发明涉及汽车用电机领域，具体涉及一种绕组可切换电机及其绕组切换方法、电动机、发电机。
背景技术
现有技术中，汽车交流发电机和电动汽车用电驱动电机均采用一套三相绕组进行工作,不管是汽车交流发电机,还是电驱动电机,由于其工作最高转速较最低转速有3倍以上的变化,其缺陷是：做为汽车交流发电机,在兼顾低速的性能后,高速时发电机输出功率因绕组匝数过多受到制约,难以进一步提升。作为电驱动电机，同样因为匝数过多，在电机工作转速超过转折速度后，电机必须进入弱磁工作状态，此时电机工作效率相对降低，电机极限工作转速也因匝数限制受到制约。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种绕组可切换电机及其绕组切换方法、电动机、发电机，所述电机绕组有若干绕组档次，利用微控制器根据检测的电机转速信号来控制半桥逆变器的通断，从而自动切换不同匝数的绕组档次，控制电机在低速时全绕组运行、高速时部分绕组运行，接入电机回路的绕组匝数根据电机运行转速灵活切换，解决了电机高速运转时绕组匝数过多造成的效率问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种绕组可切换电机，包括微控制器、电机本体以及设置在电机本体内部的绕组，所述绕组上设有尾部抽头以及至少一个中间抽头，所述绕组与所述尾部抽头、所述中间抽头分别构成不同绕组档次。所述尾部抽头、所述中间抽头分别与微控制器信号连接；所述微控制器包括位置传感器，所述位置传感器用于测量电机转速，所述微控制器根据所述位置传感器反馈的转速信号切换对应的绕组档次。
进一步，所述电机为三相电机，所述三相电机内设有W、U、V三相绕组，所述W相、U相、V相绕组呈Y形连接，所述W相、U相、V相绕组的首部抽头、尾部抽头之间设有至少一个中间抽头，构成不同绕组档次。
优选地，所述绕组处设有第一开关电路、至少一个第二开关电路，所述第一开关电路一端与所述尾部抽头连接，所述第一开关电路另一端短接，所述第一开关电路控制端与所述微控制器信号连接；所述第二开关电路一端与所述中间抽头连接，所述第二开关电路另一端短接，所述第二开关电路控制端与所述微控制器信号连接；通过微控制器控制所述第一开关电路、所述第二开关电路通断来切换绕组档次。
优选地，所述第一开关电路由第一半桥逆变器组成，所述第二开关电路由第二半桥逆变器组成。
优选地，所述绕组处设有第一半桥逆变器、至少一个第二半桥逆变器，所述第一半桥逆变器一端与所述尾部抽头连接，所述第一半桥逆变器另一端短接，所述第一半桥逆变器控制端与所述微控制器信号连接；所述第二半桥逆变器一端与所述中间抽头连接，所述第二半桥逆变器另一端短接，所述半桥逆变器控制端与所述微控制器信号连接；通过微控制器控制所述第一半桥逆变器、所述第二半桥逆变器通断来切换绕组档次。
优选地，所述第一半桥逆变器、所述第二半桥逆变器均通过三个带体二极管的场效应管并联实现。
优选地，所述微控制器包括位置及速度解码模块、A/D转换及逻辑处理电路、至少一个PWM输出端口；所述位置及速度解码模块与所述位置传感器信号连接，所述位置及速度解码模块结合所述位置传感器对电机转速进行监测，并将转速电信号输送到所述A/D转换及逻辑处理电路；所述A/D转换及逻辑处理电路将接收到的转速电信号进行模数转换并与预设的转速值进行比对，然后选择对应的绕组档次，向对应的所述PWM输出端口输出控制信号。
优选地，所述微控制器还包括温度测量及判断模块，所述温度测量及判断模块连接有温敏电阻，所述温敏电阻紧靠所述绕组设置，用于检测所述绕组的温度，当检测到所述绕组温度超过预设值时，所述微控制器输出断开所有绕组档次的控制信号。
一种绕组可切换电动机，基于所述一种绕组可切换电机，还包括三相全桥逆变器、直流电源模块、DC/DC转换器，所述绕组上远离所述尾部抽头的位置设有首部抽头，所述首部抽头连接所述三相全桥逆变器的三相交流输出端，所述三相全桥逆变器的直流输入端与所述直流电源模块的输出端电连接，所述直流电源模块为所述三相全桥逆变器提供电源；所述直流电源模块输出端还与所述DC/DC转换器初级连接，所述DC/DC转换器次级与所述微控制器电连接，所述DC/DC转换器为所述微控制器提供电源。
一种绕组可切换发电机，基于所述一种绕组可切换电机，还包括不控整流桥、DC/DC转换器，所述绕组上远离所述尾部抽头的位置设有首部抽头，所述首部抽头连接所述不控整流桥的三相交流输入端，所述不控整流桥的直流输出端连接所述DC/DC转换器初级，所述DC/DC转换器次级与所述微控制器电连接，所述DC/DC转换器为所述微控制器提供电源。
一种绕组可切换电机的绕组切换方法，所述绕组由多段分绕组串联组成，多段所述分绕组组合形成至少一个绕组档次，所述电机进行绕组切换时包括以下步骤：
A.检测所述电机转速；
B.将检测到的转速信号与预设的转速值进行比较；
C.比较结果持续稳定时间达到预设时间值后，根据比较结果选择对应的绕组档次；
D.输出对应绕组的控制信号，接通目标绕组档次，然后迅速断开当前绕组档次。
本发明的有益效果是：采用本发明的电机绕组切换方法，电机在低速时全绕组工作，高速时部分绕组工作，从而提高高速发电机输出功率或高速电动机输出能力，由于不需要机械切换且可以大电流工作，因而具有结构简单、成本低廉、工作可靠，节约安装空间的优点。
附图说明
图1为本发明电机绕组结构原理图；
图2为本发明电机绕组抽头示意图；
图3为本发明第一半桥逆变器组成图；
图4为本发明第二半桥逆变器组成图；
图5为本发明电动机整体原理图；
图6为本发明发电机整体原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、绕组，101、首部抽头，102、中间抽头，103、尾部抽头，201、不控整流桥，202、三相全桥逆变器，3、第二半桥逆变器，4、第一半桥逆变器，5、微控制器，501、A/D转换及逻辑处理电路，502、位置传感器，503、温敏电阻，504、位置及速度解码模块，505、温度测量及判断模块，506、PWM输出端口，507、其他参数测量模块，6、DC/DC转换器，7、直流电源模块，8、隔离及预驱动模块，401/402/403、第一半桥逆变器控制端，301/302/303/第二半桥逆变器控制端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
如图1所示，一种带抽头结构的电动机，包括微控制器5、电机本体以及设置在电机本体内部的绕组1，绕组1上设有首部抽头101、尾部抽头103以及至少一个中间抽头102，绕组1的首部抽头101与尾部抽头103、中间抽头102分别构成不同绕组档次。首先根据电机实际运行中需要的转速与绕组匝数对应关系设定绕组档次数量，从而确定需设置的中间抽头102数量及位置，中间抽头102位置由测量的绕组匝数确定。尾部抽头103、中间抽头102分别与微控制器5信号连接；微控制器5包括位置传感器502，位置传感器502用于测量电机转速。微控制器5根据位置传感器502反馈的转速信号，控制对应抽头的地电流通断，从而切换到对应的绕组档次。
本实施例中，所述电机为三相电机，所述三相电机内设有W、U、V三相绕组1，W相、U相、V相绕组1呈Y形连接，W相、U相、V相绕组1的首部抽头101、尾部抽头103之间设有至少一个中间抽头102，构成不同绕组档次。本实施例中以一个中间抽头102举例说明。
绕组1处设有第一开关电路、至少一个第二开关电路，本实施例中第二开关电路的数量与中间抽头102的数量相同。第一开关电路一端与尾部抽头103连接，第一开关电路另一端短接，第一开关电路控制端与所述微控制器5信号连接；第二开关电路一端与中间抽头102连接，第二开关电路另一端短接，第二开关电路控制端与微控制器5信号连接。通过微控制器5控制第一开关电路、第二开关电路通断来切换绕组档次。
第一开关电路由第一半桥逆变器4组成，第二开关电路由第二半桥逆变器3组成。
更具体的，第一半桥逆变器4与尾部抽头103连接，第一半桥逆变器4另一端呈Y型连接，第一半桥逆变器控制端401/402/403通过电阻并联，然后与微控制器5信号连接；第二半桥逆变器3一端与中间抽头102连接，第二半桥逆变器3另一端呈Y型连接短接，第二半桥逆变器控制端301/302/303通过电阻并联，然后与微控制器5信号连接；通过微控制器5控制第一半桥逆变器4、第二半桥逆变器3通断来切换绕组档次。
本实施例中，第一半桥逆变器4、第二半桥逆变器3均通过三个带体二极管的场效应管或者三个IGBT并联实现。本实施例采用N沟道增强型mosfet管，其自带体二极管，因体二极管与mosfet管导电方向相反，和mosfet一起构成了交流通路的正反向部分。第一半桥逆变器4、第二半桥逆变器3组成结构完全相同，此处举例第一半桥逆变器4进行说明。三个体二极管因相互反接，在微控制器5PWM信号关闭的任一时刻任两相之间均形不成导通回路，因此处于悬空状态。三个mosfet管漏极分别接入电机绕组W相、U相、V相抽头，源极呈Y型连接；同时三个mosfet管栅极分别与电阻串联后接入第一半桥逆变器控制端401/402/403。当打算接通第一半桥逆变器4时，通过微控制器5对第一半桥逆变器控制端401/402/403和第一半桥逆变器4中mosfet管的源极施加高电平信号，第一半桥逆变器4的三个mosfet管均处于导通状态，任一时刻某一mosfet管总会和另一桥臂的体二极管构成回路而将电机尾部抽头103导通，不考虑二极管和mosfet管的导通压降，其作用和中性点作用完全一致，因此保证全套绕组投入运行，此时电机为低速运转。接通第二半桥逆变器3也为相同原理。
本实施例中，微控制器5包括位置及速度解码模块504、A/D转换及逻辑处理电路501、至少一个PWM输出端口506。位置及速度解码模块504与位置传感器502信号连接，位置及速度解码模块504结合位置传感器502对电机转速进行监测，并将转速电信号输送到A/D转换及逻辑处理电路501；A/D转换及逻辑处理电路501将接收到的转速电信号进行模数转换并与预设的转速值进行比对，然后选择对应的绕组档次，向对应的PWM输出端口506输出控制信号。PWM输出端口506输出方波控制信号到第一半桥逆变器控制端401/402/403和/或第二半桥逆变器控制端301/302/303，对第一半桥逆变器4和/或第二半桥逆变器3的通断进行控制，从而接通尾部抽头103和/或中间抽头102，以控制对应的绕组档次切换。PWM输出端口506与第一半桥逆变器控制端401/402/403和第二半桥逆变器控制端301/302/303之间还分别设有隔离及驱动模块8，由隔离及驱动模块8将控制信号进行信号隔离以及控制信号驱动等处理后输出到第一半桥逆变器控制端401/402/403和第二半桥逆变器控制端301/302/303，对第一半桥逆变器4与第二半桥逆变器3的MOSFET管进行导通/关断控制。
本实施例中，微控制器5还包括温度测量及判断模块505，温度测量及判断模块505连接有温敏电阻503，温敏电阻503可由PTC电阻或NTC电阻来实现，本实施例使用PTC电阻。PTC电阻紧靠绕组1设置，用于检测绕组1的温度。当检测到绕组1温度超过预设值时(即绕组温度超标时)，微控制器5输出断开所有绕组档次的控制信号，从而达到对电机进行过热保护的目的。微控制器5还设有其他参数测量模块507，用于测量其他希望测试的电机参数。
本实施例工作原理：
当电机低速运行时，为获得较大的输出功率，需要电机全套绕组投入运行，此时通过控制器使第二半桥逆变器3关断，即在第二半桥逆变器控制端301/302/303对第二半桥逆变器3中的mosfet管的栅极与源极之间施加低电平(因示例中三相半桥逆变器由N沟道mosfet组成)信号，此时第二半桥逆变器3的三个桥臂的功率管均处于关断状态，它们的三个体二极管因相互反接，任一时刻任两相之间均形不成导通回路，因此处于悬空状态。与此相反，通过控制器对第一半桥逆变器控制端401/402/403和第一半桥逆变器4的源极施加高电平信号，第一半桥逆变器4的三个mosfet管均处于导通状态，任一时刻某一功率管总会和另一桥臂的体二极管构成回路而将电机尾部抽头103导通，不考虑二极管和功率管的导通压降，其作用和中性点作用完全一致，因此保证全套绕组投入运行。
当电机高速运行时，微控制器5检测到转速达到绕组档次切换条件，将第二半桥逆变器3投入运行，同时将第一半桥逆变器4关断，此时电机和电机首部抽头101之间的一段绕组1形成回路，将第二半桥逆变器3和第一半桥逆变器4之间的绕组1切出，电机自动以较少的绕组1运行。由于绕组1的中间抽头102数量可以根据需要设置，且其控制方式相同，所以通过增加中间抽头102和第二半桥逆变器3的数量的方式，将电机的绕组1根据转速运行要求进行更细致的划分与切换。
第二半桥逆变器3和第一半桥逆变器4的切换时序：在电机运行初始化时，直接将第二半桥逆变器3关断，将第一半桥逆变器4开通。在电机转速升高到需要绕组切换时，首先将第二半桥逆变器3开通，然后再关断第一半桥逆变器4，此时虽会形成第一半桥逆变器4和第二半桥逆变器3之间的瞬时短路，但由于切换时间极短，短路电流不会太大，采用此方法可避免先关断第一半桥逆变器4形成的绕组间高压。
一种绕组可切换电机的绕组切换方法，所述绕组由多段分绕组串联组成，多段分绕组组合形成至少两个绕组档次，所述电机进行绕组切换时包括以下步骤：
A.检测所述电机转速；
B.将检测到的转速信号与预设的转速值进行比较；
C.比较结果持续稳定时间达到预设时间值后，根据比较结果选择对应的绕组档次；
D.输出对应绕组的控制信号，接通目标绕组档次，然后迅速断开当前绕组档次。
本实施例中，步骤C中比较结果持续稳定时间不低于1分钟。
本实施例中，步骤D中，先接通目标绕组档次，再断开当前绕组档次。
实施例2：
如图5所示一种绕组可切换电动机，包括实施例1中所述一种绕组可切换电机，还包括三相全桥逆变器202、直流电源模块7、DC/DC转换器6，绕组1上远离尾部抽头103的位置设有首部抽头101，首部抽头101连接三相全桥逆变器202的三相交流输出端，三相全桥逆变器202的直流输入端与直流电源模块7的输出端电连接，直流电源模块7为三相全桥逆变器202提供电源。直流电源模块7的另一个输出端还与DC/DC转换器6初级连接，DC/DC转换器6次级与微控制器5电连接，DC/DC转换器6为微控制器5提供电源。
实施例3：
如图6所示一种绕组可切换发电机，包括实施例1中所述一种绕组可切换电机，还包括不控整流桥201、DC/DC转换器6，绕组1上远离尾部抽头103的位置设有首部抽头101，首部抽头101连接不控整流桥201的三相交流输入端，不控整流桥201的直流输出端连接DC/DC转换器6初级，DC/DC转换器6次级与微控制器5电连接，DC/DC转换器6为微控制器5提供电源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种绕组可切换电机，包括微控制器(5)、电机本体以及设置在电机本体内部的绕组(1)，其特征在于，所述绕组(1)上设有尾部抽头(103)以及至少一个中间抽头(102)，所述绕组(1)与所述尾部抽头(103)、所述中间抽头(102)分别构成不同绕组档次，所述尾部抽头(103)、所述中间抽头(102)分别与微控制器(5)信号连接；所述微控制器(5)包括位置传感器(502)，所述位置传感器(502)用于测量电机转速，所述微控制器(5)根据所述位置传感器(502)反馈的转速信号切换对应的绕组档次。
2.根据权利要求1所述一种绕组可切换电机，其特征在于，所述电机为三相电机，所述三相电机内设有W、U、V三相绕组(1)，所述W相、U相、V相绕组(1)呈Y形连接，所述W相、U相、V相绕组(1)的首部抽头(101)、尾部抽头(103)之间设有至少一个中间抽头(102)，构成不同绕组档次。
3.根据权利要求1或2所述一种绕组可切换电机，其特征在于，所述绕组(1)处设有第一开关电路、至少一个第二开关电路，所述第一开关电路一端与所述尾部抽头(103)连接，所述第一开关电路另一端短接，所述第一开关电路控制端与所述微控制器(5)信号连接；所述第二开关电路一端与所述中间抽头(102)连接，所述第二开关电路另一端短接，所述第二开关电路控制端与所述微控制器(5)信号连接；通过微控制器(5)控制所述第一开关电路、所述第二开关电路通断来切换绕组档次。
4.根据权利要求3所述一种绕组可切换电机，其特征在于，所述第一开关电路由第一半桥逆变器(4)组成，所述第二开关电路由第二半桥逆变器(3)组成。
5.根据权利要求4所述一种绕组可切换电机，其特征在于，所述第一半桥逆变器(4)、所述第二半桥逆变器(3)均通过三个带体二极管的场效应管并联实现。
6.根据权利要求3所述一种绕组可切换电机，其特征在于，所述微控制器(5)包括位置及速度解码模块(504)、A/D转换及逻辑处理电路(501)、至少一个PWM输出端口(506)；所述位置及速度解码模块(504)与所述位置传感器(502)信号连接，所述位置及速度解码模块(504)结合所述位置传感器(502)对电机转速进行监测，并将转速电信号输送到所述A/D转换及逻辑处理电路(501)；所述A/D转换及逻辑处理电路(501)将接收到的转速电信号进行模数转换并与预设的转速值进行比对，然后选择对应的绕组档次，向对应的所述PWM输出端口(506)输出控制信号。
7.根据权利要求1或2所述一种绕组可切换电机，其特征在于，所述微控制器(5)还包括温度测量及判断模块(505)，所述温度测量及判断模块(505)连接有温敏电阻(503)，所述温敏电阻(503)紧靠所述绕组(1)设置，用于检测所述绕组(1)的温度，当检测到所述绕组(1)温度超过预设值时，所述微控制器(5)输出断开所有绕组档次的控制信号。
8.一种绕组可切换电动机，基于权利要求1～7任何一项所述一种绕组可切换电机，其特征在于，还包括三相全桥逆变器(202)、直流电源模块(7)、DC/DC转换器(6)，所述绕组(1)上远离所述尾部抽头(103)的位置设有首部抽头(101)，所述首部抽头(101)连接所述三相全桥逆变器(202)的三相交流输出端，所述三相全桥逆变器(202)的直流输入端与所述直流电源模块(7)的输出端电连接，所述直流电源模块(7)为所述三相全桥逆变器(202)提供电源；所述直流电源模块(7)输出端还与所述DC/DC转换器(6)初级连接，所述DC/DC转换器(6)次级与所述微控制器(5)电连接，所述DC/DC转换器(6)为所述微控制器(5)提供电源。
9.一种绕组可切换发电机，基于权利要求1～7任何一项所述一种绕组可切换电机，其特征在于，还包括不控整流桥(201)、DC/DC转换器(6)，所述绕组(1)上远离所述尾部抽头(103)的位置设有首部抽头(101)，所述首部抽头(101)连接所述不控整流桥(201)的三相交流输入端，所述不控整流桥(201)的直流输出端连接所述DC/DC转换器(6)初级，所述DC/DC转换器(6)次级与所述微控制器(5)电连接，所述DC/DC转换器(6)为所述微控制器(5)提供电源。
10.一种绕组可切换电机的绕组切换方法，其特征在于，所述绕组由多段分绕组串联组成，多段所述分绕组组合形成至少一个绕组档次，所述电机进行绕组切换时包括以下步骤：
A.检测所述电机转速；
B.将检测到的转速信号与预设的转速值进行比较；
C.比较结果持续稳定时间达到预设时间值后，根据比较结果选择对应的绕组档次；
D.输出对应绕组的控制信号，接通目标绕组档次，然后迅速断开当前绕组档次。
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