CN113746398A - 一种开关磁阻变档电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻变档电机，包括开关磁阻电机的各相定子绕组和SPTD快续流变档电路，所述各相定子绕组均分为若干个分段绕组，SPTD快续流变档电路用于根据开关磁阻电机运行档位的需求，对各相定子绕组中各个分段绕组之间的连接方式进行调整以构成一条或多条支路。其中连接方式的切换采用零区电流变档控制方法。电机低速时，分段绕组采用串联方式，增加各相定子绕组中的串联匝数，电机的峰值转矩增大，此时为低速档；电机高速时，分段绕组采用并联方式，减少各相定子绕组中的串联匝数，电机的峰值功率和转速均增大，此时为高速档；分段绕组的数量大于2时，通过改变分段绕组之间的连接方式，获得所述电机两个档位以上的多个档位的变档运行。

Description

一种开关磁阻变档电机

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机技术领域，特别是涉及一种开关磁阻变档电机。

背景技术

随着全球环境问题和资源问题的加剧，电动汽车、电动舰船和电动装甲车等新型全电动车辆舰船发展迅速。全电动车辆舰船常用的电机有异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，开关磁阻电机以其结构简单、可靠性高、成本低、转速范围广、控制简单等优点，成为未来电驱动系统的重要选项。

全电动车辆舰船在起步或低速时，其驱动系统需提供大转矩以克服阻力，实现快速起步或加速；全电动车辆舰船在正常运行时，其驱动系统需提供宽广的恒功率区范围，以提高行进速度。而由传统电机与固定减速比减速箱配合组成的驱动系统，难以满足全电动车辆舰船低速大转矩、高速大功率、高转速范围和高效率的特性要求；如果采用传统电机与变速箱的组合不仅复杂，还会降低驱动系统的可靠性和运行效率，不能充分发挥电机调速特性的优势。

利用电机绕组串并联实现电机转矩特性的切换是一种常见的电机扩速和起动方法，例如异步电动机的Y-Δ起动就得到广泛应用，然而由于电机是电感性负载，这种硬切换的工作方式必然带来严重的尖峰电压，对于要求频繁起停、加速、爬坡工作的全电动车辆舰船，硬切换的工作方式导致难以克服的可靠性问题。

现阶段国内外的研究或专利公开了多种电机绕组串并联方式的技术方案，但对绕组切换过程中尖峰电压的关键问题，均缺乏可靠的、能实现频繁切换的控制策略和控制电路。

公开号为CN108173474A的说明书公开了一种基于改变绕组连接方式的调速永磁同步电机及其控制方法，通过在电机运行中绕组动态星形三角形变换，改变电机相电压最大值以增大扩速范围，提高电机效率，但该发明中并未给出具体的拓扑结构。

公开号为CN208209843U的说明书公开了一种分段绕组电机控制器，其使用二极管三相整流桥和晶闸管分别构成高低速切换部分，并通过控制开关S1接入全部或一半绕组。但该实用新型中未考虑切换过程中被切除绕组的续流问题。

公开号为CN108649725A的说明书公开了一种电机绕组切换装置及控制方法，该装置包括电机定子绕组，电机定子绕组的三相分成两段，一段为高低速驱动绕组，匝数为W1，整体为ABC绕组；另一段为低速驱动绕组，匝数为W2，整体为abc绕组；该发明中采用两组三相不控整流桥和晶闸管构成高低速切换电路，在电流过零时关闭一个晶闸管并导通另一个，实现全绕组与半绕组之间的切换。但该发明切换时续流时间过长，导致电机转矩下降，产生明显的转速跌落，且在切换后只使用了一半绕组，绕组利用率低。

公开号为CN106961195A的说明书公开了一种单相异步电机绕组串并联切换方法、单相异步电机及设备，其中单相异步电机包括：主相绕组、副相绕组以及切换装置，所述主相绕组包括至少两个绕组线圈；所述切换装置，用于根据所述单相异步电机的运行数据，调整所述主相绕组的至少两个绕组线圈之间连接方式。但该发明仅进行了原理上的分析，并未给出具体实现方案。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种实现全电动车辆舰船电子变档驱动的开关磁阻变档电机，解决开关磁阻电机绕组切换过程中的快速续流问题，彻底消除绕组切换时尖峰电压对功率开关管的冲击破坏。

一种开关磁阻变档电机，包括开关磁阻电机的各相定子绕组和SPTD快续流变档电路，所述各相定子绕组均分为若干个分段绕组，所述SPTD快续流变档电路用于根据所述开关磁阻电机运行档位的需求，对各相定子绕组中各个分段绕组之间的连接方式进行调整以构成一条或多条支路，所述连接方式包括串联方式、并联方式和串并联方式。

所述的开关磁阻变档电机利用开关磁阻电机的分段绕组之间的连接方式切换，改变电机转矩转速特性的原理实现变档运行。

所述各相定子绕组中的各个分段绕组的匝数、电阻、电感均相同，保证各个分段绕组之间连接方式调整时的可控性和无环流。

所述SPTD快续流变档电路包括功率开关管和二极管，所述各相定子绕组中的分段绕组之间均正向串联二极管，所述各相定子绕组中的分段绕组和二极管之间并联功率开关管。

相互并联的支路中均正向串联有续流二极管，所述续流二极管防止了绕组电流通过功率开关管内部反并联的二极管续流。

所述功率开关管关断时，所述分段绕组之间正向串联的二极管导通；所述功率开关管导通时，所述分段绕组之间正向串联的二极管因承受反向直流母线电压关断。所述电机处于续流或退磁状态时，所述功率开关管因承受反向集射极电压，故无法流过电流，绕组电流通过分段绕组之间串联的二极管续流。

本发明还提供了一种基于上述开关磁阻变档电机的零区电流变档控制方法，该方法确保全电动车辆舰船频繁起停、加速、爬坡的工作要求，实现电机的可靠变档运行。

当电机运行于低速时，各相定子绕组中的分段绕组均采用串联方式，增加了各相定子绕组中的串联匝数，所述电机的峰值转矩增大，此时电机的档位为低速档；当电机运行于高速时，各相定子绕组中的分段绕组均采用并联方式，减少了各相定子绕组中的串联匝数，所述电机的峰值功率和转速均增大，此时电机的档位为高速档；当各相定子绕组中的分段绕组的数量大于2时，通过改变各相定子绕组中的分段绕组之间的连接方式为串联方式、并联方式或串并联方式，获得所述电机两个档位以上的多个档位的变档运行。

当所述电机转速高于变档转速需要升档时，检测电机各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，若处于零区位置，则增加各相定子绕组中支路的数量以减小每相串联匝数，例如分段绕组之间按所述电机运行档位的需求由串联方式切换为并联方式；当电机转速低于变档转速需要降档时，检测电机各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，若处于零区位置，则减少各相定子绕组中支路的数量以增加每相串联匝数，例如分段绕组之间按所述电机运行档位的需求由并联方式切换为串联方式。

所述变档转速为电机变档位时的转速切换点。所述变档转速用于描述变档原理，所述变档转速可不设置为固定转速值，所述变档转速的设置与电动车辆舰船工作模式的调校和驾驶人员的习惯有关。

优选地，所述分段绕组的连接方式切换时，切换所述分段绕组的控制信号与电机转子位置相结合，用于检测所述各相定子绕组中的电流是否处于零区位置和判断转子位置是否处于给定切换区间内。如转子位置处于给定切换区间内时，则分段绕组之间的连接方式进行切换；如转子位置处于给定切换区间外时，则分段绕组的之间连接方式不进行切换。检测转子位置是否处于给定切换区间，可确保变档过程的安全，避免尖峰电压的产生，防止电流检测环节误差导致电流零区的误判断，

进一步优选地，所述转子位置的给定切换区间位于电流零区内。

本发明相比现有技术，其优点在于：

1、本发明实现基于分段绕组串并联切换的开关磁阻变档电机，使电机本身具有多个档位的变档调速，起到了电机加多档变速箱的作用，取消或降低对机械变速箱的要求，有效扩展了电机调速范围，提高了低速峰值转矩；满足电动车辆舰船不同工况下性能需求，实现高集成度、高可靠性、低重量的电子变档驱动系统。

2、本发明采用零区电流变档控制方法，彻底解决了分段绕组切换过程中电流变化引起的尖峰电压问题，确保电力电子器件安全以及电机绕组绝缘安全，满足电动车辆舰船频繁起停、加速、爬坡等各种工况性能要求。

3、本发明大幅度提高了电机全域工况运行高效率区范围，增强了全电动车辆舰船续航里程。

附图说明

图1(a)是本发明实施例中两档三相6/4极开关磁阻变档电机的变档电路示意图。

图1(b)是本发明实施例中三档三相12/8极开关磁阻变档电机的变档电路示意图。

图2是本发明实施例中开关磁阻变档电机的拓扑结构示意图。

图3(a)是图1(a)所示的三相6/4极开关磁阻变档电机的低速档的运行电路示意图。

图3(b)是图1(a)所示的三相6/4极开关磁阻变档电机的高速档的运行电路示意图。

图4(a)是图1(b)所示的三档三相12/8极开关磁阻变档电机的低速档的运行电路示意图。

图4(b)是图1(b)所示的三档三相12/8极开关磁阻变档电机的中速档的运行电路示意图。

图4(c)是图1(b)所示的三档三相12/8极开关磁阻变档电机的高速档的运行电路示意图。

图5是本发明实施例中开关磁阻变档电机的一相电流波形以及给定的切换区间的示意图。

图6是本发明实施例中开关磁阻电机励磁状态下，分段绕组为串联方式，两个并联的支路中功率开关管关断时电流流向的示意图。

图7是本发明实施例中开关磁阻电机续流状态下，分段绕组为串联方式，两个并联的支路中功率开关管关断时电流流向的示意图。

图8是本发明实施例中开关磁阻电机退磁状态下，分段绕组为串联方式，两个并联的支路中功率开关管关断时电流流向的示意图。

图9是本发明实施例中开关磁阻电机励磁状态下，分段绕组为并联方式，两个并联的支路中功率开关管导通时电流流向的示意图。

图10是本发明实施例中开关磁阻电机续流状态下，分段绕组为并联方式，两个并联的支路中功率开关管导通时电流流向的示意图。

图11是本发明实施例中开关磁阻电机退磁状态下，分段绕组为并联方式，两个并联的支路中功率开关管导通时电流流向的示意图。

图12是本发明实施例中两个并联支路缺少正向串联二极管时，续流时支路中电流流向的示意图。

具体实施方式

开关磁阻变档电机，包括开关磁阻电机的各相定子绕组和SPTD快续流变档电路，各相定子绕组均分为若干个分段绕组，SPTD快续流变档电路用于根据开关磁阻电机运行档位的需求，对各相定子绕组中各个分段绕组之间的连接方式进行调整以构成一条或多条支路，连接方式包括串联方式、并联方式和串并联方式。

实施例1：

如图1(a)所示，以两档三相6/4极开关磁阻变档电机为例。

开关磁阻电机绕组由A相、B相、C相三相定子绕组构成，A相定子绕组分为两段分段绕组为：A1、A2。B相定子绕组分为两段分段绕组为：B1、B2。C相定子绕组分为两段分段绕组为：C1、C2。

其中A1与A2、B1与B2、C1与C2的匝数、电阻、电感等均相同。

三相6/4极开关磁阻电机中采用不对称半桥型的功率变换电路，A相功率变换电路由V1和V2两个功率开关管以及D1和D2两个续流二极管组成，B相功率变换电路由V3和V4两个功率开关管以及D3和D4两个续流二极管组成，C相功率变换电路由V5和V6两个功率开关管以及D5和D6两个续流二极管组成，功率开关管承受直流母线电压，斩波时两个功率开关管可同时关断，也可只关断一个；续流二极管只在绕组续流时导通。

功率开关管的通断既与电机转子位置有关，也与控制方式有关，电机正常运行时根据转子位置各相顺序导通。

如图2所示，A1和A2两段分段绕组之间正向串联一个二极管DA3，同时在A1与DA3两端以及A2与DA3两端分别并联功率开关管VA1、VA2；为了确保快速续流，在VA1与VA2电路中正向串联续流二极管DA1、DA2，以防止绕组电流通过VA1、VA2内部反并联的二极管续流。

串联二极管DA3在低速档时导通，功率开关管VA1和VA2在低速档时关断，两段绕组A1和A2串联接入功率变换电路，变档电机在低速档运行；功率开关管VA1和VA2在高速档时导通，此时绕组A1和A2连接方式由串联切换为并联，变档电机由低速档切换为高速档，二极管DA3因承受反向直流母线电压而关断。

电机低速档运行时，A1和A2串联，B1和B2串联，C1和C2串联，其构成了支路的数量为a＝1的低速档的运行电路，如图3(a)所示。电机高速档运行时，A1和A2并联，B1和B2并联，C1和C2并联，构成支路的数量为a＝2的高速档运行电路，如图3(b)所示。

低速档运行时两个线圈通过二极管DA3串联，此时VA1和VA2关断；高速档运行时两个线圈通过功率开关管VA1和VA2并联，此时DA3因承受反向直流母线电压而关断。

实施例2：

如图1(b)所示，以三档三相12/8极开关磁阻变档电机为例。

开关磁阻电机绕组由A相、B相、C相三相定子绕组构成，A相定子绕组分为四段分段绕组为：A1、A2、A3、A4。B相定子绕组分为四段分段绕组为：B1、B2、B3、B4。C相定子绕组分为四段分段绕组为：C1、C2、C3、C4。

其中A相、B相、C相定子绕组中的分段绕组的匝数、电阻、电感均相同。

A相、B相、C相定子绕组中的分段绕组之间均正向串联二极管，A相、B相、C相定子绕组中的分段绕组和二极管之间均并联功率开关管。为实现分段绕组串联、并联和串并联的三种连接方式，A相SPTD快续流变档电路与功率变换电路之间增加VA5、VA6两个功率开关管，B相SPTD快续流变档电路与功率变换电路之间增加VB5、VB6两个功率开关管，C相SPTD快续流变档电路与功率变换电路之间增加VC5、VC6两个功率开关管

并联的支路中均正向串联有续流二极管，防止了绕组电流通过功率开关管内部反并联的二极管续流。

电机低速档运行时，A1、A2、A3和A4串联，B1、B2、B3和B4串联，C1、C2、C3和C4串联，其构成了支路的数量为a＝1的低速档运行电路，如图4(a)所示。电机中速档运行时，A1、A2、A3和A4串并联，B1、B2、B3和B4串并联，C1、C2、C3和C4串并联，其构成了支路数a＝2的中速档运行电路，如图4(b)所示。电机高速档运行时，A1、A2、A3和A4全并联，B1、B2、B3和B4全并联，C1、C2、C3和C4全并联，其构成了支路数a＝4的高速档运行电路，如图4(c)所示。

以实施例中1的两档三相6/4极开关磁阻变档电机为例，对各相定子绕组中的分段绕组之间不同的连接方式下电路中各器件的通断状态及分段绕组之间连接方式切换的过程进行说明：

如图5所示，基于开关磁阻变档电机的零区电流变档控制方法：电机退磁结束后至下个周期到来前电流维持在0A，且保持不变；利用开关磁阻电机的零区电流特性进行分段绕组连接方式切换，有效地解决了电压尖峰问题，确保全电动车辆舰船频繁起停、加速、爬坡等工况频繁变档要求。

当电机转速高于变档转速需要升档时，检测电机各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，若处于零区位置，导通功率开关管，分段绕组之间由串联方式切换为并联方式；当电机转速低于变档转速需要降档时，检测电机各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，若处于零区位置，关断功率开关管，分段绕组之间由并联方式切换为串联方式。以上换挡方法实现档位之间的平滑切换。

变档转速为电机变档位时的转速切换点。变档转速用于描述变档原理，变档转速可不设置为固定转速值，变档转速的设置与电动车辆舰船工作模式的调校和驾驶人员的习惯有关。

实际操作中，为防止电流检测环节误差导致电流零区的误判断，控制信号应与电机转子位置结合，不仅仅检测电机各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，而且判断转子位置是否处于给定切换区间内。

如转子位置处于给定切换区间内时，则分段绕组之间的连接方式进行切换；如转子位置处于给定切换区间外时，则分段绕组之间的连接方式不进行切换。检测转子位置是否处于给定切换区间，可确保变档过程的安全，避免尖峰电压的产生。为防止电流检测环节误差导致电流零区的误判断。

转子位置的给定切换区间选择在电流零区内的中间区域，该中间区域宜为电流零区的中心部分且其占比为电流零区的90％，避开电流零区的两个边缘。

如图6所示，电机处于低速档运行，二极管DA3导通，此时未施加导通信号于VA1与VA2，VA1与VA2处于关断状态。

如图7所示，电机处于低速档运行，此时V1关断，V2维持导通状态，绕组电流从A1流经DA3、A2、V2、D2，回到A1，分段绕组两端电压为零，电流缓慢减小，电流下降的速度由该电流回路的时间常数决定。

如图8所示，电机处于低速档运行，此时V1和V2均关断，绕组电流经DA3、A2、D1、直流母线电源、D2，回到A1，此时分段绕组承受反向直流母线电压，分段绕组快速退磁，电流快速下降至零。

如图9所示，电机处于高速档运行，电流流经V1后一分为二，一条流过A1、VA1、DA1，另一条流过VA2、DA2、A2；再汇合后流过V2，回到直流母线电源，此时DA3承受反向直流母线电压关断。

如图10所示，电机处于高速档运行，此时V1关断、V2导通，VA1和VA2上虽接收了导通信号，但此时绕组A1与A2两端感应电压极性为左负右正，导致VA1和VA2的集电极与发射极间的电压为负，VA1与VA2无法流过电流，电流流向如图7所示。

如图11所示，电机处于高速档运行，V1与V2同时关断时，此时VA1与VA2同样无法流过电流，电流流如图8所示。

如图12所示，VA1和VA2支路缺少正向串联二极管，绕组续流时电流下降速度由该电流回路的时间常数决定，电流下降缓慢，在退磁阶段易导致相电流在下一个导通周期到来之前无法下降至零，一方面无法使用零区电流变档控制方法，导致电机不能可靠换档；另一方面续流过长会导致电机产生较大的负转矩，影响电机正常运行。

Claims (8)

1.一种开关磁阻变档电机，其特征在于，包括开关磁阻电机的各相定子绕组和SPTD快续流变档电路，所述各相定子绕组中均分为若干个分段绕组，所述SPTD快续流变档电路用于根据所述开关磁阻电机运行档位的需求，对各相定子绕组中各个分段绕组之间的连接方式进行调整以构成一条或多条支路，所述连接方式包括串联方式、并联方式和串并联方式。

2.如权利要求1所述的开关磁阻变档电机，其特征在于，所述各相定子绕组中的各个分段绕组的匝数、电阻、电感均相同。

3.如权利要求1所述的开关磁阻变档电机，其特征在于，所述SPTD快续流变档电路包括功率开关管和二极管，所述各相定子绕组中的分段绕组之间均正向串联二极管，所述各相定子绕组中的分段绕组和所述二极管之间并联功率开关管。

4.如权利要求3所述的开关磁阻变档电机，其特征在于，相互并联的支路中均正向串联有续流二极管。

5.一种基于权利要求1-4任一所述的开关磁阻变档电机的零区电流变档控制方法，其特征在于，包括：当电机运行于低速时，各相定子绕组中的分段绕组均采用串联方式，增加了各相定子绕组中的串联匝数，所述电机的峰值转矩增大，此时电机的档位为低速档；当电机运行于高速时，各相定子绕组中的分段绕组均采用并联方式，减少了各相定子绕组中的串联匝数，所述电机的峰值功率和转速均增大，此时电机的档位为高速档；当各相定子绕组中的分段绕组的数量大于2时，通过改变各相定子绕组中的分段绕组之间的连接方式，获得所述电机两个档位以上的多个档位的变档运行。

6.如权利要求5所述的零区电流变档控制方法，其特征在于，当所述电机转速高于变档转速需要升档时，检测所述各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，若处于零区位置，则增加各相定子绕组中支路的数量；当电机转速低于变档转速需要降档时，检测所述各相定子绕组中的电流是否处于零区位置，若处于零区位置，则减少各相定子绕组中支路的数量。

7.如权利要求6所述的零区电流变档控制方法，其特征在于，所述分段绕组的连接方式切换时，切换所述分段绕组的控制信号与电机转子位置相结合，用于检测所述各相定子绕组中的电流是否处于零区位置和判断转子位置是否处于给定切换区间内。

8.如权利要求7所述的零区电流变档控制方法，其特征在于，所述转子位置的给定切换区间位于电流零区内。

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