CN116743030A - 一种永磁无刷变档电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷变档电机，包括带有双向电子切换变档电路和多支路各相定子绕组的永磁无刷电机，以及用于永磁无刷电机的零状态电流绕组切换控制方法，所述各相定子绕组均分为若干个分段绕组，根据接收到的变档指令，采用零状态电流绕组切换控制方法对双向电子切换变档电路进行调节，从而切换各相的分段绕组之间的连接方式，所述连接方式包括绕组串联方式、绕组串并联方式和绕组并联方式。本发明的提供的永磁无刷变档电机通过改变永磁无刷电机的各相定子绕组连接方式，从而切换改变电机每相串联匝数，进而改变电机转矩‑转速特性，实现等效于电机加变速箱的变档运行。

Description

一种永磁无刷变档电机

技术领域

本发明涉及永磁无刷电机及其控制技术领域，尤其涉及一种永磁无刷变档电机。

背景技术

随着能源危机和全球温室效应的不断加剧，高效节能环保的电动汽车、电动客车等新能源汽车行业迎来迅速发展。电动汽车常采用异步电机和永磁无刷电机作为驱动电机，永磁无刷电机由于结构紧凑、控制简单、体积小、功率密度高等优点，正在成为电动汽车驱动电机的重要选择之一。

电动汽车通常采用驱动电机配合固定齿比减速箱的驱动方式，结构简单，控制方便，但存在兼顾低速大转矩、高速大功率的动力不足问题。随着新能源汽车的快速发展和普及，市场对新能源汽车动力特性的要求进一步提高，传统驱动电机配合固定齿比减速箱的驱动方式愈来愈难以满足动力特性的要求，若采用驱动电机配合变速箱的驱动方式，系统结构复杂，同时未能充分发挥电机独有的调速优势。

通过对电机绕组连接方式切换，以改变电机绕组每相串联匝数、极对数或每相端电压，从而改变电机转矩特性，是众所周知的常识。例如异步电机采用Y-Δ起动能在起动时获得较大转矩，变极调速能实现转速突变，抽头调速能实现高低速转换，但由于能量不能突变，而异步电机和永磁同步电机等均为感性负载，因此在进行绕组连接方式切换时难以避免产生可高至数千伏尖峰电压问题，频繁切换必然导致电机和切换装置的损坏。

现阶段国内外的研究或专利公开了多种永磁同步电机绕组串并联方式的技术方案，但对如何消除绕组切换过程中尖峰电压的关键问题，迄今未能提出可靠的、能实现频繁切换的控制方法和控制电路。

永磁无刷电机通常指永磁同步电机和永磁无刷直流电机，事实上两种电机本体基本结构相同，但配合不同的驱动方式就形成了两种不同性质的电机，正弦波驱动则成为永磁同步电机，具有伺服性好和低噪声的特点；方波驱动则成为永磁无刷直流电机，具有控制简单和转矩密度大的特点。

公开号为CN 114189193 A提出一种双绕组电机切换拓扑，通过共发射极IGBT管实现双向电流控制，采用双逆变器控制拓扑，在并联时能够充分利用逆变器电压输出极限，但成本相较于单逆变器翻倍；

公开号为CN 214125189 U针对绕组接线状态设计了切换方案，从整体角度给出绕组切换控制具体流程，在接收到切换信号后，驱动信号模块经由绕组切换模块与电机实现通信连接，但控制方案较为复杂，过多模块导致成本较高；

公开号为CN 210273883 U采用电子式切换开关，通过双向电子开关对来选择不同的电机绕组连接方式，切换控制电路简单且保证了开通关断可靠性，但是并没有能够充分利用绕组；

公开号为CN 209767424 U提出一种两档电机绕组切换装置，可以实现与两档机械变速箱相同的作用，在低速提高输出转矩，高速拓宽调速范围，但切换过程中同样存在绕组闲置浪费现象。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种永磁无刷变档电机，可以解决单一电机配合固定齿比减速箱低速时转矩输出能力和高速时调速范围不能兼得的缺点，彻底消除绕组切换时电流突变引起的尖峰电压对功率开关管的冲击损害。

本发明提出的永磁无刷变档电机，包括带有双向电子切换变档电路和多支路各相定子绕组的永磁无刷电机，以及用于永磁无刷电机的零状态电流绕组切换控制方法，所述多支路各相定子绕组为能够连接成2条或2条以上并联支路数的多个分段绕组，所述双向电子切换变档电路用于根据实际档位需求改变电机各相分段绕组的连接方式，所述连接方式包括定子绕组串联方式、定子绕组并联方式和定子绕组串并联方式。

当电机接收到变档指令时，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，则根据所述变档指令对各相定子绕组中分段绕组的连接方式进行切换。

所述永磁无刷电机根据驱动方式的不同具有两种运行模式，包括正弦波驱动下的永磁同步电机运行模式和方波驱动下的永磁无刷直流电机运行模式，其中方波驱动采用两两导通三相六状态控制方法。

本发明提供的永磁无刷变档电机通过改变永磁无刷电机的各相定子绕组连接方式，从而切换改变电机每相串联匝数，进而改变电机转矩-转速特性，实现等效于电机加变速箱的变档运行。

本发明提供的零状态电流绕组切换控制方法保证了电动车辆舰船变档过程中动力的连续性，使电机效率在全工况运行区间均保持在高效率状态，大大增加了电动车辆舰船的续航能力。

具体的，所述各相定子绕组中的各个分段绕组的电气参数须相同，包括绕组匝数、电感和电阻，确保电机在任意连接方式中保持运行的稳定性和可靠性。

具体的，所述双向电子切换变档电路包括逆阻型绝缘栅双极性晶体管，其特性等效于带续流二极管的功率开关管在集电极回路集成一个与续流二极管方向相反的二极管。

具体的，所述双向电子切换变档电路采用具有双向导通能力的开关器件，实现电流双向导通。

具体的，所述开关器件采用两个相同的逆阻型功率开关管反向并联构成，两个逆阻型功率开关管采用同一个驱动信号，从而防止开关管导通关断时间存在时延导致电流断续。

具体的，所述零状态电流绕组切换控制方法的具体过程如下：

当电机接收到切换绕组连接方式的变档指令后，先调整至或保持为两两导通三相六状态运行模式，再依次检测各相绕组电流是否为零状态，若为零状态，则进行绕组串并联切换。

当各相绕组连接方式切换完成后，再将电机运行模式由两两导通三相六状态运行模式恢复为原来的运行模式。

即通过电机在方波驱动时采用两两导通三相六状态控制方式，任意时刻只有两相绕组导通，另一相绕组关断，利用关断相绕组电流为零的特征进行绕组切换。

利用电机两两导通三相六状态每相电流中的零电流区间进行绕组切换，在绕组切换之前先将电机运行方式切换或保持为永磁无刷直流电机两两导通三相六状态运行模式，然后依次检测各相绕组的电流是否为零状态，在电流为零状态期间对各相绕组连接方式依次切换，从原理上彻底消除了电机在绕组切换时因能量突变导致的高电压尖峰，实现了电动车辆舰船在不同场景下频繁快速可靠地变档行驶的目的。

具体的，各相定子绕组中的分段绕组数量为2时，绕组连接方式有两种，车辆行驶时电机档位具有低速档和高速档两档；各相定子绕组中的分段绕组数量为4时，绕组连接方式有三种，车辆行驶时电机档位具有低速档、中速档和高速档三档；各相定子绕组中的分段绕组数量为4以上时，可以形成更多的连接方式和更多的档位。

以分段绕组数量为2为例，当电机低速运行时，电机各相定子绕组通过改变双向电子开关的状态将分段绕组连接成绕组串联方式，绕组每相串联匝数增加，电机峰值转矩增大，此时电机对应档位为低速档；当当电机高速运行时，电机各相定子绕组通过改变双向电子开关的状态将分段绕组连接成绕组并联方式，绕组每相串联匝数减少，电机最大转速增大，此时电机对应档位为高速档。

以电机正常运行时处于永磁同步电机运行模式为例，当电机转速处于升档切换区域且发出升档指令时，先将电机切换为永磁无刷直流电机两两导通三相六状态运行模式，再依次检测各相绕组电流是否为零状态，若为零状态，则依次进行绕组切换，减少每相串联匝数，例如将分段绕组的连接方式从绕组串联方式切换为绕组并联方式，等待三相绕组全部切换完成后将电机运行模式重新切换为永磁同步电机运行模式；当电机转速处于降档切换区域且发出降档指令时，先将电机切换为永磁无刷直流电机两两导通三相六状态运行模式，再依次检测各相绕组电流是否为零状态，若为零状态，则依次进行绕组切换，增加每相串联匝数，例如将分段绕组的连接方式从绕组并联方式切换为绕组串联方式，等待三相绕组全部切换完成后将电机切换为永磁同步电机运行模式。

若电机已处于两两导通三相六状态运行模式，则可省掉永磁同步电机与永磁无刷直流电机两种模式之间的切换过程，直接进行电流检测，实施零状态电流的绕组连接方式切换。

具体的，所述变档区域为电机变档位时的转速切换区域，所述变档区域用于描述变档原理，根据绕组切换前后电机的效率和动力性能变化以及驾驶人员的主观意图来确定某一段适合的转速切换区域，包含升档切换区域和降档切换区域。

具体的，在电机运行时，电流与位置信号之间存在确定的相位关系，为避免在非零状态区域的电流过零点误切换，排除电流检测精度的误差干扰，确保绕组切换过程的可靠安全，通过零状态电流切换控制方法可以增加位置信号辅助对零状态电流区域判定，在逐相切换绕组连接方式时，根据该相电流检测信号和转子位置信号共同决定绕组切换时刻。

若检测该相电流不在零状态区域，则不进行切换；若检测该相电流处于零状态区域，但转子位置信号不在给定切换区间内，则不进行切换；若检测该相电流处于零状态区域，且转子位置信号处于给定切换区间内，则进行切换。

本发明将包含双向电子切换变档电路和多支路各相定子绕组的永磁无刷电机与零状态电流绕组切换控制方法有机组合，构成了一种永磁无刷变档电机，相比现有技术，其优点在于：

1、本发明实现了基于绕组切换的永磁无刷变档电机可靠变档控制，在单一电机下获得多个档位的调速性能，取代了传统电机变档需要的变速箱等复杂机械结构，为电动车辆舰船节省空间的同时有效提高低速转矩，扩大调速范围，增大高效率区，满足复杂路况下的性能需求。

2、本发明采用零状态电流控制方法，确保绕组切换过程发生在电流为零的情况下，杜绝了电流冲击和尖峰电压的出现，大大提高驱动用电力电子器件的安全指数，降低开关器件在频繁通断情况下的损耗，满足电动车辆船舰在复杂工况下反复启停、加减速的性能需求。

附图说明

图1是本实施例中两档三相永磁无刷变档电机的变档电路示意图；

图2是本实施例中双向电子开关切换变档电路拓扑结构示意图；

图3是本实施例提供的低速档运行电路示意图；

图4是本实施例提供的高速档运行电路示意图；

图5是本实施例中永磁无刷变档电机在方波驱动下一相相电流波形以及零状态区域给定切换区间示意图；

图6是本实施例中位置信号辅助判定切换区间示意图；

图7是本实施例中支路数为2时定子绕组连接方式组合示意图；

图8是本实施例中支路数为3时定子绕组连接方式组合示意图；

图9是本实施例中支路数为4时定子绕组连接方式组合示意图；

图10是本实施例提供的永磁无刷变档电机的原理框图。

具体实施方式

本实施例提供的永磁无刷变档电机，包括包含双向电子切换变档电路和多支路各相定子绕组的永磁无刷电机，以及用于该永磁无刷电机的零状态电流切换控制方法。所述多支路各相定子绕组均分为若干个分段绕组，所述双向电子切换变档电路用于根据实际档位需求改变永磁无刷电机各相分段绕组的连接方式，所述连接方式包括定子绕组串联方式、定子绕组并联方式和定子绕组串并联方式。

实施例：

如图1所示，以两档三相永磁无刷电机为例。

永磁无刷电机绕组由A、B、C三相绕组组成，每相绕组分别存在两个分段绕组，即可以构成两条支路。A相绕组的两个分段绕组分别为A1、A2，A1绕组的两头端口分别为A11、A12，A2绕组的两头端口分别为A21、A22；B相绕组的两个分段绕组分别为B1、B2，B1绕组的两头端口分别为B11、B12，B2绕组的两头端口分别为B21、B22；C相绕组的两个分段绕组分别为C1、C2，C1绕组的两头端口分别为C11、C12，C2绕组的两头端口分别为C21、C22；其中A1、A2、B1、B2、C1、C2分别为匝数、电阻、电感等参数完全相同的绕组。

三相永磁无刷电机中采用三相全桥功率变换电路，V1-V6均为带有续流二极管的功率开关管，V1和V4控制A相绕组电流的导通方向，V3和V6控制B相绕组电流的导通方向，V5和V2控制C相绕组电流的导通方向。功率开关管承受直流母线电压，续流二极管提供续流回路。当永磁无刷电机采用正弦波驱动方式运行在永磁同步电机模式时，同一时刻三相导通，各相上下管均有一管导通，另一管关断；当永磁无刷电机采用两两导通三相六状态方波驱动方式运行在永磁无刷直流电机模式时，同一时刻两相导通，存在某相上下管同时关断。功率开关管的具体导通关断顺序取决于驱动控制方式。

本实施例提出的双向电子切换变档电路采用具有双向导通能力的开关器件，以实现电流双向导通，更具体地，该开关器件采用两个相同的逆阻型功率开关管反向并联构成，同时两个逆阻型功率开关管采用同一个驱动信号，从而防止开关管导通关断时间存在时延导致电流断续。

如图2所示，VA1和VA2反并联构成并联开关KPA1，VA3和VA4反并联构成并联开关KPA2，VA5和VA6反并联构成串联开关KSA。为确保电流能够双向流通，VA1-VA6均为逆阻型IGBT，对于构成开关的每一对功率管，其驱动信号同步。

以A相为例，电机低速档运行时，KPA1和KPA2关断，KSA开通，绕组A1和A2通过二极管KSA串联，构成支路数a＝1的低速档的运行电路。如图3所示。

电机高速档运行时，KPA1和KPA2开通，KSA关断，绕组A1和A2通过二极管KSA并联，构成支路数a＝2的高速档运行电路，如图4所示。

此外，B相和C相控制方式与A相相同。

以实施例中的两档三相永磁无刷变档电机为例，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，当永磁无刷电机采用两两导通三相六状态方波驱动运行在永磁无刷直流电机模式后，各相电流存在三分之一电周期的零状态区域，在此区间内电流始终为0A且保持不变，利用此时的零区电流特性进行分段绕组连接方式切换，杜绝了电流冲击和高电压尖峰的出现，满足电动车辆船舰在复杂工况下反复启停、加减速的性能需求。

如果永磁无刷电机正常运行模式为永磁同步电机，当电机转速处于升档切换区域且发出升档指令时，先将电机切换为永磁无刷直流电机两两导通三相六状态运行模式，再依次检测各相绕组电流是否为零状态区域，若为零状态区域，则依次进行绕组切换，减少每相串联匝数，等待三相绕组全部切换完成后将电机切换回永磁同步电机运行模式；当电机转速处于降档切换区域且发出降档指令时，先将电机切换为永磁无刷直流电机两两导通三相六状态运行模式，再依次检测各相绕组电流是否为零状态区域，若为零状态区域，则依次进行绕组切换，增加每相串联匝数，等待三相绕组全部切换完成后将电机切换回永磁同步电机运行模式。

变档区域为电机变档位时的转速切换区域。变档区域用于描述变档原理，根据绕组切换前后电机的效率和动力性能变化以及驾驶人员的主观意图来确定某一段适合的转速切换区域，包含升档切换区域和降档切换区域。

为避免在非零状态区域的电流过零点误切换，排除电流检测精度等误差干扰，确保切换过程的可靠安全，需要根据该相电流检测信号和转子位置信号共同决定切换时刻。

如图6所示，若检测该相电流不在零状态区域，则不进行绕组切换；若检测该相电流处于零状态区域，但转子位置信号不在给定切换区间内，则不进行绕组切换；若检测该相电流处于零状态区域，且转子位置信号处于给定切换区间内，则进行绕组切换。

各相电流零状态区域的边缘部分存在上升沿或下降沿，需避免在此区域切换，转子位置信号的给定切换区间可以选择为零状态区域三等分的中间区域。

当每相绕组的分段数增加，绕组连接方式相应增多。

分段数为2时，可行绕组连接方式有串联和并联两种，如图7所示。

分段数为3时，为保证输出转矩平稳，可行绕组连接方式同样有串联和并联两种，如图8所示。

分段数为4时，可行绕组连接方式包括绕组串联、绕组串并联和绕组并联三种，如图9所示。绕组分段数更多时，可以同理构成更多的绕组连接方式组合。

如图10所示，永磁无刷电机整体原理框图包括PI控制器、方波和正弦波驱动控制系统及其切换控制、IGBT逆变电路、双向电子切换变档电路、零状态电流切换控制、多支路各相定子绕组永磁无刷电机和电流传感器、位置传感器。其中n^*为给定转速；n为实际转速；i_abc为电机三相电流；θ_e为转子电角度。

Claims (8)

1.一种永磁无刷变档电机，其特征在于，包括带有双向电子切换变档电路和多支路各相定子绕组的永磁无刷电机，以及用于永磁无刷电机的零状态电流绕组切换控制方法，所述各相定子绕组均分为若干个分段绕组，根据接收到的变档指令，采用零状态电流绕组切换控制方法对双向电子切换变档电路进行调节，从而切换各相的分段绕组之间的连接方式，所述连接方式包括绕组串联方式、绕组串并联方式和绕组并联方式。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，所述零状态电流绕组切换控制方法的具体过程如下：

当电机接收到切换绕组连接方式的变档指令后，先调整至或保持为两两导通三相六状态运行模式，再依次检测各相绕组电流是否为零状态，若为零状态，则进行绕组串并联切换；

当各相绕组连接方式切换完成后，再将电机运行模式由两两导通三相六状态运行模式恢复为原来的运行模式。

3.根据权利要求2所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，绕组切换所要求的零状态电流，由相电流检测信号或/和转子位置信号决定。

4.如权利要求3所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，所述转子位置信号的切换时刻位于零状态电流区间内。

5.根据权利要求1或2所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，所述变档指令包括升档指令和降低指令；

当电机接到升档指令时，采用零状态电流绕组切换控制方法对双向电子切换变档电路进行调节，以减少每相定子绕组的串联匝数，所述电机最大转速增大，此时电机对应档位为高速档；

当电机接到降档指令时，采用零状态电流绕组切换控制方法对双向电子切换变档电路进行调节，以增加每相定子绕组的串联匝数，所述电机峰值转矩增大，此时电机对应档位为低速档。

6.根据权利要求1所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，当各相定子绕组中的分段绕组的数量大于等于4时，各相定子绕组的分段绕组连接方式包括绕组串联、绕组并联和绕组串并联方式，可以获得电机两个档位以上的多个档位的变档运行，实现所述电机多档平稳切换运行。

7.根据权利要求1所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，所述各相定子绕组中的各个分段绕组的电气参数均相同，包括绕组匝数、电感和电阻。

8.根据权利要求1所述的永磁无刷变档电机，其特征在于，所述双向电子切换变档电路采用具有双向导通能力的开关器件，实现电流双向导通。