CN208112355U - 一种三相电机绕组切换装置 - Google Patents

Abstract

一种三相电机绕组切换装置，该装置包括电机定子绕组，电机定子绕组的三相分成两段，一段为低速驱动绕组，匝数为W1，整体为ABC绕组；另一段为高低速驱动绕组，匝数为W2，整体为abc绕组；ABC绕组和abc绕组中性点均不直接相连，而分别通过三个可控半导体开关连接在一起；ABC绕组与连接的可控半导体开关S1/S2/S3，形成高速切换电路，abc绕组串联ABC绕组与连接的可控半导体开关S4/S5/S6，形成低速切换电路，高速切换电路和低速切换电路整体形成绕组切换装置；本实用新型能够实现两档机械变速箱的功能，既实现了低速大转矩输出、又降低了高速时的弱磁深度，实现宽转速范围的高效驱动。

Description

一种三相电机绕组切换装置

技术领域

本实用新型涉及三相电机技术领域，具体涉及一种三相电机绕组切换装置。

背景技术

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，专利CN 201310041277.4提出了一种在高、低速时切换绕组的技术。定子的线圈分为两部分，低速旋转时电流在全部圈线内通过，而高速旋转时则在部分线圈内通过。但其技术中使用全控器件半导体开关，成本较高且可能在主动关断过程中产生过电压，损伤绕组绝缘和半导体开关管；其切换电路中的RC缓冲电路一方面增加了系统的复杂性，另一方面电容往往体积较大，且电容本身也比较脆弱，在过压冲击下有故障风险。

专利CN 201510508099.0及CN 2016100899171.1也提出了通过绕组切换实现高低速控制的切换装置及方法，但都需要提供单独的直流电源或独立的逆变主电路，增加了系统设计的复杂性及控制复杂性，不利于将切换装置集成在电机内部。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种三相电机绕组切换装置及控制方法，能够使用电子电路起到汽车中两档机械变速箱的作用，使得电机在低速区能够提供大转矩；高速区减小绕组匝数，在不用增加弱磁深度的前提下拓宽调速范围；并且可以使得高速区、低速区都可以高效运行。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种三相电机绕组切换装置，包括电机定子绕组1，所述电机定子绕组1的三相分成两段，一段为和外部端子相连的高低速驱动绕组，匝数为W1，三相绕组分别记作A、B和C，整体为ABC绕组；另一段为和外部端子相连的低速驱动绕组，只在低速时接入电路，匝数为W2，三相绕组分别记作a、b和c，整体为abc绕组；ABC绕组和abc绕组中性点均不直接相连，而分别通过三个可控半导体开关连接在一起；所述ABC绕组连接的可控半导体开关分别为第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3，形成高速切换电路2，所述abc绕组连接的可控半导体开关分别为第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6，形成低速切换电路3，高速切换电路2和低速切换电路3整体形成绕组切换装置4。

所述ABC绕组和abc绕组的三相绕组分别连接在可控半导体开关的同一端，可控半导体开关的另一端短接在一起。

所述W1和W2的比值不一定为1：1，而是与系统要求的弱磁调速范围、切换转速有关的变量，计算公式为W2:W1＝(n2-n1):n1。

所述电机绕组切换装置的控制方法，当电机运行于低速时，电机控制器在给主逆变电路发PWM工作信号的同时，发出导通信号给低速切换电路3中的的第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关 S5和第六可控半导体开关S6，使可控半导体开关导导通，从而将abc 绕组的下部端点短接；此时，所有绕组都参加工作，每相匝数为 W1+W2，产生大转矩，最大转矩可达T1；

随着电机运行转速升高至n3，进入弱磁状态；电机控制器控制电机电流衰减到零，并发出关断信号给第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6，使abc绕组的下部端点断开；然后，发出开通信号给高速切换电路2中的第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3，并重新控制三相电流增加；此时，电机进入单套绕组工作模式，每相匝数为W1；由于串联匝数较少，反电势相对较小，降低了弱磁的深度；

当电机运行转速由高速n3减速，降至n2时，电机控制器控制电机电流衰减到零，并发出关断信号给第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3，使ABC绕组的下部端点断开；然后，发出开通信号给半导体开关S4/S5/S6，使abc绕组的下部端点连通，并重新控制三相电流增加，再次进入绕组串联模式。

所述第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3以及第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关 S5和第六可控半导体开关S6通过控制器控制开通及关断，第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3 可使用同一驱动信号，第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6可使用同一驱动信号；通过控制器控制，确保总是在零电流状态下，进行两个定子绕组间的切换；因此不需要缓冲电路，避免了因缓冲电路器件故障，造成切换失控和半导体开关主动关断产生过压。

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，本实用新型具备如下优点：

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、三个可控半导体开关可使用同一驱动信号控制，降低系统设计复杂度及控制难度。

4、通过控制在线圈电流为零时进行切换，因此不需要缓冲电路，避免了因缓冲电路器件故障，造成切换失控和半导体开关主动关断产生过压的风险。

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为本实用新型电机绕组切换装置示意图。

图2为绕组串联模式下的输出机械特性。

图3为单绕组模式下的输出机械特性。

图4为使用本实用新型装置后电机的机械特性曲线

图5为本实用新型电机绕组切换装置及控制系统总体框架图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚简明，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种三相电机绕组切换装置，包括电机定子绕组1，所述电机定子绕组1的三相分成两段，一段为和外部端子相连的高速驱动绕组，匝数为W1，三相绕组分别记作A、B和C，整体为ABC绕组；另一段为和外部端子相连的低速驱动绕组，只在低速时接入电路，匝数为W2，三相绕组分别记作a、b和c，整体为abc 绕组；ABC绕组和abc绕组中性点均不直接相连，而分别通过三个可控半导体开关连接在一起；所述ABC绕组连接的可控半导体开关分别为第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3，形成高速切换电路2，所述abc绕组连接的可控半导体开关分别为第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6，形成低速切换电路3，高速切换电路2和低速切换电路3整体形成绕组切换装置4。

所述ABC绕组和abc绕组的三相绕组分别连接在可控半导体开关的同一端，可控半导体开关的另一端短接在一起。

作为本实用新型的优选实施方式，所述W1和W2的比值为不一定为1：1，而是与系统要求的弱磁调速范围、切换转速有关的变量，计算公式为W2:W1＝(n2-n1):n1

如图2所示为绕组串联模式下电机的机械输出特性，由于高速时会产生较高的反电动势，无法达到需要的应用中需求的高转速n4；图3所示为单绕组模式下电机的机械输出特性，绕组匝数少，可以达到需求的高转速n4，但低速时无法达到大转矩T1。

如图4和图5所示，本实用新型三相电机绕组切换装置的控制方法，当电机运行于低速时，电机控制器在给主逆变电路发PWM工作信号的同时，发出开通信号给低速切换电路3中的第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6，使abc绕组的下部端点短接；此时，所有绕组都参加工作，每相匝数为W1+W2 (串联)，产生大转矩，最大转矩可达T1；

随着电机运行转速升高至，进入弱磁状态；当电机转速过高，达到n3时，电机控制器控制电机电流衰减到零，并给第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6发出关断信号，使abc绕组的下部端点断开；然后，给高速切换电路2中的第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3开通信号，并重新控制三相电流增加；此时，电机进入单套绕组工作模式，只有全速驱动绕组工作，每相匝数为W1；由于串联匝数较少，反电势相对较小，降低了弱磁的深度；

当电机运行转速由高速n3减速，降至n2时，电机控制器控制电机电流衰减到零，并给第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3发出关断信号，使ABC绕组的下部端点断开；然后，给低速切换电路3中的第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6开通信号，使abc绕组的下部端点连通，并重新控制三相电流增加，再次进入绕组串联模式。

本实用新型所述第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3以及第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6通过控制器控制开通及关断，第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3可使用同一驱动信号，第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6可使用同一驱动信号，降低设计复杂度；通过控制器控制，确保总是在零电流状态下，进行两个定子线圈间的切换；因此不需要缓冲电路，避免了因缓冲电路器件故障，造成切换失控和半导体开关主动关断产生过压。

如图4所示，n2～n3之间的区域为串联工作模式和单绕组工作模式均可工作的模式，为了提高绕组的利用率，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

Claims (3)

1.一种三相电机绕组切换装置，其特征在于：包括电机定子绕组(1)，所述电机定子绕组(1)的三相分成两段，一段为和外部端子相连的高低速驱动绕组，匝数为W1，三相绕组分别记作A、B和C，整体为ABC绕组；另一段为和外部端子相连的低速驱动绕组，只在低速时接入电路，匝数为W2，三相绕组分别记作a、b和c，整体为abc绕组；ABC绕组和abc绕组中性点均不直接相连，而分别通过三个可控半导体开关连接在一起；所述ABC绕组连接的可控半导体开关分别为第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2和第三可控半导体开关S3，形成高速切换电路(2)，所述abc绕组连接的可控半导体开关分别为第四可控半导体开关S4、第五可控半导体开关S5和第六可控半导体开关S6，形成低速切换电路(3)，高速切换电路(2)和低速切换电路(3)整体形成绕组切换装置(4)。

2.根据权利要求1所述的一种三相电机绕组切换装置，其特征在于：所述ABC绕组和abc绕组的三相绕组分别连接在可控半导体开关的同一端，可控半导体开关的另一端短接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种三相电机绕组切换装置，其特征在于：所述W1和W2的比值是与系统要求的弱磁调速范围、切换转速有关的变量。