CN208209843U - 一种分段绕组电机控制器 - Google Patents
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Abstract
一种分段绕组电机控制器,该电机控制器包括电机定子绕组,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W1,三相绕组分别记作A、B和C,整体为ABC绕组;另一段为低速驱动绕组,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绕组直接串联,abc绕组的后端中性点直接相连,ABC绕组一端与第一逆变单元的输出端相连接,ABC绕组与abc绕组的中间连接第二逆变单元的输出端;所述第一逆变单元和第二逆变单元并联在电容两端,共同组成电机控制器;本实用新型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。
Description
技术领域
本实用新型涉及三相电机技术领域,具体涉及一种分段绕组电机控制器。
技术背景
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IGBT,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IGBT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。
目前主流电机驱动厂家为解决高速及低速大转矩的需求,多推出双电机的方案,即大小额定功率的电机搭配使用,通过联动轴将两个电机连接在一起,分别在不同的情况下控制使用不同的电机,该方法采用两个电机,且机械结构复杂,成本较高。
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,提供一种分段绕组电机控制器,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。
为实现以上目的,本实用新型采用的技术方案为:
一种分段绕组电机控制器,包括电机定子绕组3,所述电机定子绕组3的三相分成两段,一段为高低速驱动绕组,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绕组直接串联,abc绕组的后端中性点直接相连,ABC绕组一端与第一逆变单元1的输出端相连接,ABC绕组与abc绕组的中间连接第二逆变单元2的输出端;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2并联在电容两端;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2共同组成电机控制器4。
还包括开关S1,所述开关S1设置在第一逆变单元1与直流母线之间或设置在第一逆变单元1与ABC绕组之间,设置在逆变单元1与直流母线之间,用于在第二逆变单元2工作时防止线圈感应能量回流到直流母线;所述开关S1为半导体开关或继电器开关。
所述第一逆变单元1和第二逆变单元2相同,均为三相逆变桥。
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。
所述的分段绕组电机控制器的控制方法,当电机运行于低速时,第一逆变单元1工作,第二逆变单元2封波不工作,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;此时开关S1保持开通,以满足储能电池释放能量及电机能量回馈的双向能量流动;
随着转速升高,进入弱磁状态;当电机转速达到n3时,使第一逆变单元1封波停止工作,第二逆变单元2开始工作,并断开开关S1,此时电机进入单套绕组工作模式,只有高低速驱动绕组工作,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;开关S1断开保证ABC绕组处于完全断开模式,防止ABC绕组中产生电流形成干扰磁场;
当电机由高速减速,转速降至n2时,重新使第一逆变单元1开始工作,第二逆变单元2停止工作,再次进入绕组串联模式。
所述其中:N为分段绕组电机的弱磁倍数;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、控制器两个逆变单元不同时工作,损耗不同时发生,因而热设计可只考虑其中一个的损耗,相对于应用两个独立控制器体积小,利于成本降低及安装。
4、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为本实用新型第一种分段绕组电机控制器示意图。
图2为本实用新型第二种分段绕组电机控制器示意图。
图3为使用本实用新型分段绕组电机控制器后电机的机械特性曲线。
图4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和图2所示,本实用新型一种分段绕组电机控制器,包括电机定子绕组3,所述电机定子绕组3的三相分成两段,一段为高低速驱动绕组,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绕组直接串联,abc绕组的后端中性点直接相连,ABC绕组一端与第一逆变单元1的输出端相连接,ABC绕组与abc绕组的中间连接第二逆变单元2的输出端;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2并联在电容两端;所述第一逆变单元1和第二逆变单元2共同组成电机控制器4。
如图1所示,开关S1设置在第一逆变单元1与直流母线之间,用于在第二逆变单元2工作时防止线圈感应能量回流到直流母线;还可以如图2所示,开关S1设置在第一逆变单元1与ABC绕组之间,优选地,开关S1为半导体开关或继电器开关。
作为本实用新型的优选实施方式,所述第一逆变单元1和第二逆变单元2相同,均为三相逆变桥。
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。
如图4所示,本实用新型分段绕组电机控制器的控制方法,当电机运行于低速时,第一逆变单元1工作,第二逆变单元2封波不工作,此时所有绕组都参加工作,每相匝数为W1+W2串联,产生较多的安匝数,产生大转矩,最大转矩可达T1;此时开关S1保持开通,以满足储能电池释放能量及电机能量回馈的双向能量流动;
随着转速升高,进入弱磁状态;当电机转速达到n3时,使第一逆变单元1封波停止工作,第二逆变单元2开始工作,并断开开关S1,此时电机进入单套绕组工作模式,只有高低速驱动绕组工作,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;开关S1断开保证ABC绕组处于完全断开模式,防止ABC绕组中产生电流形成干扰磁场;
当电机由高速减速,转速降至n2时,重新使第一逆变单元1开始工作,第二逆变单元2停止工作,再次进入绕组串联模式。
本实用新型控制方法,第一逆变单元1和第二逆变单元2交替工作,损耗不同时发生,因而在控制器设计中可以只考虑一个逆变单元的最大散热需求,相对于两个逆变单元并联运行的方案,体积较小。另外由于第二逆变单元2只工作于定子线圈电流较低时,因而设计功率可以适当放低。
如图3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 (4)
1.一种分段绕组电机控制器,其特征在于:包括电机定子绕组(3),所述电机定子绕组(3)的三相分成两段,一段为高低速驱动绕组,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绕组直接串联,abc绕组的后端中性点直接相连,ABC绕组一端与第一逆变单元(1)的输出端相连接,ABC绕组与abc绕组的中间连接第二逆变单元(2)的输出端;所述第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)并联在电容两端;所述第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)共同组成电机控制器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种分段绕组电机控制器,其特征在于:还包括开关(S1),所述开关(S1)设置在第一逆变单元(1)与直流母线之间或设置在第一逆变单元(1)与ABC绕组之间,设置在第一逆变单元(1)与直流母线之间,用于在第二逆变单元(2)工作时防止线圈感应能量回流到直流母线;所述开关(S1)为半导体开关或继电器开关。
3.根据权利要求1所述的一种分段绕组电机控制器,其特征在于:所述第一逆变单元(1)和第二逆变单元(2)相同,均为三相逆变桥。
4.根据权利要求1所述的一种分段绕组电机控制器,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。
Priority Applications (1)
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CN201820713229.3U CN208209843U (zh) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 一种分段绕组电机控制器 |
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CN108418497A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-08-17 | 西安清泰科新能源技术有限责任公司 | 一种分段绕组电机控制器及控制方法 |
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- 2018-05-14 CN CN201820713229.3U patent/CN208209843U/zh active Active
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