CN212210885U - 一种双电压永磁电机及新型设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种双电压永磁电机及新型设备，其中，双电压永磁电机包括电机主体和变频驱动装置；变频驱动装置中设有主电路；主电路包括整流模块、逆变模块、电压检测模块、控制模块和驱动模块。本实用新型提供的双电压永磁电机，在实际使用时，能够在单相、三相双电压输入时正常工作，输出所需的转速和转矩，解决了现有的永磁电机在同一台电机上无法同时适配于220V的单相电及380V的三相电的问题，从而能同时适用于单相、三相双电压的运用场合，扩大了电机的使用范围。

Description

一种双电压永磁电机及新型设备

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，特别涉及一种双电压永磁电机及新型设备。

背景技术

电机作为动力源被广泛用于诸如风扇、增氧机以及电动车辆等。永磁电机作为电机中的一种，使用由电流流过的线圈产生的磁场与由永久磁体产生的磁场之间的磁相互作用来使转子旋转。现有的永磁电机大多带有变频功能，但现有的变频电路大多如公开号为CN206517307U，公开日为2017年09月22日公开的一种逆变切换变频器电路，其由整流模块、滤波模块、逆变模块、开关模块、电流检测模块组成，逆变模块包括第一逆变模块和第二逆变模块，开关模块包括第一开关模块和第二开关模块，通过电流检测模块检测逆变模块输出的电流，选择由IGBT组成的逆变模块工作，还是选择由MOSFET组成的逆变模块工作，使得变频器可以在高压以及频繁在高低频率切换的电路中运行。

虽然上述变频电路能够通过电流检测模块实现使得变频器可以在高压以及频繁在高低频率切换的电路中运行的目的，但是其只能适配一种220V的单相或380V的三相电，无法同时适配于220V的单相电及380V的三相电，应用于永磁电机时，使得永磁电机的使用范围受到了极大的限制。

实用新型内容

为解决上述背景技术中提到的现有的永磁电机在同一台电机上无法同时适配于220V的单相电及380V的三相电，使得电机的使用范围受到了极大的限制的问题，本实用新型提供一种双电压永磁电机及新型设备，其中，双电压永磁电机包括电机主体和变频驱动装置；所述变频驱动装置中设有主电路；所述主电路包括整流模块、逆变模块、电压检测模块、控制模块和驱动模块；

所述整流模块用于对接入的380V三相或单相220V交流电进行整流；

所述逆变模块用于将整流模块输出的直流电逆变为三相交流电为电机主体供电；

所述电压检测模块设于整流模块与逆变模块之间；所述电压检测模块依次通过控制模块和驱动模块与逆变模块耦接；

所述电压检测模块用于检测母线电压，并触发控制模块发出不同占空比信号给所述驱动模块；

所述驱动模块用于驱动所述逆变模块输出逆变电压。

进一步地，所述整流模块由6个二极管组成的三相整流桥，以及耦接于三相整流桥输出端的储能模块构成。

进一步地，所述二极管的型号参数与电路中接入380V三相时的输入电压以及接入单相220V时的输入电流相适配。

进一步地，所述逆变模块包括6个IGBT；6个IGBT的门极均与驱动模块耦接；第一IGBT集电极、第三IGBT集电极、第五IGBT集电极与整流模块输出端一端耦接；

第二IGBT发射极、第四IGBT发射极和第六IGBT发射极均与整流模块输出端另一端耦接；

所述第一IGBT发射极与第二IGBT集电极的连接节点为U端；第三IGBT发射极和第四IGBT集电极的连接节点为V端；所述第五IGBT发射极和第六IGBT集电极的连接节点为W端。

进一步地，所述IGBT的型号参数中的额定电压大于或等于2倍的直流母线电压，额定电流大于或等于1.5倍的输出电流。

进一步地，所述电压检测模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；

所述电阻R3一端、电阻R6一端分别与整流模块耦接；所述电阻R3一端另依次通过电阻R4、电阻R5与电阻R6另一端耦接；所述电阻R5与电阻R6的连接节点与控制模块耦接。

进一步地，所述的电机主体的额定电压参数小于220V。

进一步地，所述整流模块还包括防冲击模块，所述防冲击模块的输入端、输出端分别与所述三相整流桥输出端、所述储能模块输入端连接，所述防冲击模块包括电阻R和开关KM，所述电阻R和开关KM并联。

进一步地，所述永磁电机为电机主体和变频驱动装置一体化的永磁电机。

本实用新型还提供一种新型设备，采用如上任意所述的双电压永磁电机。

本实用新型提供的双电压永磁电机，在实际使用时，能够在单相、三相双电压输入时正常工作，输出所需的转速和转矩，解决了现有的永磁电机在同一台电机上无法同时适配于220V的单相电及380V的三相电的问题，从而能同时适用于单相、三相双电压的运用场合，扩大了电机的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的双电压永磁电机示意图；

图2为变频驱动装置的主电路的电路图；

图3为增氧机永磁同步电机中电机本体定转子模型图；

图4为风扇永磁同步电机中电机本体定转子模型图。

附图标记：

10 电机主体

20 变频驱动装置

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用了区分不同的组成部分。“连接”、“耦接”或者“相连”等类似词语并非限定于物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本实用新型实施例提供一种双电压永磁电机及新型设备，其中，双电压永磁电机包括电机主体10和变频驱动装置20；所述变频驱动装置20中设有主电路；所述主电路包括整流模块、逆变模块、电压检测模块、控制模块和驱动模块；

所述整流模块用于对接入的380V三相或单相220V交流电进行整流；

所述逆变模块用于将整流模块输出的直流电逆变为三相交流电为电机主体供电；

所述电压检测模块设于整流模块与逆变模块之间；所述电压检测模块依次通过控制模块和驱动模块与逆变模块耦接；

所述电压检测模块用于检测母线电压，并触发控制模块发出不同占空比信号给所述驱动模块；

所述驱动模块用于驱动所述逆变模块输出逆变电压。

具体实施时，如图1、图2所示，变频驱动装置20设置在电机主体10的一端，本实用新型实施例中，电机本体10的额定工作线电压Un≤220V。在变频驱动装置中设有用于为电机主体供电的主电路，主电路包括整流模块、逆变模块、电压检测模块、控制模块和驱动模块；控制模块为MCU；图1中采用的是一体化永磁同步电机，但本实用新型的方案并不限于应用在该类型电机，也可以应用于其他类型的电机。

整流模块上设有可接入380V三相和单相220V交流电的接口端R、S、T，整流模块用于对接入的380V三相或单相220V交流电进行整流；具体地，所述整流模块由6个二极管组成的三相整流桥，以及耦接于三相整流桥输出端的储能模块构成，二极管D1的阳极与二极管D4的阴极相耦接，并作为三相整流桥的第一输入端（如图2所示的R输入端）；二极管D2的阳极与二极管D5的阴极相耦接，并作为三相整流桥的第二输入端（如图2所示的S输入端）; 二极管D3的阳极与二极管D6的阴极相耦接，并作为三相整流桥的第三输入端（如图2所示的T输入端）; 二极管D1、D2、D3的阴极相互耦接，并作为三相整流桥的第一输出端；二极管D4、D5、D6的阳极相互耦接，并作为三相整流桥的第二输出端。而三相整流桥的输入端和输出端也是整流模块的输入端和输出端。所述整流模块还包括防冲击模块，所述防冲击模块的输入端、输出端分别与所述三相整流桥输出端、所述储能模块输入端连接，所述防冲击模块包括电阻R和开关KM，所述电阻R和开关KM并联。

逆变模块用于将整流模块输出的直流电逆变为三相交流电为电机主体供电；电压检测模块设于整流模块与逆变模块之间；电压检测模块依次通过控制模块和驱动模块与逆变模块耦接；电压检测模块用于检测母线电压，并触发控制模块发出不同占空比信号给驱动模块；驱动模块用于驱动逆变模块输出逆变电压；

具体地，逆变模块用于将整流模块输出的直流电逆变为三相交流电为电机主体供电。逆变模块包括6个IGBT（如图2所示的V1-V6），所述逆变模块包括6个IGBT；6个IGBT的门极均与驱动模块耦接；第一IGBT集电极、第三IGBT集电极、第五IGBT集电极与整流模块输出端一端耦接；第二IGBT发射极、第四IGBT发射极和第六IGBT发射极均与整流模块输出端另一端耦接；所述第一IGBT发射极与第二IGBT集电极的连接节点为U端；第三IGBT发射极和第四IGBT集电极的连接节点为V端；所述第五IGBT发射极和第六IGBT集电极的连接节点为W端。逆变器的工作原理均为现有技术，在此不再赘述。

电压检测模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；电阻R3一端、电阻R6一端分别与整流模块耦接；电阻R3一端另依次通过电阻R4、电阻R5与电阻R6另一端耦接；电阻R5与电阻R6的连接节点与控制模块耦接。本实施例中，控制模块（如STM32F103、TMS320F28）和驱动模块是本领域技术人员根据现有技术能够获得的，在此不再赘述。

工作时，在永磁电机本体上的特点及其在确定电机的运用场景所需要的工况后，设计电机的额定输入线电压Un不超过220V，且在此额定电压Un下能输出电机输出端所需要的转矩、转速外特性指标。

变频器装置在单相输入时能逆变出0-220V线电压的三相交流电，在三相输入时能逆变出0-80V线电压的三相交流电。而通过设计使永磁电机本体在应用工况下所需的电压输入为Un,该电机的Un≤220V。当变频器输入220V线电压的单相交流电时，变频器母线电压为311V，通过电压检测模块检测V_bus检测出母线电压Ud1=V_bus1/R6*(R3+R4+R5+R6)。检测得母线电压为311V，控制模块输出PWM信号到驱动模块控制驱动模块逆变电路上开关管的开通与关闭，逆变输出占空比为D1的PWM波，等效输出电压为Un。

当变频器输入380V线电压的三相交流电时，变频器母线电压为537V，通过电压检测模块检测V_bus检测出母线电压Ud2=V_bus2/R6*(R3+R4+R5+R6)。检测得母线电压为537V，控制模块输出PWM信号到驱动模块控制驱动模块逆变电路上开关管的开通与关闭，逆变输出占空比为D2的PWM波，等效输出电压为Un。

上述D1=380/220*D2。

由此可实现该双电压永磁电机在单相、三相双电压输入时正常工作，输出所需的转速和转矩。

本实用新型实施例提供的双电压永磁电机，在实际使用时，能够在单相、三相双电压输入时正常工作，输出所需的转速和转矩，解决了现有的永磁电机在同一台电机上无法同时适配于220V的单相电及380V的三相电的问题，从而能同时适用于单相、三相双电压的运用场合，扩大了电机的使用范围。

优选的，整流模块还包括储能模块，储能模块耦接于三相整流桥的输出端，储能模块包括串联的电容C1、电容C2及串联的R1、R2，电容C1未与电容C2相连接的一端和电阻R1未与电阻R2相连接一端连接后，与三相整流桥的第一输出端相耦接，电容C2未与电容C1相连接的一端和电阻R2未与电阻R1相连接一端连接后，与三相整流桥的第二输出端相耦接，所述电容C1和电容C2连接点与所述电阻R1和电阻R2连接点连接。通过储能模块能够使三相整流桥整流出的直流电更加平滑稳定。

优选地，所述二极管的型号参数与电路中接入380V三相时的输入电压以及接入单相220V时的输入电流相适配。

优选地，所述IGBT的型号参数中的额定电压大于或等于2倍的直流母线电压，额定电流大于或等于1.5倍的输出电流。

本实用新型实施例还提供一种新型设备，采用如上任意所述的双电压永磁电机。所述新型设备包括增氧机、风扇等。

实施例1

以一款增氧机永磁同步电机为例，电机的额定输出转矩为108N·m，额定转速是105rpm。电机的本体定转子模型如图3所示;

该电机为24槽22极的集中式绕组的永磁电机，通过电机设计电机的绕组线圈的匝数为300匝，使得电机的设计电机的额定空载线反电动势为160V，输出转矩108N·m，转速105rpm时电机的额定电压为205V，额定电流4.2A。即电机输入线电流为4.2A，输入线电压为205V时电机可以输出额定的转速和转矩来驱动负载工作。

该电机本体的电源由变频驱动装置提供，该变频驱动装置采用本实施例提供的变频驱动装置，当变频驱动装置输入电压是单相220V的交流电时，它的直流母线电压为311V，通过逆变模块的逆变，它可以逆变出0-220V的电压值，因此可以控制输出占空比0.659，峰值为311V的PWM脉冲波，即等效的205V的交流电压供该电机使用。

当变频驱动装置输入电压为三相380V的交流电，通过整流电路整流，它的直流母线电压为537V，电压检测模块通过检测直流母线电压，输出V_bus检测信号到控制模块中。控制模块输出驱动信号驱动逆变模块的逆变，输出一定占空比的PWM脉冲电压波形，逆变出0-380V的电压值，因此可以输出占空比0.382，峰值为537V的PWM脉冲波，即等效的205V的交流电压供该电机使用。

而通过将电机的额定电压设计得低于220V，再通过变频器的设计。那么就可以实现的电机的单相和三相双电压运行。在变频器的二极管器件的选型中，需要注意要以220V时对应的电流再留有一定裕量后选型使用。

其硬件选型规则如下：

（1）整流二极管

整流二极管位于整流模块部分，选型参数取决于输入电压与输入电流。

电压：单相输入（220V）对应二极管耐压为600V，三相输入（380V）对应为1200V；

电流：假设单相输入电压/电流为U_i1/I_i1，单相输出电压/电流为U_o1/I_o1，三相输入时电压/电流为U_i2/I_i2，三相输出电压电流为U_o2/I_o2，假设三相输入与单相输入的变频器功率因数皆为PF，效率皆为η，则有：

因为U_o1*I_o1= U_o2*I_o2，U_i1=220V，U_i2=380V，则有I_i1=I_i2*3。

因此，二极管选型时考虑三相模式的输入电压，单相模式的输入电流即可。

以增氧机电机为例，其输出电压U_o1=205V,输出电流I_o1=4.2A,功率因数PF=98%,效率η=95%，单相输入电流则可算得I_i1=7.51A,故输入电流有效值为7.51A，这二极管选型的电流耐受值为

；因此二极管选型为1200V/15A。

（2）IGBT

IGBT位于逆变模块部分，选型参数取决于母线电压与输出电流。

电压：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求大于或等于直流母线电压（537V）的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。

电流：由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流。

以增氧机电机为例，则过流值应该大于或等于1.5*I_o=6.3A，故IGBT选型为1200V/6.3A。

实施例2

以一款工业风扇永磁同步电机为例，电机的额定输出转矩为110N·m，额定转速是95rpm。电机的本体定转子模型如图4所示：

该电机为24槽20极的集中式绕组的永磁电机，通过电机设计电机的绕组线圈的匝数为145匝，使得电机的设计电机的额定空载线反电动势为180V，输出转矩110N·m，转速95rpm时电机的额定电压为210V，额定电流4.0A。即电机输入电流为4A，输入电压为210V时电机可以输出额定的转速和转矩来驱动负载工作。

该电机本体的电源由变频驱动装置提供，该变频驱动装置采用本实施例提供的变频驱动装置，当变频驱动装置输入电压是单相220V的交流电时，它的直流母线电压为311V，当变频驱动装置输入电压是单相220V的交流电时，它的直流母线电压为311V，通过逆变电路的逆变，它可以逆变出0-220V的电压值，因此可以控制输出占空比0.678，峰值为311V的PWM脉冲波，即等效的210V的交流电压供该电机使用。

当变频驱动装置输入电压为三相380V的交流电，通过整流模块的整流，它的直流母线电压为537V，电压检测模块通过检测直流母线电压，输出V_bus检测信号到控制模块中。控制模块输出驱动信号驱动逆变模块的逆变，输出一定占空比的PWM脉冲电压波形，逆变出0-380V的电压值，因此可以输出占空比0.393，峰值为537V的PWM脉冲波，即等效的210V的交流电压供该电机使用。

通过逆变模块的逆变以及通过将电机的额定电压设计得低于220V，再通过变频驱动装置的设计。那么就可以实现的电机的单相和三相双电压运行。在变频驱动装置的整流二极管器件的选型中，需要注意要以220V时对应的电流再留有一定裕量后选型使用。

其硬件选型规则如下：

（1）整流二极管

整流二极管位于整流部分，选型参数取决于输入电压与输入电流。

电压：单相输入（220V）对应二极管耐压为600V，三相输入（380V）对应为1200V；

电流：假设单相输入电压/电流为U_i1/I_i1，单相输出电压/电流为U_o1/I_o1，三相输入时电压/电流为U_i2/I_i2，三相输出电压电流为U_o2/I_o2，假设三相输入与单相输入的变频器功率因数皆为PF，效率皆为η，则有：

因为U_o1*I_o1= U_o2*I_o2，U_i1=220V，U_i2=380V，则有I_i1=I_i2*3。

因此，二极管选型时考虑三相模式的输入电压，单相模式的输入电流即可。

以工业风扇电机为例，其输出电压U_o1=210V,输出电流I_o1=4A，功率因数PF=98%,效率η=95%，单相输入电流则可算得I_i1=7.10A,故输入电流有效值为7.10A，这二极管选型的电流耐受值为

；因此二极管选型因为1200V/15A。

（2）IGBT

IGBT位于逆变部分，选型参数取决于母线电压与输出电流。

电压：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求大于或等于直流母线电压（537V）的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。

电流：由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流。

以工业风扇电机为例，这过流值应该大于或等于1.5*I_o=6A，故IGBT选型为1200V/6A。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双电压永磁电机，其特征在于：包括电机主体和变频驱动装置；所述变频驱动装置中设有主电路；所述主电路包括整流模块、逆变模块、电压检测模块、控制模块和驱动模块；

所述整流模块用于对接入的380V三相或单相220V交流电进行整流；

所述逆变模块用于将整流模块输出的直流电逆变为三相交流电为电机主体供电；

所述电压检测模块设于整流模块与逆变模块之间；所述电压检测模块依次通过控制模块和驱动模块与逆变模块耦接；

所述电压检测模块用于检测母线电压，并触发控制模块发出不同占空比信号给所述驱动模块；

所述驱动模块用于驱动所述逆变模块输出逆变电压。

2.根据权利要求1所述双电压永磁电机，其特征在于：所述整流模块由6个二极管组成的三相整流桥，以及耦接于三相整流桥输出端的储能模块构成。

3.根据权利要求2所述双电压永磁电机，其特征在于：所述二极管的型号参数与电路中接入380V三相时的输入电压以及接入单相220V时的输入电流相适配。

4.根据权利要求1所述双电压永磁电机，其特征在于：所述逆变模块包括6个IGBT；6个IGBT的门极均与驱动模块耦接；第一IGBT集电极、第三IGBT集电极、第五IGBT集电极与整流模块输出端一端耦接；

第二IGBT发射极、第四IGBT发射极和第六IGBT发射极均与整流模块输出端另一端耦接；

所述第一IGBT发射极与第二IGBT集电极的连接节点为U端；第三IGBT发射极和第四IGBT集电极的连接节点为V端；所述第五IGBT发射极和第六IGBT集电极的连接节点为W端。

5.根据权利要求4所述双电压永磁电机，其特征在于：所述IGBT的型号参数中的额定电压大于或等于2倍的直流母线电压，额定电流大于或等于1.5倍的输出电流。

6.根据权利要求1所述双电压永磁电机，其特征在于：所述电压检测模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；

所述电阻R3一端、电阻R6一端分别与整流模块耦接；所述电阻R3另一端依次通过电阻R4、电阻R5与电阻R6另一端耦接；所述电阻R5与电阻R6的连接节点与控制模块耦接。

7.根据权利要求1所述双电压永磁电机，其特征在于：所述的电机主体的额定电压参数小于或等于220V。

8.根据权利要求2所述双电压永磁电机，其特征在于：所述整流模块还包括防冲击模块，所述防冲击模块的输入端、输出端分别与所述三相整流桥输出端、所述储能模块输入端连接，所述防冲击模块包括电阻R和开关KM，所述电阻R和开关KM并联。

9.根据权利要求1所述双电压永磁电机，其特征在于：所述永磁电机为电机主体和变频驱动装置一体化的永磁电机。

10.一种新型设备，其特征在于：采用如权利要求1-9任一项所述的双电压永磁电机。

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