TWI470921B - Variable structure motor and its switching method - Google Patents

Description

變結構馬達及其切換方法

本發明係與馬達有關，更詳而言之是指一種變結構馬達及其切換方法。

按，由於全球能源危機不斷發生，影響經濟發展甚鉅，因此，世界各國積極投入利用電能以取代燃油引擎之相關研究，造成電動車輛之研發再次受到重視，一些較知名之車廠也開始販賣電動車輛，然而電動車輛仍無法普遍，其主要原因除了價格居高不下外，還礙於一些關鍵技術尚未解決，如電動車輛之續航力不足、效率不高、加速性不良及爬坡力欠佳…等等。

目前電動車所使用之動力馬達，以永磁式無刷直流馬達(Brushless DC motor,BLDCM)為主，因其具有較高之轉矩對轉動慣量比及無永磁直流馬達之缺點(例如：電刷磨耗、換向火花及熱散路徑過長)。為了電動車輛具舒適性與實用性以及扭力與速度之操控考量，馬達一般經由機械式減速傳動系統減速以增加轉矩帶動車輪，然而，機械式減速機構之效率不到70%，勢將造成能量使用上之浪費。

典型車輛之車速對轉矩動力特性如圖1所示，而涵蓋該曲線之典型永磁式無刷直流馬達之T-N特性曲線亦顯示於圖1，其中，圖1中之連續區為可長期運轉而不致毀損之工作區；間歇區為馬達僅可做短時間之操作，如啟動、煞車之特殊 工作。惟，具備圖1中的T-N特性曲線的無刷直流馬達為非常大瓦特數者，換言之，即高價格者。由圖1可知，馬達在低速區的車輪轉矩並不足以提供行車的車輪轉矩要求，如此會降低車輛加速性，而在高速區的車輪轉矩範圍又超過實際所需，因此無法充分發揮馬達性能。

無刷直流馬達的轉矩常數與反電動勢常數會隨內部線圈連接的方式不同而有所變化，對於具有相同線圈的無刷直流馬達，Y型接線(簡稱Y接)和△型接線(簡稱△接)的T-N特性曲線如圖2所示。Y接結構與△接結構在相同的線電壓和線電流之條件下，Y接結構之相電壓為△接相電壓的58%；即，以Y接啟動時，其啟動電流僅為△接法的1/3倍，換言之，Y型接線的馬達其轉矩常數比較大，而△接線的馬達反電動勢常數比較小，可得較高的速度。

藉此，遂有後續研發如圖3所示之具有三相獨立線圈的變結構馬達5，可利用複數的開關S1~S6形成不同接法改變馬達線圈結構，如Y接(如圖4)和△接(如圖5)，進而改變馬達的等效轉矩常數和反電動勢常數，產生電子式兩段變速效果法。即，低速利用Y接法，使相同的電流可產生大轉矩，而高速時採用△接法使最大轉速範圍增大。

然而，當使用者透過同時切換該些開關S1~S6使馬達5由Y接結構切換至△接結構時，會有大振幅的突波電流產生，此時容易燒毀電子開關，並易造成馬達突然加速的不穩定狀況。 同樣地，當使用者透過同時切換該些開關S1~S6使馬達5由△接結構切換至Y接結構時，也會有大振幅的突波電流產生，而產生上述之缺點。

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種變結構馬達及其切換方法，可避免大振幅的突波電流產生，且更可避免馬達轉速突升或突降。除此之外，更可有效地減少功率晶體之數量，進而達到節省成本之目的。

緣以達成上述目的，本發明所提供變結構馬達包含有一三相線圈組、一Y接切換模組以及一△接切換模組。其中，該三相線圈組具有一第一相線圈、一第二相線圈以及一第三相線圈，且該等相線圈分別具有一正端以及一負端；該Y接切換模組與該三相線圈組電性連接，且具有一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體、以及一切換開關；其中，該第一二極體之正極與該第一相線圈之負端連接；該第二二極體之負極與該第一二極體之負極連接，而正極則與該第二相線圈之負端連接；該第三二極體之負極與該第二二極體之負極連接，而正極則與該第三相線圈之負端連接；該第四二極體之負極與該第一相線圈之負端連接；該第五二極體之負極與該第二相線圈之負端連接，而正極則與該第四二極體之正極連接；該第六二極體之負極與該第 三相線圈之負端連接，而正極則與該第五二極體之正極連接；該切換開關之一端連接該第三二極體之正極，而另一端則連接該第六二極體之負極；該△接切換模組與該三相線圈組電性連接，且具有一第一開關組、一第二開關組、以及一第三開關組，且各該開關組分別包含有一第一端以及一第二端；其中，該第一開關組之第一端與該第一相線圈之正端連接，而第二端則與第二相線圈之負端連接；該第二開關組之第一端與該第二相線圈之正端連接，而第二端則與第三相線圈之負端連接；該第三開關組之第一端與該第三相線圈之正端連接，而第二端則與第一相線圈之負端連接。

藉此，當該切換開關導通，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組斷接時，該變結構馬達呈Y接結構；而當該切換開關斷接，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組導通時，該變結構馬達呈△接結構。

依據上述構思，該變結構馬達由Y接結構變換至△接結構之方法包含有下列步驟：A-1於該第一相線圈與第二相線圈呈通電狀態時，將該第三開關組導通；A-2於該第二相線圈與第三相線圈呈通電狀態時，將該第二開關組導通；A-3於該第二相線圈與第三相線圈仍呈通電狀態時，將該第一開關組導通，且將該切換開關斷接，而使該變結構馬 達呈△接結構。

依據上述構思，該變結構馬達由△接結構變換至Y接結構之方法包含有下列步驟：B-1當該第一相線圈之相電流大於該第二相線圈之相電流時，將該第一開關組斷接，且將該切換開關導通；B-2當該第一相線圈呈斷路狀態時，將該第二開關斷接；B-3當該第三相線圈之線路呈斷路狀態時，將第三開關組斷接，而使該變結構馬達呈Y接結構。

藉此，透過變結構馬達及其切換方法之設計，便可避免大振幅的突波電流產生，並更可避免馬達發生轉速突升或突降之情形。除此之外，上述之結構中，更有效地減少功率晶體之數量，達到節省成本之目的。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。

請參閱第圖6所示，本發明較佳實施例之該變結構馬達1係一直流無刷馬達(Brushless DC motor，BLDCM)，且與一變頻器(Inverter)2連接。該變頻器2包含有一第一上臂開關UT、一第一下臂開關UB、一第二上臂開關VT、一第二下臂開關VB、一第三上臂開關WT以及一第三下臂開關WB。其中，該第一上臂開關UT一端與該第一下臂開關UB一端電性連接 後。該第二上臂開關VT一端與該第二下臂開關VB一端電性連接，且該第二上臂開關VT之另一端則與該第一上臂開關UT另一端電性連接，而該第二下臂開關VB之另一端與該第一下臂開關UB之另一端電性連接。該第三上臂開關WT一端與該第三下臂開關WB一端電性連接，且該第三上臂開關WT之另一端與該第一上臂開關UT另一端電性連接，而該第三下臂開關WB之另一端則與該第一下臂開關UB之另一端電性連接。另外，請參閱圖7，於本實施例中，該變頻器2用以供應該變結構馬達1所需之預定頻率的三相電訊號，且該變頻器依據該變結構馬達1進行一次轉動循環之360度電氣角，區分為一第一區間I、第二區間Ⅱ、第三區間Ⅲ、第四區間Ⅳ、第五區間V、第六區間Ⅵ、第七區間Ⅶ、第八區間Ⅷ、第九區間Ⅸ、第十區間X、第十一區間XI及第十二區間XII，並依據該等區間I~XII決定第一、第二及第三上、下臂開關UT、UB、VT、VB、WT、WB之導通或斷接。本實施例中，電訊號於高準位時表示導通，而低準位時則表示斷接。

該變結構馬達1包含有一三相線圈組10、一Y接切換模組20以及一△接切換模組30。其中：

該三相線圈組10具有一第一相線圈U、一第二相線圈V以及一第三相線圈W，且該等相線圈U、V、W分別具有一正端以及一負端，而該等相線圈U、V、W之正端則與該變頻器2連接。更詳而言之，該第一相線圈U之正端連接於該第一上 臂開關UT以及該第一下臂開關UB之間。該第二相線圈V之正端連接於該第二上臂開關VT以及該第二下臂開關VB之間。該第三相線圈W之正端則連接於該第三上臂開關WT以及該第三下臂開關WB之間。

該Y接切換模組20與該三相線圈組10電性連接，且具有一第一二極體21、一第二二極體22、一第三二極體23、一第四二極體24、一第五二極體25、一第六二極體26、以及一切換開關27。其中，該第一二極體21之正極與該第一相線圈U之負端連接。該第二二極體22之負極與該第一二極體21之負極連接，而正極則與該第二相線圈V之負端連接。該第三二極體23之負極與該第二二極體22之負極連接，而正極則與該第三相線圈W之負端連接。該第四二極體24之負極與該第一相線圈U之負端連接。該第五二極體25之負極與該第二相線圈V之負端連接，而正極則與該第四二極體24之正極連接。該第六二極體26之負極與該第三相線圈W之負端連接，而正極則與該第五二極體25之正極連接。該切換開關27為一單向開關，其一端連接該第三二極體23之正極，而另一端則連接該第六二極體26之負極。

該△接切換模組30與該三相線圈組10電性連接，且具有一第一開關組31、一第二開關組32、以及一第三開關組33，且該等開關組31、32、33分別具有一第一端(+)以及一第二端(-)。其中，該第一開關組31之第一端與該第一相線圈U之正 端連接，而第二端則與第二相線圈V之負端連接；該第二開關組32之第一端與該第二相線圈V之正端連接，而第二端則與第三相線圈W之負端連接；該第三開關組33之第一端與該第三相線圈W之正端連接，而第二端則與第一相線圈U之負端連接，而各該開關組31、32、33包含有兩個反向並聯連接之單向開關，其中一單向開關用以導通或截斷由該第一端流向該第二端之電訊號，而另外一單向開關則用以導通或截斷由該第二端流向該第一端之電訊號。於本實施例中，上述之各該單向開關是以場效應電晶體(field effect transistor，FET)所組成之開關電路，當然在實際實施上，該單向開關亦可是絕緣柵雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、雙極性電晶體(bipolar junction transistor，BJT)或其他功率電晶體所組成之電子開關電路。

藉此，當該切換開關27導通，且該第一開關組31、第二開關組32以及第三開關組33斷接時，該變結構馬達1呈Y接結構(如圖8)。而當該切換開關27斷接，且該第一開關組31、第二開關組32以及第三開關組33導通時，該變結構馬達1呈△接結構(如圖9)。

如此一來，當該變結構馬達1為Y接結構，並在Y接用電源之第一區間I接收到結構變換之指令，而由Y接結構變換至△接結構時，包含有下列轉換步驟：A-1由圖7可知，在第二區間II時，該第一上臂開關UT與 該第二下臂開關VB導通。此時，該第一相線圈U與第二相線圈V呈通電之導通狀態，且該第三相線圈W並不導通而呈斷路狀態，因此，利用此現象在第二區間Ⅱ時，將該第三開關組33導通(如圖10)。

A-2由圖7可知，在第五區間V時，該第二上臂開關VT與該第三下臂開關WB導通。此時，該第二相線圈V與第三相線圈W呈通電之導通狀態，且該第一相線圈U並不導通而呈斷路狀態。此時，將該第二開關組32導通(如圖11)，使該第二相線圈V與該第三相線圈W呈現△接狀態，且依據合成力矩出力方向，仍可維持第五區間V之力矩需求。

A-3由圖7可知，在第六區間VI時，該第二上臂開關VT與該第三下臂開關WB仍呈導通，於該第二相線圈V與第三相線圈W仍呈通電之導通狀態時，此時，將該第一開關組31導通，且將該切換開關27斷接，而使該變結構馬達呈△接結構(如圖9)。

另外，當該變結構馬達1為△接結構，並在△接用電源之第二區間II接收到結構變換之指令，而由△接結構變換至Y接結構時，包含有下列變換步驟：

B-1由圖7可知，在第三區間III時，該第一上臂開關UT與該第三下臂開關WB導通。此時，該第一相線圈U之相 電流大於該第二相線圈V之相電流，將該第一開關組31斷接，且將該切換開關27導通(如圖12)。

B-2由圖7可知，在第六區間VI時，該第二上臂開關VT與該第三下臂開關WB導通。此時，該第一相線圈U呈斷路狀態，因此，利用此現象在第六區間VI時，將該第二開關32斷接(如圖13)，使該第二相線圈V與該第三相線圈W呈現Y接之狀態。

B-3由圖7可知，在第七區間VII時，該第二上臂開關VT與該第一下臂開關UB導通，此時，該第三相線圈W之線路呈斷路狀態時，將第三開關組33斷接，而使該變結構馬達1呈Y接結構(如圖8)。

如此一來，我們便可在該變結構馬達1需要高扭矩時，先以Y接結構運轉，當該變結構馬達1之轉速高於一預定轉速後，而需要可提供高轉速之設計時，將該變結構馬達1由Y接結構變換至△接結構。另外，當該變結構馬達1之轉速逐漸降低至低於該預定轉速時，而再度需要可提供高扭矩之設計時，將該變結構馬達1由△接結構變換至Y接結構。

另外，我們更可設計在Y接結構變換至△接結構之轉速、以及在△接結構變換至Y接結構之轉速之間設置一遲滯區，以防止在切換點附近造成開關不斷切換。換言之，當該變結構馬達1之轉速高於一第一預定轉速時，該變結構馬達1由Y 接結構變換至△接結構；當該變結構馬達1之轉速低於一第二預定轉速時，將該變結構馬達1由△接結構變換至Y接結構，且上述之第二預定轉速小於該第一預定轉速。

是以，透過上述之設計，便可使該變結構馬達由Y接結構切換至△接結構時之電流波形、以及由△接結構切換至Y接結構時，均未出現大振幅的突波電流，且可避免馬達轉速產生突升或突降之情形發生。另外，除上述優點外，習用變結構馬達須要用到12顆的價格較為昂貴的電晶體做為開關電路之主要結構設計，但本發明之變結構馬達僅須使用7顆電晶體，並再利用價格較為低廉的二極體來達到相同的電路需求。如此一來，透過上述之結構與方法的設計，更可大幅地降低製造成本之支出。必須說明的是，本發明供應電源予該變結構馬達1之方式並不以上述方式為限，只要是能配合該等開關依序切換來達到變結構之其他驅動方式，亦應屬本發明另外之實施態樣。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構及製作方法變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧變結構馬達

10‧‧‧三相線圈組

U‧‧‧第一相線圈

V‧‧‧第二相線圈

W‧‧‧第三相線圈

20‧‧‧Y接切換模組

21‧‧‧第一二極體

22‧‧‧第二二極體

23‧‧‧第三二極體

24‧‧‧第四二極體

25‧‧‧第五二極體

26‧‧‧第六二極體

27‧‧‧切換開關

30‧‧‧△接切換模組

31‧‧‧第一開關組

32‧‧‧第二開關組

33‧‧‧第三開關處

2‧‧‧變頻器

UT‧‧‧第一上臂開關

UB‧‧‧第一下臂開關

VT‧‧‧第二上臂開關

VB‧‧‧第二下臂開關

WT‧‧‧第三上臂開關

WB‧‧‧第三下臂開關

5‧‧‧變結構馬達

U‧‧‧第一相線圈

V‧‧‧第二相線圈

W‧‧‧第三相線圈

S1‧‧‧第一開關

S2‧‧‧第二開關

S3‧‧‧第三開關

S4‧‧‧第四開關

S5‧‧‧第五開關

S6‧‧‧第六開關

圖1為轉矩動力特性與無刷直流馬達的T-N特性曲線圖。

圖2為Y型接線和△型接線的T-N特性曲線圖。

圖3為習用變結構馬達之結構圖。

圖4為習用變結構馬達之Y型接線圖。

圖5為習用變結構馬達之△型接線圖。

圖6為本發明變結構馬達與變頻器之結構圖。

圖7為本發明電源的六步方波驅動波型圖。

圖8為本發明變結構馬達之Y型接線圖。

圖9為本發明變結構馬達之△型接線圖。

圖10與圖11揭示由Y接變換至△接之結構變化。

圖12與圖13揭示由△接變換至Y接之結構變化。

1‧‧‧變結構馬達

10‧‧‧三相線圈組

U‧‧‧第一相線圈

V‧‧‧第二相線圈

W‧‧‧第三相線圈

20‧‧‧Y接切換模組

21‧‧‧第一二極體

22‧‧‧第二二極體

23‧‧‧第三二極體

24‧‧‧第四二極體

25‧‧‧第五二極體

26‧‧‧第六二極體

27‧‧‧切換開關

30‧‧‧△接切換模組

31‧‧‧第一開關組

32‧‧‧第二開關組

33‧‧‧第三開關處

2‧‧‧變頻器

UT‧‧‧第一上臂開關

UB‧‧‧第一下臂開關

VT‧‧‧第二上臂開關

VB‧‧‧第二下臂開關

WT‧‧‧第三上臂開關

WB‧‧‧第三下臂開關

Claims (11)

1. 一種變結構馬達，包含有：一三相線圈組，具有一第一相線圈、一第二相線圈以及一第三相線圈，且該等相線圈分別具有一正端以及一負端；一Y接切換模組，與該三相線圈組電性連接，且具有一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體、以及一切換開關；其中，該第一二極體之正極與該第一相線圈之負端連接；該第二二極體之負極與該第一二極體之負極連接，而正極則與該第二相線圈之負端連接；該第三二極體之負極與該第二二極體之負極連接，而正極則與該第三相線圈之負端連接；該第四二極體之負極與該第一相線圈之負端連接；該第五二極體之負極與該第二相線圈之負端連接，而正極則與該第四二極體之正極連接；該第六二極體之負極與該第三相線圈之負端連接，而正極則與該第五二極體之正極連接；該切換開關之一端連接該第三二極體之負極，而另一端則連接該第六二極體之正極；以及一△接切換模組，與該三相線圈組電性連接，且具有一第一開關組、一第二開關組、以及一第三開關組，且各該開關組分別包含有一第一端以及一第二端；其中，該第一開關組之第一端與該第一相線圈之正端連接，而第二端則與第二相線圈之負端連接；該第二開關組之第一端與該第二相線圈之正端連接，而第二端則與第三相線圈之負端連接；該第三開關組之第一端與該第三相線 圈之正端連接，而第二端則與第一相線圈之負端連接。
2. 如請求項1所述變結構馬達，其中，該△接切換模組之各該開關組包含有兩個反向並聯連接之單向開關，其中一單向開關用以導通或截斷由該第一端流向該第二端之電訊號；另外一單向開關則用以導通或截斷由該第二端流向該第一端之電訊號。
3. 如請求項1所述變結構馬達，其中，該Y接切換模組之該切換開關為一單向開關，用以導通或截斷由該第一二極體、該第二二極體、或該第三二極體之正極流向該第四二極體、該第五二極體、或該第六二極體之負極的電訊號。
4. 如請求項2或3所述變結構馬達，其中，所述之單向開關是以場效應電晶體(field effect transistor，FET)、絕緣柵雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、雙極性電晶體(bipolar junction transistor，BJT)或其他功率電晶體所組成之開關電路。
5. 如請求項1所述變結構馬達，其中，該等相線圈之正端與一變頻器(Inverter)連接，該變頻器係用以產生一預定頻率之三相電訊號予該三相線圈組。
6. 一種如請求項1所述之變結構馬達由Y接結構變換至△接結構之方法，當該切換開關導通，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組斷接時，該變結構馬達呈Y接結構；而當該切換開關斷接，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組導通時，該變結構馬達呈△接結構；該方法包含有下列步驟：A-1於該第一相線圈與第二相線圈呈通電狀態時，將該第三 開關組導通；A-2於該第二相線圈與第三相線圈呈通電狀態時，將該第二開關組導通；A-3於該第二相線圈與第三相線圈仍呈通電狀態時，將該第一開關組導通，且將該切換開關斷接，而使該變結構馬達呈△接結構。
7. 如請求項6所述變結構馬達由Y接結構變換至△接結構之方法，係當該變結構馬達之轉速高於一預定轉速時，將該變結構馬達由Y接結構變換至△接結構。
8. 一種如請求項1所述之變結構馬達由△接結構變換至Y接結構之方法，當該切換開關導通，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組斷接時，該變結構馬達呈Y接結構；而當該切換開關斷接，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組導通時，該變結構馬達呈△接結構；該方法包含有下列步驟：B-1當該第一相線圈之相電流大於該第二相線圈之相電流時，將該第一開關組斷接，且將該切換開關導通；B-2當該第一相線圈呈斷路狀態時，將該第二開關斷接；B-3當該第三相線圈之線路呈斷路狀態時，將第三開關組斷接，而使該變結構馬達呈Y接結構。
9. 如請求項8所述變結構馬達由△接結構變換至Y接結構之方法，係當該變結構馬達之轉速低於一預定轉速時，將該變結構馬達由△接結構變換至Y接結構。
10. 一種如請求項1所述之變結構馬達之結構變換方法，當該切換開關導通，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組斷接時，該變結構馬達呈Y接結構；而當該切換開關斷接，且該第一開關組、第二開關組以及第三開關組導通時，該變結構馬達呈△接結構；該變結構馬達由Y接結構變換至△接結構之方法包含有下列步驟：A-1於該第一相線圈與第二相線圈呈通電狀態時，將該第三開關組導通；A-2於該第二相線圈與第三相線圈呈通電狀態時，將該第二開關組導通；A-3於該第二相線圈與第三相線圈仍呈通電狀態時，將該第一開關組導通，且將該切換開關斷接，而使該變結構馬達呈△接結構；該變結構馬達由△接結構變換至Y接結構之方法包含有下列步驟：B-1當該第一相線圈之相電流大於該第二相線圈之相電流時，將該第一開關組斷接，且將該切換開關導通；B-2當該第一相線圈呈斷路狀態時，將該第二開關斷接；B-3當該第三相線圈之線路呈斷路狀態時，將第三開關組斷接，而使該變結構馬達呈Y接結構。
11. 一種如請求項10所述之變結構馬達之結構變換方法，當 該變結構馬達之轉速高於一第一預定轉速時，該變結構馬達由Y接結構變換至△接結構；當該變結構馬達之轉速低於一第二預定轉速時，將該變結構馬達由△接結構變換至Y接結構；另，上述之第一預定轉速大於該第二預定轉速。