CN108418497B - 一种分段绕组电机控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种分段绕组电机控制器及控制方法，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W2，三相绕组分别记作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W1，三相绕组分别记作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；本发明还公开了该电机控制器的控制方法；本发明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
本发明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及控制方法。
技术背景
对电动汽车来说，在不同工况下，对驱动电机***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，***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***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***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
本发明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及控制方法，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，本发明采用的技术方案为：
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W2，三相绕组分别记作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W1，三相绕组分别记作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***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W2；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，本发明具备如下优点：
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***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为本发明第一种分段绕组电机控制器示意图。
图2为本发明第二种分段绕组电机控制器示意图。
图3为使用本发明分段绕组电机控制器后电机的机械特性曲线。
图4为本发明电机绕组切换装置及控制***总体框架图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚简明，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明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W2，三相绕组分别记作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W1，三相绕组分别记作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。
作为本发明的优选实施方式，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***要求的弱磁调速范围、切换转速有关的变量。
如图4所示，本发明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W2；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。
本发明控制方法，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 (3)
1.一种分段绕组电机控制器的控制方法，所述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W2，三相绕组分别记作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W1，三相绕组分别记作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；
其特征在于：所述控制方法为：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，最大转矩为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W2；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。
2.根据权利要求1所述的一种分段绕组电机控制器的控制方法，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。
3.根据权利要求1所述的一种分段绕组电机控制器的控制方法，其特征在于：所述W1和W2的比值是与***要求的弱磁调速范围、切换转速有关的变量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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