CN109120203A - 马达控制*** - Google Patents

Abstract

一种可控制马达绕组的导通量的马达控制***，包括：一电动马达、与一变频器。该电动马达包括一定子、一转子、与一绕线结构。该定子具有形成有多个槽的铁芯。该转子被该定子环绕。该绕线结构藉由将多个发夹式导线的插脚***设置于该些槽内而构成，在每一该槽内，该些插脚沿着定子半径方向依序配置成多层导线，其中，该绕线结构具有多相，每一相分别具有多个绕组。该变频器连接电源与该些绕组，且具有一换线控制器控制每一相的前述些绕组导通与否。在该电动马达位于一高转速模式下，该换线控制器控制每一相的该些绕组的导通量较每一相的全导通减少1/3。

Description

马达控制***

技术领域

本发明关于一种可控制马达绕组的导通量的马达控制***，特别关于一种 用于控制车辆的电动马达的马达控制***。

背景技术

近年来已有越来越多的车辆使用以电力驱动的马达控制***，马达控制系 统中的电动马达一般具有定子及转子，定子的每一插槽内插设有多组截面积相 同的铜线而形成绕线，插槽内的铜线通过多相的电流并产生旋转磁场，藉此产 生电动势转动转子。随着转子的转速提高，电动马达内的反电动势亦会逐渐上 升，由于绕线的匝数固定，因此会产生转速在反电动势抵触电压上限后有着无 法提升的问题存在。对此，一般现有的解决方法是藉由弱磁方式以降低反电动 势，进而提升转速上限，但使用此方法时会需要额外的电流以产生弱磁所需的 磁通，造成效率下降，且以此方式所提升的转速效果有限，最后，仍未能大幅 扩增操作区间。

发明内容

为了克服前述现有问题点，本发明提供了一种可控制马达绕组的导通量的 马达控制***，包括：一电动马达以及一变频器。前述电动马达包括：一定子、 一转子、以及一绕线结构。前述定子具有形成有多个槽的铁芯。前述转子被前 述定子环绕。前述绕线结构藉由将多个发夹式导线的插脚***设置于前述些槽 内而构成，在每一前述槽内，前述些插脚沿着定子半径方向依序配置成多层导 线，其中，前述绕线具有多相，每一相分别具有多个绕组，前述些绕组分别设 置于前述些槽内。前述变频器具有一换线控制器，前述变频器连接电源以及前 述些绕组，其中，前述换线控制器控制每一相的前述些绕组导通与否。在前述 电动马达位于一高转速模式下，前述换线控制器控制每一相的前述些绕组的导 通量较每一相的全导通减少1/3。

于一实施例中，其中在每一前述槽内，前述绕线结构沿着定子半径方向从 半径较小处至半径较大处依序设有第一至第三绕组，在前述高转速模式下，前 述换线控制器断开前述些第一、第二、或第三绕组中的任一组绕组的导通。

于一实施例中，在每一前述槽内，前述些插脚沿着定子半径方向依序配置 为第一至第六层导线，各层导线于前述些槽内排列形成同心圆状分布，前述第 一、第二层导线构成第一绕组，前述第三、第四层导线构成第二绕组，前述第 五、第六层导线构成第三绕组，其中，前述第一绕组于前述定子半径方向上位 于半径最小的位置。

于一实施例中，在每一槽内的该第一绕组、该第二绕组与该第三绕组以串 连方式导通，并有切换电路用于不同模式切换。

于一实施例中，前述绕线结构构成为三相，前述变频器将前述电源切换为 三相电流，以六条导线形成高转速及低转速两种导通模式，再分别输至前述三 相的输入端。

于一实施例中，前述绕线结构构成为三相，前述变频器将前述电源切换为 三相电流，以九条导线形成高转速及低转速两种导通模式，再分别输入至前述 三相的输入端。

导线于一实施例中，在前述电动马达位于需要高转矩的一低转速模式下， 前述换线控制器控制前述些绕组全导通。

于一实施例中，为达成较好的驱动效率，前述换线控制器根据电动马达在 同一转矩以及同一转速下的不同模式的驱动效率，控制前述些绕组全导通或导 通量为减少1/3。

附图说明

图1表示本发明一实施例的马达控制***的电动马达的定子的示意图。

图2表示本发明一实施例的电动马达在各绕组全导通时的部分结构的示意 图。

图3表示本发明一实施例的电动马达在各绕组导通量减少1/3时的部分结 构的示意图。

图4A表示电动马达在全导通状态下的操作区间的示意图。

图4B表示电动马达在各绕组导通量减少1/3状态下的操作区间的示意图。 图4C表示电动马达在各绕组导通量减少1/2状态下的操作区间的示意图。 图5表示全导通状态与各绕组导通量减少1/3状态的操作区间效率比较图。 图6A、6B表示不同实施例的马达控制***的示意图。

图7-图9为表示本发明不同实施例的换线控制器的示意图。

其中附图标记为：

100 电动马达、

1 定子、

2 槽、

3 转子、

4 绕线结构、

41 V相、

42 W相、

43 U相、

5 第一绕组、

6 第二绕组、

7 第三绕组、

8 换线控制器、

81 第一切换器、

811 主切换电路、

812 副切换电路、

813 端子线、

82 第二切换器、

821 主切换电路、

822 副切换电路、

823 端子线、

83 第三切换器、

831 主切换电路、

832 副切换电路、

833 端子线、

9 变频器、

10 电源、

A 第一层导线、

B 第二层导线、

C 第三层导线、

D 第四层导线、

E 第五层导线、

F 第六层导线、

H 第二端、

L 第一端、

OP1、OP2 运作点。

具体实施方式

兹配合图式说明本发明的较佳实施例。有关本发明的前述及其他技术内容、 特点与功效，在以下配合参考图式之一较佳实施例的详细说明中。以下实施例 中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式 的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

参照图7～9，本发明一实施例的马达控制***可控制马达绕组的导通量， 包括有电动马达100以及变频器9，电动马达100包含有定子1、转子3(显示 于图2、3)。图1显示电动马达100的定子，定子1为一空心环状的铁芯，铁 芯上形成有多个槽2。图2、3显示电动马达100中的定子1和转子3的部分结 构，转子3以被定子1环绕的方式设置于定子1的空心环状部内。槽2中设置 有绕线结构4，在本发明中，绕线结构4可藉由将多个发夹式(hair pin)导线的插 脚***设置于槽2内而构成，绕线结构4具有多相，在此例如为V相41、W 相42及U相43。每一相中又具有多个绕组5～7。变频器9连接一电源10以及 绕组5～7，且具有一换线控制器8，换线控制器8连接每一相的该些绕组5～7， 对于每一相中的该些绕组5～7的导通与否进行控制。

于本实施例中，绕线结构4具有V相41、W相42、U相43等三相，每一 相中又分别具有第一绕组5、第二绕组6、以及第三绕组7，但相数以及绕组的 数量并不限定于此。其中，同一相中的第一、第二、第三绕组5、6、7可以短 跨距的导线做连接，依设计构成为所需要的绕组的串联，各相中第一、第二、 第三绕组5、6、7分别以全跨距的导线做连接；构成为V相41、W相42、U 相43的每一相中的各第一绕组5彼此相连、各第二绕组6彼此相连、以及各第 三绕组7彼此相连，换线控制器8构成为可断开第一、第二、或第三绕组5、6、 7中的任一组绕组的导通。

接着，说明绕线结构4在槽2中的构成。如图2所示，在定子1的每一槽 2中，绕线结构4沿着定子1的半径方向依序设有第一至第六层导线A～F，每 层导线大致环绕着环状的铁芯而分别排列成多个圆形，换言之，若从定子1的 正面观之，可看出第一至第六层导线A～F于槽2内排列形成为六层的同心圆状 分布。于本实施例中，亦可解释成绕线结构4沿着定子1的半径方向依序设有 第一、第二、第三绕组5、6、7。详言之，如图2(及/或图1)所示，槽2形成为 向着转子3形成开口，在槽2内位于半径最小处(最靠近开口处)的第一、第二 层导线A、B构成第一绕组5，位于半径中等长度位置的第三、第四层导线C、 D构成第二绕组6，位于半径最大处(最远离开口处)的第五、第六层导线E、F 构成第三绕组7，此时，第一绕组5于定子1半径方向上位于半径最小的位置。 藉由上述绕线设置及分组方式，可对于电动马达进行更细致的控制，进而得到 所期望的操作区间。但是，本发明并未限定以相邻层的导线构成一绕组，亦可 以不相邻层的导线构成一绕组，或是以三层的导线构成一绕组。又，虽然本发 明中槽2较佳为形成为向着转子3开口，以降低定子铁损并利于转矩的产生， 但槽2亦可形成为不向着转子3开口。

需特别说明的是，本发明的绕线结构4较佳为使用多个发夹式(hair pin)导 线构成，每一个发夹式导线例如可以其两只插脚作为两条导线，可直接***设 置于槽2内，例如图2中的任一槽2内的第一至第六层导线A～F任一层即为发 夹式导线的一只插脚，在插脚(导线)插设于槽2之后，可对于各导线进行连接， 而完成各绕组间短跨距以及全跨距的连接，例如，可藉由焊接的方式连接的相 异发夹式导线的插脚。藉此，可提高导体在槽内的占积率与电动马达100组装 效率。

于本发明图7～9的实施例中，电动马达100可藉由换线控制器8切换低转 速模式以及高转速模式两种运作状态。在电动马达100位于一高转速模式下， 换线控制器8可控制每一相的绕组的导通量较每一相的全导通时减少1/3。藉 由将绕线结构4中各相的绕组的导通量减少1/3，可达到降低电动马达100反 电动势的功效。参照图7(及图3)，例如利用换线控制器8的切换，对每一相仅 使第二绕组6和第三绕组7连接，而达到使绕组的导通量减少1/3的目的。

在低转速模式下，电动马达100为如图2所示的全导通状态，此时，换线 控制器8使得V相41、W相42及U相43中的第一绕组5、第二绕组6、以及 第三绕组7形成全串联且全部导通，可产生较大的磁通量，因此，在刚启动或 是需要输出高转矩的状况下，绕线结构4可对转子3提供较大的电磁转矩。又， 电动马达100在一般模式下的转速-转矩的操作区间图如图4A所示，在此操作 区间中所能得到的的最高转矩可达到350N·m(牛顿米)，而最高转速可达 6000rpm(每分钟圈数)。

接着，在高转速模式下，电动马达100如图3所示般并未导通全部的绕组， 在本实施例中，换线控制器8断开各相的第一绕组5的导通，使得V相41、W 相42及U相43各相中仅只有第二绕组6以及第三绕组7为导通，相较于低转 速模式，每一相的绕组的导通量减少了1/3，换言之，绕线结构4中全部绕组 的导通量为在低转速模式下的绕线结构4中全部绕组的导通量的2/3。因此， 在高转速模式下，可藉由减少绕线等效匝数而降低转子3因转速提高所产生的 反电动势，进而可提升转子3至更高的转速。又，电动马达100在高转速模式 下的转速-转矩的操作区间图如图4B所示，在此操作区间中所能得到的最高转 矩可达到约270N·m，而最高转速可达10000rpm。

需特别说明的是，在上述实施例中(参照图7)，由于第一绕组5为三组绕组 中最靠近转子3的，因此，换线控制器8断开最靠近转子3的第一绕组5的导 通，使转子3造成的邻近效应的影响降低，同时由于第一绕组5受邻近效应影 响严重产生大量铜损，故在高速低载区间对其断路以降低铜损损耗，提升电机 效率，并令操作区间的最高转速可更为提高，意即，断开第一绕组5所得到电 动马达100操作效率最高。虽然断开最靠近转子3的第一绕组5为本发明的较 佳的实施例，但在本发明中其他实施例中，换线控制器8断开位于中间位置的 第二绕组6(参照图8)、或是断开最远离转子3的第三绕组7(参照图9)，依然可 达到提高转速、增加操作区间的功效。

在此，针对图4B以及图4C的比较进行说明，详言之，本发明图4C所采 用的电动马达的实施例的绕线结构4的构成与图4A、4B所采用者的实施例并 不相同。在此，电动马达的定子的绕线的每一相中，例如以每三层导线构成一 绕组，意即，各相仅分别具有两个绕组，而图4C为电动马达100在各绕组导 通量减少1/2的状态，例如各相中仅只有一组绕组导通的操作区间图。如图4C 所示，此时的操作区间中所能得到的最高转速虽然可达10000rpm，但最高转矩 仅能达到约220N·m而已。故相较于图4C的断开三层导线的导通所得到的操作区间，图4B的实施例中仅需断开两层导线(一组绕组)而可使得电动马达100的 最高转速同样达10000rpm，但最高转矩可达到约270N·m，故可得到兼具高转 速与较高转矩的操作区间。

接下来以图5的说明本发明的电动马达100如何选择低转速模式或高转速 模式。需特别说明的是，图6的实施例为施加了较高电压的操作区间图，因此 操作区间的样态与图4A、4B的实施例稍微不同。

在图5中，将低转速模式与高转速模式的操作区间效率分布图重叠在同一 张图上，并以低转速模式的操作区间的效率当作基准值，将高转速模式相较于 低转速模式的效率增益的多寡以等高线划分成不同区块而表示，其中，低转速 模式的效率高于高转速模式的效率的区块在图6中表示为效率增益0％，即此 时高转速模式并未相较于低转速模式有更多的效率增益。

当电动马达100的运作状态位于运作点OP1时，由于高转速模式无法达到 目标转矩(大于270N·m)，故从图6中可看出此时的效率增益为0％，因此，换 线控制器8将绕组全导通，使电动马达100位于低转速模式。当电动马达100 的运作状态位于运作点OP2时，低转速模式与高转速模式皆可达到此操作点 OP2的转速、转矩需求，然而，从图5中可看出此时的效率增益约为8％，因 此，换线控制器8将绕组的导通量减少1/3，使电动马达100位于高转速模式。

由上可知，当低转速模式或是高转速模式在同一转速下均可以达到目标转 矩的情况下，本发明的换线控制器8根据电动马达100在不同运转模式下的驱 动效率，选择该切换成低转速模式或高转速模式，意即，根据图5的效率增益 控制绕组全导通或导通量为减少1/3，藉此可提升电动马达100的运转效率。

以下，根据图6至9说明本发明中电动马达100及换线控制器8的各种构 成实施例。

如图6A所示，电动马达100通过变频器9而连接至电源10。变频器9将 电源10的电流转换成多相的交流电后输入至电动马达100。由于换线控制器8 设置于变频器9处，而换线机制由马达端提供第一绕组5、第二绕组6和第三 绕组7全部串连导通以及将第一绕组5短路的两种导通电路，并由变频器9中 的换线控制器8作模式切换，故变频器9对应地以六条导线连接至电动马达100。

请参阅本发明图7，在此实施例中，电动马达100的绕线结构4具有V相 41、W相42及U相43，变频器9以六条导线连接至绕线4的三相。每一相分 别具有第一绕组5、第二绕组6、以及第三绕组7，其中，在此实施例中，换线 控制器8例如为具有三个切换器的装置，每一个切换器例如为一对二的多任务 器或选择开关但是并示限定于此，用以将连接至第一绕组5的第一端L或第二 端H的电路选择性地导通或断路。当电动马达100位于高转速模式时，第一、 第二、第三切换器81、82、83分别断开主切换电路811、821、831的导通使其 断路，并令副切换电路812、822、832导通，因此，换线控制器8如图7所示 般地切换连接至各第一绕组5的第二端H。此时，各相中仅只有第二绕组6以 及第三绕组7被导通。当电动马达100位于低转速模式时，第一、第二、第三 切换器81、82、83分别断开副切换电路812、822、832的导通使其断路，并令 主切换电路811、821、831导通，此时，换线控制器8切换连接至第一绕组5 的第一端L，使得各相中的第一绕组5、第二绕组6、以及第三绕组7构成为串 联且全部导通。需特别说明的是，图7的换线控制器8的构成与图2、3的实施 例中的换线控制器8相同。

接着，请参阅图6B，与图6A的实施例相异之处在于，换线机制由马达端 提供第一绕组5、第二绕组6和第三绕组7全部串连导通以及将第二绕组6或 第三绕组7短路的两种导通电路，故变频器9对应地以九条导线连接至电动马 达100。图8与图9的实施例与图6B的实施例相对应。

请参阅本发明图8，与图7相同的部分不再赘述。在此实施例中，换线控 制器8例如为具有三个切换开关的装置，每一个切换开关例用以将连接至第二 绕组6的第一端L与第二端H的电路选择性地导通或断路。又，在此实施例中， 变频器9分别以端子线813、823、833连接各相的第一绕组5的一端。当电动 马达100位于高转速模式时，第一、第二、第三切换器81、82、83令主切换电 路811、821、831以及副切换电路812、822、832同时导通，此时，换线控制 器8如图8所示般地切换连接至第二绕组6旁的切换电路造成第二绕组6失效。 此时，各相中仅只有第一绕组5以及第三绕组7被导通。当电动马达100位于 低转速模式时，第一、第二、第三切换器81、82、83同时断开主切换电路811、821、831以及副切换电路812、822、832使其断路，此时换线控制器8切换断 开第一端L与第二端H间的回路，使交流电从变频器9以端子线813、823、 833送出，使得各相中的第一绕组5、第二绕组6、以及第三绕组7构成为串联且全部导通。

请参阅本发明图9，与图8相同的部分不再赘述。在此实施例中，换线控 制器8例如为具有三个切换开关的装置，每一个切换开关例用以将连接至第三 绕组7的第一端L与第二端H的电路选择性地导通或断路。当电动马达100位 于高转速模式时，第一、第二、第三切换器81、82、83令主切换电路811、821、 831以及副切换电路812、822、832同时导通，此时，换线控制器8如图9所 示般地切换至第三绕组7旁的切换电路造成第三绕组7失效。此时，各相中仅 只有第一绕组5以及第二绕组6被导通。当电动马达100位于低转速模式时， 第一、第二、第三切换器81、82、83同时断开主切换电路811、821、831以及 副切换电路812、822、832使其断路，此时换线控制器8切换断开第一端L与 第二端H间的回路，使交流电从变频器9以端子线813、823、833送出，使得 各相中的第一绕组5、第二绕组6、以及第三绕组7构成为串联且全部导通。

本发明藉由换线控制器8控制各绕组的导通与否，并将换线控制器8设置 于变频器9处，因此，变频器9最少仅以六条导线输出三相电流至电动马达100 的各相输入端，变频器9的输出导线可精简化。又，藉由将上述换线控制器8 设置于不同的绕组处，可简单地对绕组的导通与否进行控制，进而可简单地切 换低转转速模式以及高转速模式。

综上所述，本发明的马达控制***藉由如前所述的各项技术特征，可提高 电动马达的操作区间，降低变频器拉线的复杂度，以及/或可提升电动马达组装 的方便性。又，虽然本发明的马达控制***可适用于例如汽车或机车等车辆， 但是并不限于此，亦可使用于其他相关领域上。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些 许的更动与润饰。因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为 准。

Claims (8)

1.一种可控制马达绕组的导通量马达控制***，其特征在于，包括：

电动马达，其包括：

一定子，具有形成有多个槽的铁芯；

一转子，被该定子环绕；

一绕线结构，藉由将多个发夹式导线的插脚***设置于该些槽内而构成，在每一该槽内，该些插脚沿着定子半径方向依序配置成多层导线，其中，该绕线结构具有多相，每一相分别具有多个绕组；以及

一变频器，具有一换线控制器，该变频器连接电源以及该些绕组，其中，该换线控制器控制每一相的该些绕组导通与否；

在该电动马达位于一高转速模式下，该换线控制器控制每一相的该些绕组的导通量较每一相的全导通减少1/3。

2.如权利要求1所述的马达控制***，其特征在于，在每一该槽内，该绕线结构沿着定子半径方向从半径较小处至半径较大处依序设有第一至第三绕组，在该高转速模式下，该换线控制器断开该些第一、第二、或第三绕组中的任一组绕组的导通。

3.如权利要求2所述的马达控制***，其特征在于，在每一该槽内，该些插脚沿着定子半径方向依序配置为第一至第六层导线，各层导线于该些槽内排列形成同心圆状分布，该第一、第二层导线构成第一绕组，该第三、第四层导线构成第二绕组，该第五、第六层导线构成第三绕组，其中，该第一绕组于该定子半径方向上位于半径最小的位置。

4.如权利要求3所述的马达控制***，其特征在于，在每一槽内的该第一绕组、该第二绕组与该第三绕组以串连方式导通。

5.如权利要求1所述的马达控制***，其特征在于，该绕线结构构成为三相，该变频器将该电源切换为三相电流，以六条导线形成高转速及低转速两种导通模式，再分别输入至该三相的输入端。

6.如权利要求1所述的马达控制***，其特征在于，该绕线结构构成为三相，该变频器将该电源切换为三相电流，以九条导线形成高转速及低转速两种导通模式，再分别输入至该三相的输入端。

7.导线如权利要求1所述的马达控制***，其特征在于，在该电动马达位于需要高转矩的一低转速模式下，该换线控制器控制该些绕组全导通。

8.如权利要求7所述的马达控制***，其特征在于，为达成较好的驱动效率，该换线控制器根据电动马达在同一转矩以及同一转速下的不同模式的驱动效率，控制该些绕组为全导通或导通量为减少1/3。