CN209767424U - 一种两档电机绕组切换装置 - Google Patents

Abstract

一种两档电机绕组切换装置，所述两档电机绕组切换装置与电机定子三相绕组连接，电机定子三相分为高速驱动绕组ABC和低速驱动绕组abc两段，且ABC绕组和abc绕组为串联连接关系；两档电机绕组切换装置包括高速切换电路、低速切换电路和缓冲吸收电路；高速切换电路为与ABC绕组和abc绕组的三相串联连接点连接的由两个二极管半桥模块和一个带有反并联二极管的IGBT半桥模块构成的三相半桥整流电路，低速切换电路为与abc绕组的另一端连接的结构相同的三相半桥整流电路，缓冲吸收电路由四个二极管以及放电电阻和吸收电容组成；本实用新型能够实现两档电机的机械变速箱的功能，既实现了低速大转矩输出、又降低了高速时的弱磁深度，实现宽转速范围的高效驱动。

Description

一种两档电机绕组切换装置

技术领域

本实用新型涉及三相电机技术领域，具体涉及一种两档电机绕组切换装置。

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，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。该专利中利用三相全桥整流模块加IGBT分别构成高低速的切换装置，两个切换电路中分别使用3个二极管半桥模块和1个IGBT模块，体积较大，对于IGBT的耐压要求也相对较高。

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。

专利CN 201820713229.3使用二极管三相整流桥和晶闸管分别构成高低算切换部分，通过控制高低速切换部分的晶闸管的开通关断来实现切换。但是该方法的缺点是由于使用了晶闸管，需要在电机绕组电流为零的情况下进行切换。

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，提供一种两档电机绕组切换装置，能够使用电子电路起到汽车中两档机械变速箱的作用，使得电机在低速区能够提供大转矩；高速区减小绕组匝数，在不用增加弱磁深度的前提下拓宽调速范围。并且可以使得高速区、低速区都可以高效运行。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种两档电机绕组切换装置，所述两档电机绕组切换装置与电机定子三相绕组1连接，电机定子三相绕组1分成两段，一段为高低速驱动绕组，匝数为W1，整体为ABC绕组；另一段为低速驱动绕组，匝数为W2，整体为abc绕组；在电机内部，ABC绕组和abc绕组为串联连接关系；ABC绕组和abc绕组的三相串联连接点，与由两个二极管半桥模块和一个带有反并联二极管的IGBT半桥模块构成的三相半桥整流电路的三个桥臂中点分别连接，由于IGBT半桥模块的使用，使得该三相半桥整流电路能够实现整流和短接功能，该三相半桥整流电路为高速切换电路2；abc绕组的另一端与另一组结构相同的三相半桥整流电路的三个桥臂中点分别连接，该三相半桥整流电路为低速切换电路3；ABC绕组的另一端与电机控制器相连；由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、放电电阻R1和吸收电容C1构成缓冲吸收电路4，其中电阻R1与电容C1并联连接，第一二极管D1的阳极与高速切换电路2中的共阴极点连接，第一二极管D1的阴极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的正端相连；第二二极管D2的阴极与高速切换电路2的共阳极点连接，第二二极管D2的阳极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的负端连接；第三二极管D3的阳极与低速切换电路3的共阴极点连接，第三二极管D3的阴极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的正端连接；第四二极管D4的阴极与低速切换电路3的共阳极点连接，第四二极管D4的阳极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的负端连接；所述高速切换电路2、低速切换电路3和缓冲吸收电路4整体形成该两档电机绕组切换装置5。

所述匝数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，计算方法为W2:W1＝(n2-n1):n1。

所述两档电机绕组切换装置的控制方法：当电机运行于低速时，电机控制器在给主逆变电路发出PWM工作信号的同时，发出触发信号给低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2，使该IGBT半桥模块IGBT2中的上下管IGBT同时导通，利用低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2将abc三相绕组的下部端点短接，同时，高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1中的上下管IGBT保持关断；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；同时，abc绕组产生的反电动势经过高速切换电路2整流后产生的直流电压，通过缓冲吸收电路4中的第一二极管D1、第二二极管D2流向放电电阻R1和吸收电容C1的并联电路，从而维持高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1两端维持较低的电压水平。

随着电机运行转速升高至n3，进入弱磁状态；电机控制器触发高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1的上下管IGBT同时导通，将ABC和abc三相绕组的串联连接点短接，并同时撤掉低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2的触发信号使其关断；此时，电机进入单套绕组工作模式，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；在切换瞬间，由于abc绕组电流不为零，在低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2关断的同时，其绕组上存储的能量经过低速切换电路3整流后产生直流电压，并通过缓冲吸收电路4中的第三二极管D3、第四二极管D4流向放电电阻R1和吸收电容C1的并联电路，利用吸收电容C1有效吸收abc绕组中存储的能量，从而维持低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2两端维持较低的电压水平，避免出现电压过冲损坏元器件。

当电机运行转速由高速n3减速，降至n2时，电机控制器触发低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2上下管IGBT同时导通，将abc三相绕组的下部端点短接，并同时撤掉高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1的上下管IGBT的触发信号，使其关断；并重新对三相电流进行控制，再次进入绕组串联模式。在切换瞬间，由于ABC绕组电流不为零，在高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1的上下管IGBT关断的同时，其绕组上存储的能量经过高速切换电路2整流后产生直流电压，并通过缓冲吸收电路4中的第一二极管D1、第二二极管D2流向放电电阻R1和吸收电容C1的并联电路，利用吸收电容C1有效吸收abc绕组中存储的能量，从而维持高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1两端维持较低的电压水平，避免出现电压过冲损坏元器件。

和现有技术相比较，本实用新型具备如下优点：

1、由于使用全控型器件IGBT，不需要将电机电流降低为零时就能关断，因此在进行高低速切换时操作简单，速度快，动态特性好。

2、由于使用了IGBT半桥模块及缓冲吸收电路，在IGBT半桥关断时，对电压冲击的耐受能力更强。

3、该切换装置使用元件少，更容易做到结构紧凑。

附图说明

图1为本实用新型两档电机绕组切换装置示意图。

图2为绕组串联模式下的输出机械特性。

图3为单绕组模式下的输出机械特性。

图4为使用本实用新型装置后电机的机械特性曲线。

图5为本实用新型两档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所示，本实用新型一种两档电机绕组切换装置，所述两档电机绕组切换装置与电机定子三相绕组1连接，电机定子三相绕组1分成两段，一段为高低速驱动绕组，匝数为W1，整体为ABC绕组；另一段为低速驱动绕组，匝数为W2，整体为abc绕组；在电机内部，ABC绕组和abc绕组为串联连接关系；ABC绕组和abc绕组的三相串联连接点，与由两个二极管半桥模块和一个带有反并联二极管的IGBT半桥模块构成的三相半桥整流电路的三个桥臂中点分别连接，由于IGBT半桥模块的使用，使得该三相半桥整流电路能够实现整流和短接功能，该三相半桥整流电路为高速切换电路2；abc绕组的另一端与另一组结构相同的三相半桥整流电路的三个桥臂中点分别连接，该三相半桥整流电路为低速切换电路3；ABC绕组的另一端与电机控制器相连；由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、放电电阻R1和吸收电容C1构成缓冲吸收电路4，其中电阻R1与电容C1并联连接，第一二极管D1的阳极与高速切换电路2中的共阴极点连接，第一二极管D1的阴极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的正端相连；第二二极管D2的阴极与高速切换电路2的共阳极点连接，第二二极管D2的阳极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的负端连接；第三二极管D3的阳极与低速切换电路3的共阴极点连接，第三二极管D3的阴极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的正端连接；第四二极管D4的阴极与低速切换电路3的共阳极点连接，第四二极管D4的阳极与放电电阻R1和吸收电容C1并联电路的负端连接；所述高速切换电路2、低速切换电路3和缓冲吸收电路4整体形成该两档电机绕组切换装置5。

所述匝数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，计算方法为W2:W1＝(n2-n1):n1。

如图2所示为绕组串联模式下电机的机械输出特性，由于高速时会产生较高的反电动势，无法达到需要的应用中需求的高转速n4；图3所示为单绕组模式下电机的机械输出特性，绕组匝数少，可以达到需求的高转速n4，但低速时无法达到大转矩T1。

如图4和图5所示，本实用新型两档电机绕组切换装置的控制方法，当电机运行于低速时，电机控制器在给主逆变电路发出PWM工作信号的同时，发出触发信号给低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2，使该IGBT半桥模块IGBT2中的上下管IGBT同时导通，利用低速切换电路3中的IGBT模块IGBT2将abc三相绕组的下部端点短接，同时，高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1中的上下管IGBT保持关断；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；同时，abc绕组产生的反电动势经过高速切换电路2整流后产生的直流电压，通过缓冲吸收电路4中的第一二极管D1、第二二极管D2流向放电电阻R1和吸收电容C1的并联电路，从而维持高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1两端维持较低的电压水平。

随着电机运行转速升高至n3，进入弱磁状态；电机控制器触发高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1的上下管IGBT同时导通，将ABC和abc三相绕组的串联连接点短接，并同时撤掉低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2的触发信号使其关断；此时，电机进入单套绕组工作模式，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；在切换瞬间，由于abc绕组电流不为零，在低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2关断的同时，其绕组上存储的能量经过低速切换电路3整流后产生直流电压，并通过缓冲吸收电路4中的第三二极管D3、第四二极管D4流向放电电阻R1和吸收电容C1的并联电路，利用吸收电容C1有效吸收abc绕组中存储的能量，从而维持低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2两端维持较低的电压水平，避免出现电压过冲损坏元器件。

当电机运行转速由高速n3减速，降至n2时，电机控制器触发低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2上下管IGBT同时导通，将abc三相绕组的下部端点短接，并同时撤掉高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1的上下管IGBT的触发信号，使其关断；并重新对三相电流进行控制，再次进入绕组串联模式。在切换瞬间，由于ABC绕组电流不为零，在高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1的上下管IGBT关断的同时，其绕组上存储的能量经过高速切换电路2整流后产生直流电压，并通过缓冲吸收电路4中的第一二极管D1、第二二极管D2流向放电电阻R1和吸收电容C1的并联电路，利用吸收电容C1有效吸收abc绕组中存储的能量，从而维持高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1两端维持较低的电压水平，避免出现电压过冲损坏元器件。

本实用新型高速切换电路2中的IGBT半桥模块IGBT1和低速切换电路3中的IGBT半桥模块IGBT2通过控制器的触发脉冲，主动开关；为确保高、低速切换电路在切换瞬间IGBT半桥模块不被损坏，在高、低速切换电路的输出侧并联了缓冲吸收电路4，从而避免因电机绕组线圈电感续流，造成IGBT模块和二极管因过压损坏。

如图4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 (2)

1.一种两档电机绕组切换装置，其特征在于：所述两档电机绕组切换装置与电机定子三相绕组(1)连接，电机定子三相绕组(1)分成两段，一段为高低速驱动绕组，匝数为W1，整体为ABC绕组；另一段为低速驱动绕组，匝数为W2，整体为abc绕组；在电机内部，ABC绕组和abc绕组为串联连接关系；ABC绕组和abc绕组的三相串联连接点，与由两个二极管半桥模块和一个带有反并联二极管的IGBT半桥模块构成的三相半桥整流电路的三个桥臂中点分别连接，由于IGBT半桥模块的使用，使得该三相半桥整流电路能够实现整流和短接功能，该三相半桥整流电路为高速切换电路(2)；abc绕组的另一端与另一组结构相同的三相半桥整流电路的三个桥臂中点分别连接，该三相半桥整流电路为低速切换电路(3)；ABC绕组的另一端与电机控制器相连；由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、放电电阻(R1)和吸收电容(C1)构成缓冲吸收电路(4)，其中放电电阻(R1)与吸收电容(C1)并联连接，第一二极管(D1)的阳极与高速切换电路(2)中的共阴极点连接，第一二极管(D1)的阴极与放电电阻(R1)和吸收电容(C1)并联电路的正端相连；第二二极管(D2)的阴极与高速切换电路(2)的共阳极点连接，第二二极管(D2)的阳极与放电电阻(R1和吸收电容(C1)并联电路的负端连接；第三二极管(D3)的阳极与低速切换电路(3)的共阴极点连接，第三二极管(D3)的阴极与放电电阻(R1)和吸收电容(C1)并联电路的正端连接；第四二极管(D4)的阴极与低速切换电路(3)的共阳极点连接，第四二极管(D4)的阳极与放电电阻(R1)和吸收电容(C1)并联电路的负端连接；所述高速切换电路(2)、低速切换电路(3)和缓冲吸收电路(4)整体形成该两档电机绕组切换装置(5)。

2.根据权利要求1所述的一种两档电机绕组切换装置，其特征在于：所述匝数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。