TWI646773B - 馬達控制系統 - Google Patents

Abstract

一種可控制馬達繞組之導通量的馬達控制系統，包括：一電動馬達、與一變頻器。該電動馬達包括一定子、一轉子、與一繞線結構。該定子具有形成有複數個槽的鐵芯。該轉子被該定子環繞。該繞線結構藉由將複數個髮夾式導線的插腳***設置於該些槽內而構成，在每一該槽內，該些插腳沿著定子半徑方向依序配置成複數層導線，其中，該繞線結構具有複數相，每一相分別具有複數個繞組。該變頻器連接電源與該些繞組，且具有一換線控制器控制每一相的前述些繞組導通與否。在該電動馬達位於一高轉速模式下，該換線控制器控制每一相的該些繞組的導通量較每一相的全導通減少1/3。

Description

馬達控制系統

本發明係關於一種可控制馬達繞組之導通量的馬達控制系統，特別係關於一種用於控制車輛的電動馬達的馬達控制系統。

近年來已有越來越多的車輛使用以電力驅動的馬達控制系統，馬達控制系統中的電動馬達一般具有定子及轉子，定子的每一插槽內插設有複數組截面積相同的銅線而形成繞線，插槽內的銅線通過複數相的電流並產生旋轉磁場，藉此產生電動勢轉動轉子。隨著轉子的轉速提高，電動馬達內的反電動勢亦會逐漸上升，由於繞線的匝數固定，因此會產生轉速在反電動勢抵觸電壓上限後有著無法提升之問題存在。對此，一般習知的解決方法是藉由弱磁方式以降低反電動勢，進而提升轉速上限，但使用此方法時會需要額外的電流以產生弱磁所需之磁通，造成效率下降，且以此方式所提升的轉速效果有限，最後，仍未能大幅擴增操作區間。

為了克服前述習知問題點，本發明提供了一種可控制馬達繞組之導通量的馬達控制系統，包括：一電動馬達以及一變頻器。前述電動馬達包括：一定子、一轉子、以及一繞 線結構。前述定子具有形成有複數個槽的鐵芯。前述轉子被前述定子環繞。前述繞線結構藉由將複數個髮夾式導線的插腳***設置於前述些槽內而構成，在每一前述槽內，前述些插腳沿著定子半徑方向依序配置成複數層導線，其中，前述繞線具有複數相，每一相分別具有複數個繞組，前述些繞組分別設置於前述些槽內。前述變頻器具有一換線控制器，前述變頻器連接電源以及前述些繞組，其中，前述換線控制器控制每一相的前述些繞組導通與否。在前述電動馬達位於一高轉速模式下，前述換線控制器控制每一相的前述些繞組的導通量較每一相的全導通減少1/3。

於一實施例中，其中在每一前述槽內，前述繞線結構沿著定子半徑方向從半徑較小處至半徑較大處依序設有第一至第三繞組，在前述高轉速模式下，前述換線控制器斷開前述些第一、第二、或第三繞組中之任一組繞組的導通。

於一實施例中，在每一前述槽內，前述些插腳沿著定子半徑方向依序配置為第一至第六層導線，各層導線於前述些槽內排列形成同心圓狀分布，前述第一、第二層導線構成第一繞組，前述第三、第四層導線構成第二繞組，前述第五、第六層導線構成第三繞組，其中，前述第一繞組於前述定子半徑方向上位於半徑最小的位置。

於一實施例中，在每一槽內之該第一繞組、該第二繞組與該第三繞組以串連方式導通，並有切換電路用於不同模式切換。

於一實施例中，前述繞線結構係構成為三相，前 述變頻器將前述電源切換為三相電流，以六條導線形成高轉速及低轉速兩種導通模式，再分別輸至前述三相的輸入端。

於一實施例中，前述繞線結構係構成為三相，前述變頻器將前述電源切換為三相電流，以九條導線形成高轉速及低轉速兩種導通模式，再分別輸入至前述三相的輸入端。

導線於一實施例中，在前述電動馬達位於需要高轉矩的一低轉速模式下，前述換線控制器控制前述些繞組全導通。

於一實施例中，為達成較好的驅動效率，前述換線控制器根據電動馬達在同一轉矩以及同一轉速下之不同模式的驅動效率，控制前述些繞組全導通或導通量為減少1/3。

100‧‧‧電動馬達

1‧‧‧定子

2‧‧‧槽

3‧‧‧轉子

4‧‧‧繞線結構

41‧‧‧V相

42‧‧‧W相

43‧‧‧U相

5‧‧‧第一繞組

6‧‧‧第二繞組

7‧‧‧第三繞組

8‧‧‧換線控制器

81‧‧‧第一切換器

811‧‧‧主切換電路

812‧‧‧副切換電路

813‧‧‧端子線

82‧‧‧第二切換器

821‧‧‧主切換電路

822‧‧‧副切換電路

823‧‧‧端子線

83‧‧‧第三切換器

831‧‧‧主切換電路

832‧‧‧副切換電路

833‧‧‧端子線

9‧‧‧變頻器

10‧‧‧電源

A‧‧‧第一層導線

B‧‧‧第二層導線

C‧‧‧第三層導線

D‧‧‧第四層導線

E‧‧‧第五層導線

F‧‧‧第六層導線

H‧‧‧第二端

L‧‧‧第一端

OP1、OP2‧‧‧運作點

第1圖表示本發明一實施例之馬達控制系統之電動馬達的定子之示意圖。

第2圖表示本發明一實施例之電動馬達在各繞組全導通時的部分結構之示意圖。

第3圖表示本發明一實施例之電動馬達在各繞組導通量減少1/3時的部分結構之示意圖。

第4A圖表示電動馬達在全導通狀態下的操作區間之示意圖。

第4B圖表示電動馬達在各繞組導通量減少1/3狀態下的操作區間之示意圖。

第4C圖表示電動馬達在各繞組導通量減少1/2狀態下的操作區間之示意圖。

第5圖表示全導通狀態與各繞組導通量減少1/3狀態之操作區間效率比較圖。

第6A、6B圖表示不同實施例之馬達控制系統之示意圖。

第7、8、9圖係表示本發明不同實施例之換線控制器之示意圖。

茲配合圖式說明本發明之較佳實施例。有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

參照第7~9圖，本發明一實施例之馬達控制系統可控制馬達繞組之導通量，包括有電動馬達100以及變頻器9，電動馬達100包含有定子1、轉子3(顯示於第2、3圖)。第1圖顯示電動馬達100之定子，定子1為一空心環狀的鐵芯，鐵芯上形成有複數個槽2。第2、3圖顯示電動馬達100中的定子1和轉子3的部分結構，轉子3以被定子1環繞的方式設置於定子1的空心環狀部內。槽2中設置有繞線結構4，在本發明中，繞線結構4係可藉由將複數個髮夾式(hair pin)導線的插腳***設置於槽2內而構成，繞線結構4具有複數相，在此例如為V相41、W相42及U相43。每一相中又具有複數個繞組5~7。變頻器9連接一電源10以及繞組5~7，且具有一換線控制器8，換線控制器8連接每一相的該些繞組5~7，對於每一相中的該些繞組5~7的導通與否 進行控制。

於本實施例中，繞線結構4具有V相41、W相42、U相43等三相，每一相中又分別具有第一繞組5、第二繞組6、以及第三繞組7，但相數以及繞組的數量並不限定於此。其中，同一相中的第一、第二、第三繞組5、6、7可以短跨距的導線做連接，依設計構成為所需要之繞組的串聯，各相中第一、第二、第三繞組5、6、7分別以全跨距的導線做連接；構成為V相41、W相42、U相43的每一相中的各第一繞組5彼此相連、各第二繞組6彼此相連、以及各第三繞組7彼此相連，換線控制器8構成為可斷開第一、第二、或第三繞組5、6、7中之任一組繞組的導通。

接著，說明繞線結構4在槽2中之構成。如第2圖所示，在定子1的每一槽2中，繞線結構4沿著定子1之半徑方向依序設有第一至第六層導線A~F，每層導線大致環繞著環狀的鐵芯而分別排列成複數個圓形，換言之，若從定子1的正面觀之，可看出第一至第六層導線A~F於槽2內排列形成為六層的同心圓狀分布。於本實施例中，亦可解釋成繞線結構4沿著定子1之半徑方向依序設有第一、第二、第三繞組5、6、7。詳言之，如第2圖(及/或第1圖)所示，槽2形成為向著轉子3形成開口，在槽2內位於半徑最小處(最靠近開口處)的第一、第二層導線A、B構成第一繞組5，位於半徑中等長度位置的第三、第四層導線C、D構成第二繞組6，位於半徑最大處(最遠離開口處)的第五、第六層導線E、F構成第三繞組7，此時，第一繞組5於定子1半徑方向上位於半徑最小的位置。藉由上述繞線設置及分組方式， 可對於電動馬達進行更細緻的控制，進而得到所期望之操作區間。但是，本發明並未限定以相鄰層之導線構成一繞組，亦可以不相鄰層之導線構成一繞組，或是以三層之導線構成一繞組。又，雖然本發明中槽2係較佳為形成為向著轉子3開口，以降低定子鐵損並利於轉矩的產生，但槽2亦可形成為不向著轉子3開口。

需特別說明的是，本發明之繞線結構4較佳為使用複數個髮夾式(hair pin)導線構成，每一個髮夾式導線例如可以其兩隻插腳作為兩條導線，可直接***設置於槽2內，例如第2圖中的任一槽2內的第一至第六層導線A~F任一層即為髮夾式導線的一隻插腳，在插腳(導線)插設於槽2之後，可對於各導線進行連接，而完成各繞組間短跨距以及全跨距的連接，例如，可藉由焊接的方式連接之相異髮夾式導線的插腳。藉此，可提高導體在槽內之佔積率與電動馬達100組裝效率。

於本案第8~10圖之實施例中，電動馬達100可藉由換線控制器8切換低轉速模式以及高轉速模式兩種運作狀態。在電動馬達100位於一高轉速模式下，換線控制器8可控制每一相的繞組的導通量較每一相的全導通時減少1/3。藉由將繞線結構4中各相之繞組的導通量減少1/3，可達到降低電動馬達100反電動勢之功效。參照第7圖(及第3圖)，例如利用換線控制器8的切換，對每一相僅使第二繞組6和第三繞組7連接，而達到使繞組的導通量減少1/3的目的。

在低轉速模式下，電動馬達100為如第2圖所示的全導通狀態，此時，換線控制器8使得V相41、W相42及U相43 中的第一繞組5、第二繞組6、以及第三繞組7形成全串聯且全部導通，可產生較大的磁通量，因此，在剛啟動或是需要輸出高轉矩的狀況下，繞線結構4可對轉子3提供較大的電磁轉矩。又，電動馬達100在一般模式下的轉速-轉矩的操作區間圖如第4A圖所示，在此操作區間中所能得到的的最高轉矩可達到350N‧m(牛頓‧公尺)，而最高轉速可達6000rpm(每分鐘圈數)。

接著，在高轉速模式下，電動馬達100如第3圖所示般並未導通全部的繞組，在本實施例中，換線控制器8斷開各相的第一繞組5的導通，使得V相41、W相42及U相43各相中僅只有第二繞組6以及第三繞組7為導通，相較於低轉速模式，每一相的繞組的導通量減少了1/3，換言之，繞線結構4中全部繞組的導通量為在低轉速模式下之繞線結構4中全部繞組的導通量的2/3。因此，在高轉速模式下，可藉由減少繞線等效匝數而降低轉子3因轉速提高所產生的反電動勢，進而可提升轉子3至更高的轉速。又，電動馬達100在高轉速模式下的轉速-轉矩的操作區間圖如第4B圖所示，在此操作區間中所能得到的最高轉矩可達到約270N‧m，而最高轉速可達10000rpm。

需特別說明的是，在上述實施例中(參照第7圖)，由於第一繞組5為三組繞組中最靠近轉子3的，因此，換線控制器8係斷開最靠近轉子3的第一繞組5的導通，使轉子3造成的鄰近效應的影響降低，同時由於第一繞組5受鄰近效應影響嚴重產生大量銅損，故在高速低載區間對其斷路以降低銅損損耗，提升電機效率，並令操作區間的最高轉速可更為提高，意即，斷開第一繞組5所得到電動馬達100操作效率最高。雖然斷開最 靠近轉子3的第一繞組5為本發明之較佳的實施例，但在本發明中其他實施例中，換線控制器8斷開位於中間位置的第二繞組6(參照第8圖)、或是斷開最遠離轉子3的第三繞組7(參照第9圖)，依然可達到提高轉速、增加操作區間之功效。

在此，針對第4B圖以及第4C圖之比較進行說明，詳言之，本案第4C圖所採用的電動馬達之實施例的繞線結構4之構成與第4A、4B圖所採用者的實施例並不相同。在此，電動馬達的定子的繞線的每一相中，例如以每三層導線構成一繞組，意即，各相僅分別具有兩個繞組，而第4C圖為電動馬達100在各繞組導通量減少1/2之狀態，例如各相中僅只有一組繞組導通的操作區間圖。如第4C圖所示，此時的操作區間中所能得到的最高轉速雖然可達10000rpm，但最高轉矩僅能達到約220N‧m而已。故相較於第4C圖之斷開三層導線之導通所得到之操作區間，第4B圖之實施例中僅需斷開兩層導線(一組繞組)而可使得電動馬達100的最高轉速同樣達10000rpm，但最高轉矩可達到約270N‧m，故可得到兼具高轉速與較高轉矩的操作區間。

接下來以第5圖之說明本發明之電動馬達100如何選擇低轉速模式或高轉速模式。需特別說明的是，第6圖之實施例係為施加了較高電壓的操作區間圖，因此操作區間的樣態係與第4A、4B圖之實施例稍微不同。

在第5圖中，係將低轉速模式與高轉速模式的操作區間效率分布圖重疊在同一張圖上，並以低轉速模式之操作區間的效率當作基準值，將高轉速模式相較於低轉速模式之效率 增益的多寡以等高線劃分成不同區塊而表示，其中，低轉速模式之效率高於高轉速模式之效率的區塊在第6圖中表示為效率增益0%，即此時高轉速模式並未相較於低轉速模式有更多的效率增益。

當電動馬達100之運作狀態位於運作點0P1時，由於高轉速模式無法達到目標轉矩(大於270N‧m)，故從第6圖中可看出此時的效率增益為0%，因此，換線控制器8將繞組全導通，使電動馬達100位於低轉速模式。當電動馬達100之運作狀態位於運作點OP2時，低轉速模式與高轉速模式皆可達到此操作點OP2的轉速、轉矩需求，然而，從第5圖中可看出此時的效率增益約為8%，因此，換線控制器8將繞組的導通量減少1/3，使電動馬達100位於高轉速模式。

由上可知，當低轉速模式或是高轉速模式在同一轉速下均可以達到目標轉矩的情況下，本發明之換線控制器8根據電動馬達100在不同運轉模式下的驅動效率，選擇該切換成低轉速模式或高轉速模式，意即，根據第5圖之效率增益控制繞組全導通或導通量為減少1/3，藉此可提升電動馬達100的運轉效率。

以下，根據第6至9圖說明本發明中電動馬達100及換線控制器8的各種構成實施例。

如第6A圖所示，電動馬達100係透過變頻器9而連接至電源10。變頻器9將電源10的電流轉換成複數相的交流電後輸入至電動馬達100。由於換線控制器8設置於變頻器9處，而換線機制由馬達端提供第一繞組5、第二繞組6和第三繞組7 全部串連導通以及將第一繞組5短路之兩種導通電路，並由變頻器9中的換線控制器8作模式切換，故變頻器9對應地以六條導線連接至電動馬達100。

請參閱本案第7圖，在此實施例中，電動馬達100之繞線結構4具有V相41、W相42及U相43，變頻器9以六條導線連接至繞線4的三相。每一相分別具有第一繞組5、第二繞組6、以及第三繞組7，其中，在此實施例中，換線控制器8例如為具有三個切換器的裝置，每一個切換器例如為一對二之多工器或選擇開關但是並示限定於此，用以將連接至第一繞組5的第一端L或第二端H的電路選擇性地導通或斷路。當電動馬達100位於高轉速模式時，第一、第二、第三切換器81、82、83分別斷開主切換電路811、821、831的導通使其斷路，並令副切換電路812、822、832導通，因此，換線控制器8如第7圖所示般地切換連接至各第一繞組5的第二端H。此時，各相中僅只有第二繞組6以及第三繞組7被導通。當電動馬達100位於低轉速模式時，第一、第二、第三切換器81、82、83分別斷開副切換電路812、822、832的導通使其斷路，並令主切換電路811、821、831導通，此時，換線控制器8切換連接至第一繞組5的第一端L，使得各相中的第一繞組5、第二繞組6、以及第三繞組7構成為串聯且全部導通。需特別說明的是，第7圖之換線控制器8的構成係與係與第2、3圖之實施例中的換線控制器8相同。

接著，請參閱第6B圖，與第6A圖之實施例相異之處在於，換線機制由馬達端提供第一繞組5、第二繞組6和第三繞組7全部串連導通以及將第二繞組6或第三繞組7短路之兩種 導通電路，故變頻器9對應地以九條導線連接至電動馬達100。第8圖與第9圖之實施例係與第6B圖之實施例相對應。

請參閱本案第8圖，與第7圖相同之部分不再贅述。在此實施例中，換線控制器8例如為具有三個切換開關的裝置，每一個切換開關例用以將連接至第二繞組6的第一端L與第二端H的電路選擇性地導通或斷路。又，在此實施例中，變頻器9係分別以端子線813、823、833連接各相之第一繞組5的一端。當電動馬達100位於高轉速模式時，第一、第二、第三切換器81、82、83令主切換電路811、821、831以及副切換電路812、822、832同時導通，此時，換線控制器8如第8圖所示般地切換連接至第二繞組6旁的切換電路造成第二繞組6失效。此時，各相中僅只有第一繞組5以及第三繞組7被導通。當電動馬達100位於低轉速模式時，第一、第二、第三切換器81、82、83同時斷開主切換電路811、821、831以及副切換電路812、822、832使其斷路，此時換線控制器8切換斷開第一端L與第二端H間的迴路，使交流電從變頻器9以端子線813、823、833送出，使得各相中的第一繞組5、第二繞組6、以及第三繞組7構成為串聯且全部導通。

請參閱本案第9圖，與第8圖相同之部分不再贅述。在此實施例中，換線控制器8例如為具有三個切換開關的裝置，每一個切換開關例用以將連接至第三繞組7的第一端L與第二端H的電路選擇性地導通或斷路。當電動馬達100位於高轉速模式時，第一、第二、第三切換器81、82、83令主切換電路811、821、831以及副切換電路812、822、832同時導通，此時，換 線控制器8如第9圖所示般地切換至第三繞組7旁的切換電路造成第三繞組7失效。此時，各相中僅只有第一繞組5以及第二繞組6被導通。當電動馬達100位於低轉速模式時，第一、第二、第三切換器81、82、83同時斷開主切換電路811、821、831以及副切換電路812、822、832使其斷路，此時換線控制器8切換斷開第一端L與第二端H間的迴路，使交流電從變頻器9以端子線813、823、833送出，使得各相中的第一繞組5、第二繞組6、以及第三繞組7構成為串聯且全部導通。

本發明藉由換線控制器8控制各繞組的導通與否，並將換線控制器8設置於變頻器9處，因此，變頻器9最少僅以六條導線輸出三相電流至電動馬達100的各相輸入端，變頻器9的輸出導線可精簡化。又，藉由將上述換線控制器8設置於不同的繞組處，可簡單地對繞組的導通與否進行控制，進而可簡單地切換低轉轉速模式以及高轉速模式。

綜上所述，本發明之馬達控制系統藉由如前所述的各項技術特徵，可提高電動馬達的操作區間，降低變頻器拉線的複雜度，以及/或可提升電動馬達組裝的方便性。又，雖然本發明之馬達控制系統可適用於例如汽車或機車等車輛，但是並不限於此，亦可使用於其他相關領域上。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

1. 一種可控制馬達繞組之導通量的馬達控制系統，包括：電動馬達，其包括：一定子，具有形成有複數個槽的鐵芯；一轉子，被該定子環繞；一繞線結構，藉由將複數個髮夾式導線的插腳***設置於該些槽內而構成，在每一該槽內，該些插腳沿著定子半徑方向依序配置成複數層導線，其中，該繞線結構具有複數相，每一相分別具有複數個繞組；以及一變頻器，具有一換線控制器，該變頻器連接電源以及該些繞組，其中，該換線控制器控制每一相的該些繞組導通與否；在該電動馬達位於一高轉速模式下，該換線控制器控制每一相的該些繞組的導通量較每一相的全導通減少1/3。
2. 如申請專利範圍第1項所述的馬達控制系統，其中在每一該槽內，該繞線結構沿著定子半徑方向從半徑較小處至半徑較大處依序設有第一至第三繞組，在該高轉速模式下，該換線控制器斷開該些第一、第二、或第三繞組中之任一組繞組的導通。
3. 如申請專利範圍第2項所述的馬達控制系統，其中在每一該槽內，該些插腳沿著定子半徑方向依序配置為第一至第六層導線，各層導線於該些槽內排列形成同心圓狀分布，該第一、第二層導線構成第一繞組，該第三、第 四層導線構成第二繞組，該第五、第六層導線構成第三繞組，其中，該第一繞組於該定子半徑方向上位於半徑最小的位置。
4. 如申請專利範圍第3項所述的馬達控制系統，其中在每一槽內之該第一繞組、該第二繞組與該第三繞組以串連方式導通。
5. 如申請專利範圍第1項所述的馬達控制系統，其中該繞線結構係構成為三相，該變頻器將該電源切換為三相電流，以六條導線形成高轉速及低轉速兩種導通模式，再分別輸入至該三相的輸入端。
6. 如申請專利範圍第1項所述的馬達控制系統，其中該繞線結構係構成為三相，該變頻器將該電源切換為三相電流，以九條導線形成高轉速及低轉速兩種導通模式，再分別輸入至該三相的輸入端。
7. 如申請專利範圍第1項所述的馬達控制系統，其中在該電動馬達位於需要高轉矩的一低轉速模式下，該換線控制器控制該些繞組全導通。
8. 如申請專利範圍第7項所述的馬達控制系統，其中為達成較好的驅動效率，該換線控制器根據電動馬達在同一轉矩以及同一轉速下之不同模式的驅動效率，控制該些繞組為全導通或導通量為減少1/3。