TWI672900B

TWI672900B - 電機驅動方法

Info

Publication number: TWI672900B
Application number: TW106144870A
Authority: TW
Inventors: 徐銘懋; 陳譽元; 劉祖閔
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-09-21
Also published as: US10381888B2; TW201929405A; CN109951111A; US20190190327A1

Abstract

一種電機驅動方法，適用於轉子包含磁阻結構的電機，且包含以異步驅動方式啟動電機，依據調速指令以異步驅動方式控制電機，偵測電機的轉子轉速並判斷轉子轉速是否等於或大於臨界轉速，其中臨界轉速為電機的同步轉速乘上臨界百分比，以及當轉子轉速等於或大於臨界轉速時，以同步驅動方式控制電機。

Description

電機驅動方法

本發明係關於一種電機驅動方法。

電機（即馬達）為現今社會不可或缺的動力元件，電機能將電能轉化為動能，因此廣泛應用於工具機、水泵、輕工機械、風力發電、水力發電和電動汽車等設備。由於廣大的市場需求，各式的馬達設計、製造與驅動控制技術正迅速發展。

一般而言，電機的驅動方式可分為異步驅動以及同步驅動。異步驅動以轉子及定子之間的滑差所產生的感應電流與磁通進行作用，進而控制轉子轉動；同步驅動則係以定子所產生的磁場吸引轉子磁場的異極，因此轉子會隨著定子的磁場以相同的速度旋轉。異步驅動方式其優點在於受環境影響小，且具有高啟動轉矩，然而其功率因數低；同步驅動方式的則具有功率因數高的優點，然而其易受環境所影響，因此在啟動階段容易失敗或是在低轉速時性能較差。

有鑑於此，本發明提供一種電機驅動方法，選擇性地以異步驅動方式或同步驅動方式來控制電機，以使電機的轉動兼具兩種驅動方式的優勢。

依據本發明所揭示一實施例的電機驅動方法，適用於轉子包含磁阻結構的電機，且包含：以異步驅動方式啟動電機；依據調速指令以異步驅動方式控制電機；偵測電機的轉子轉速並判斷轉子轉速是否等於或大於臨界轉速，其中臨界轉速為電機的同步轉速乘上臨界百分比；以及當轉子轉速等於或大於臨界轉速時，以同步驅動方式控制電機。

鑒於上述，本發明所揭示之電機驅動方法，在啟動階段時，以異步驅動方式啟動並控制電機，有效抑制啟動電流，使得電機的轉子轉速可以平滑順暢地達到同步轉速，並在轉子轉速達到同步轉速之時或之前，切換以同步驅動方式來控制電機，使電機具有較佳效率、較低穩態矩或較佳功因。

以上之關於本揭示內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭示之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1及圖2，其中圖1係依據本發明之一實施例所繪示的電機驅動方法的流程圖，圖2則依據本發明之一實施例所繪示的執行電機驅動方法的功能方塊圖。如圖1及圖2所示，電機驅動方法包含步驟S11～S14，且適用於電機9，其中電機9的轉子包含有磁阻結構，而關於電機詳細架構的實施例將於後描述。電機驅動方法可以由電性連接於電機9的驅動器10來執行。

於步驟S11～S12中，驅動器10以異步驅動的方式啟動電機9，並依據調速指令以異步驅動方式控制電機9。異步驅動方式以轉子及定子之間的滑差所產生的感應電流與磁通作用，進而控制轉子轉動。舉例來說，異步驅動方式可以係變壓變頻控制（Variable voltage variable frequency control，VVVF），驅動器10產生包含多個控制指令的調速指令，且以輸出頻率由小至大地依序輸出這些指令，以對電機9進行變壓變頻控制。舉另一個例子，異步驅動方式亦可以是磁場導向控制（Field orient control，FOC），利用座標軸轉換，以個別控制電機的轉矩與磁通。

再來於步驟S13～S14中，驅動器10偵測電機9的轉子轉速，並判斷轉子轉速是否等於或大於臨界轉速，當轉子轉速等於或大於臨界轉速時，則驅動器10切換以同步驅動方式來控制電機9的轉速。舉例來說，同步驅動方式可以係變壓變頻控制、磁場導向控制或是其他控制方式。

於一實施例中，驅動器10的異步驅動方式係以變壓變頻控制實現，而同步驅動方式則係以磁場導向控制實現。於此實施例中，在啟動及非同步階段，變壓變頻控制可以使電機9以較小的啟動電流獲得較大的啟動轉矩，防止啟動電流過大而造成電機9過熱，甚至導致保護器跳閘，減少電機壽命的狀況；而在電機9的轉子轉速等於或大於臨界轉速時，磁場導向控制可單獨控制轉矩與磁通量，以提供較佳的動態反應，且亦不會有轉矩漣波的問題。

於另一實施例中，驅動器10的異步驅動以及同步驅動方式皆可以磁場導向控制實現。驅動器10透過內建控制係數的轉換以自異步驅動方式切換至同步驅動方式。藉此，即仍能夠在馬達剛啟動的階段，透過異步驅動的方式以較小的啟動電流獲得較大的啟動轉矩；而在馬達驅於穩態運轉時，透過同步驅動的方式以提供較佳的動態反應。

請一併參考圖2及圖3，圖3係依據本發明之一實施例所繪示的電機驅動方法的轉子轉速-時間圖。於圖3中，目標轉速Ns預設為電機9的同步轉速，臨界轉速Nth則設定與目標轉速Ns之間具有比例關係，即臨界轉速Nth為目標轉速Ns乘上一臨界百分比。於一實施例中，臨界轉速Nth設定等於目標轉速Ns，即臨界百分比為100%。於另一實施例中，臨界轉速Nth設定為電機9處於異步模式且在額定負載下的最高異步轉速。於又一實施例中，臨界轉速Nth設定為一般感應電機的額定轉速，即一般感應電機在額定負載下的最高異步轉速，其中所謂的一般感應電機係指與本案之馬達的定子具有相同結構，但轉子僅具有磁場感應結構的感應電機。一般而言，在以一般感應電機的額定轉速設定臨界轉速Nth的情況下，臨界百分比為等於或大於90%。

如圖3所示，當驅動器10判斷電機9的轉子轉速小於臨界轉速Nth時，驅動器10以異步驅動方式控制電機9；而當驅動器10判斷轉子轉速等於或大於臨界轉速Nth時，驅動器10便切換以同步驅動方式來控制電機9。換句話說，在第一轉動期間T1，驅動器10係以異步驅動方式控制電機9；而在第二轉動期間T2則以同步驅動方式控制電機9。

如此一來，本發明的電機驅動方法在啟動階段（即滑差最大）時，以異步驅動方式啟動並控制電機9，有效抑制啟動電流，使得電機9的轉子轉速得以平滑順暢地達到同步轉速Ns（即滑差為零），並在轉子轉速達到同步轉速Ns之時或之前，切換以同步驅動方式來控制電機9，使電機9具有較佳效率、較低穩態矩或較佳功因。

如前所述，本發明的電機驅動方法適用於轉子具有磁阻結構的電機9。以下就電機9的轉子機構作舉例說明，然而本發明的電機驅動方法所適用的電機並不限於此。請一併參照圖2及圖4，其中圖4係依據本發明之一實施例所繪示之適用上述電機驅動方法的電機9之轉子機構的正視圖。

如圖2及圖4所示，電機9具有轉子1a，轉子1a包含一鐵芯（rotor core）40與複數個導體條（rotor bar）50。鐵芯40具有複數個導體槽41與複數個磁阻群42。

導體槽41沿鐵芯40周緣排列設置。於本實施例中，導體槽41與鐵芯40之環形側壁相隔一距離，且截面為圓形。於另一實施例中，鐵芯鐵芯導體槽41也可為破槽，且與鐵芯40之環形側壁相連。於其他實施例中，導體槽41的截面也可為梨形、橢圓形或其他幾何圖形，本發明不予限制。導體條50埋設於該轉子內且設置鄰近於轉子1a的鐵芯40的徑向外周面。詳細來說，導體條50分別設置於這些導體槽41中。

磁阻群42圍繞鐵芯40之軸心L排列，每一組磁阻群42包含多個磁阻單元（Reluctance unit）420。磁阻單元420分別自其中一導體槽41延伸到另一導體槽41；也可以說，磁阻單元420分別自其中一導體條50延伸到另一導導體條50。於一實施例中，轉子1a不設置永磁材料例如磁鐵，且各磁阻單元420與導體槽41之間保持一距離，即磁阻單元420與導體槽41為相分離而非相連。另外，提醒的是，鐵芯40之極數（即磁阻群42的組數）與每組磁阻群42中磁阻單元420的數量可據實際需求進行調整，本發明並非以圖中示例性地繪示的數量為限。

於本實施例中，各磁阻群42中的磁阻單元420等間距地沿該鐵芯40之徑向方向排列，也可以說，於鐵芯40每一極（pole）中，具有三個磁阻單元420沿鐵芯40之徑向方向排列。但磁阻單元420不限於等間距排列。

對於鐵芯40來說，每一磁阻單元420皆為磁通屏障，而相鄰的磁阻單元420之間的間隙則為磁路通道，磁阻群42形成具有拓樸圖案的磁阻結構4。在原理上，電機繞組輸入電源，相對應定子繞組的鐵芯40上的導體條50會產生激磁電流，使鐵芯40導磁形成封閉的磁力線迴圈。此時，單位截面積所通過的磁通量，稱為磁通密度（Flux density - B）。透過磁阻結構4的的配置，不僅可提供電機9於異步運轉狀態時磁通的通道，亦可使激磁的磁通控制在特定的方向以使電機9達同步運轉狀態。詳細來說，於同步運轉狀態時，由於磁阻單元420排列於鐵芯40中，磁通絕大部分被侷限於磁阻單元420之間的間隙，使激磁的磁通絕大步分被控制在特定的方向流通。

鑒於以上所述，本發明前述的電機驅動方法，在啟動階段時，以異步驅動方式啟動並控制電機，有效抑制啟動電流，使得電機的轉子轉速可以平滑順暢地達到同步轉速，並在轉子轉速達到同步轉速時或前，切換以同步驅動方式來控制電機，使電機具有較佳效率、較低穩態矩或較佳功因。

雖然本發明以前述之實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

9 電機 10 驅動器 1a　轉子 4 磁阻結構 40　鐵芯 41　導體槽 42　磁阻群 50　導體條 420　磁阻單元 L　軸心

圖1係依據本發明之一實施例所繪示的電機驅動方法的流程圖。圖2係依據本發明之一實施例所繪示的執行電機驅動方法的功能方塊圖。圖3係依據本發明之一實施例所繪示的電機驅動方法的轉子轉速-時間圖。圖4係依據本發明之一實施例的電機驅動方法所適用之電機的轉子機構的正視圖。

Claims

一種電機驅動方法，適用於包含一轉子的一電機，該轉子包含一磁阻結構，且該電機驅動方法包含：以一異步驅動方式啟動該電機；依據一調速指令，以該異步驅動方式控制該電機；偵測該電機的轉子轉速，並判斷該轉子轉速是否等於或大於一臨界轉速；以及當該轉子轉速等於或大於該臨界轉速時，以一同步驅動方式控制該電機；其中該臨界轉速小於或等於該電機的一同步轉速。
如請求項1所述的電機驅動方法，其中該調速指令係由與該電機電性連接的一驅動器產生，並包含多個控制指令，且該些控制指令依據該驅動器的輸出頻率，由小至大地依序輸出。
如請求項1所述的電機驅動方法，其中該臨界轉速指示該電機處於一異步模式且在額定負載下的一最高異步轉速。
如請求項1所述的電機驅動方法，其中該轉子的該磁阻結構包含磁阻群。
如請求項1所述的電機驅動方法，其中該轉子包含數個導體條埋設於該轉子內且設置鄰近於該轉子的徑向外周面。