一種針對(duì)于永磁同步電機(jī)繞組切換裝置的繞組設(shè)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及永磁電機(jī)及其控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電刷和滑環(huán)，無(wú)電勵(lì)磁系統(tǒng)，運(yùn)行可靠性高、功率 密度大、電機(jī)的形狀和尺寸靈活多樣等多種顯著優(yōu)點(diǎn)。符合節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，它不 僅可以部分替代傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)，而且可以實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁電機(jī)難以達(dá)到的高效率。因此永 磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車等要求較高的調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。就目前的發(fā)展程 度看，永磁電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，由于其永磁體勵(lì)磁難以調(diào)節(jié)，弱磁擴(kuò)速能力較差，不易滿 足電動(dòng)汽車寬的調(diào)速范圍的要求；另一方面，低速運(yùn)行時(shí)，受空間限制，電機(jī)體積不能過(guò)大， 但是又要求產(chǎn)生大扭矩，需要的電流就比較大，逆變器電流容量要求高，有時(shí)候沒(méi)有這樣大 容量的逆變器或者大容量的逆變器體積大且昂貴。
[0003] 現(xiàn)有的技術(shù)方案中：
[0004] 1)如國(guó)外的文獻(xiàn)公開(kāi)了一種關(guān)于繞組切換的裝置，該裝置通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，選擇繞 組匝數(shù)（兩套繞組串聯(lián)運(yùn)行/ 一套繞組運(yùn)行）。低速運(yùn)行時(shí)，要產(chǎn)生大扭矩，兩套繞組串聯(lián) 運(yùn)行，增加繞組匝數(shù)，產(chǎn)生大扭矩。高速運(yùn)行時(shí)，僅運(yùn)行一套繞組，減少繞組反電動(dòng)勢(shì)。該方 案的本質(zhì)是繞組切除裝置，高速運(yùn)行時(shí)，丟一套繞組，材料利用不充分，并且切換系統(tǒng)成本 較高。
[0005] 2)又如國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)公開(kāi)了一種關(guān)于繞組切換的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在低速時(shí)，采用單逆 變器雙繞組運(yùn)行；在中速時(shí)，采用雙逆變器雙繞組運(yùn)行；在高速時(shí)，先利用弱磁控制方法對(duì) 永磁同步電機(jī)端電壓進(jìn)行限制，然后進(jìn)行繞組切換，采用單逆變器單繞組運(yùn)行。該系統(tǒng)采 用的是雙逆變器電路，系統(tǒng)工作模式靈活多變，可以是單逆變器工作，也可以是雙逆變器工 作，具有一定的容錯(cuò)能力。該方案本質(zhì)也是交流側(cè)繞組切除，繞組切換開(kāi)關(guān)數(shù)量較多，并且 逆變器也需要切換開(kāi)關(guān)，由此切換系統(tǒng)成本更高。
[0006] 3)現(xiàn)目前多數(shù)采用的繞組切換電路，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)控制三相繞組的串并聯(lián)的方 案。這種方案的切換策略是供電電流不變，繞組由并聯(lián)變?yōu)榇?lián)，同樣供電電流時(shí)，雖然逆 變器額定電流不變，但每套繞組承受的電流增加了 1倍，電動(dòng)機(jī)只能短時(shí)工作；一相繞組的 切換需要3個(gè)切換開(kāi)關(guān)，三相電機(jī)的繞組切換就需要9個(gè)切換開(kāi)關(guān)，多相電機(jī)的繞組切換需 要的切換開(kāi)關(guān)就更多。切換開(kāi)關(guān)過(guò)多，電路過(guò)于復(fù)雜、成本就隨之提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是在不增加逆變器容量的前提下，通過(guò)永磁電機(jī)控制系統(tǒng)的直流側(cè) 串并聯(lián)切換，改變繞組等效的串聯(lián)匝數(shù)，解決逆變器和電源電壓容量有限的問(wèn)題，從而解決 永磁電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)反電勢(shì)高的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的調(diào)速范圍。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種針對(duì)于永磁同步電機(jī)繞組切 換裝置的繞組設(shè)計(jì)，永磁同步電機(jī)繞組切換裝置包括n個(gè)主回路單元、n套繞組和4n-4個(gè) 開(kāi)關(guān)，其中n>2。
[0009] 令i= 1，2, 3，...n。
[0010] 第i個(gè)主回路單元包括第li絕緣柵雙極晶體管VH、第2i絕緣柵雙極晶體管V2l、 第3i絕緣柵雙極晶體管V3l、第4i絕緣柵雙極晶體管V4l、第5i絕緣柵雙極晶體管V5l和第 6i絕緣柵雙極晶體管V6l。
[0011] 第i套繞組由繞組Ai、繞組和繞組Ci采用星型接法的連接而成。所述第i個(gè)主 回路單元具有五個(gè)端子，即aH端、a21端、a31端、a41端、a51端。每個(gè)主回路單元均對(duì)應(yīng)一個(gè) 電動(dòng)勢(shì)為UDe/n的電源。第i個(gè)電源的正極為bH端，負(fù)極為b21端。
[0012] 所述第li絕緣柵雙極晶體管VH的集電極連接aH端，其發(fā)射極連接第4i絕緣柵 雙極晶體管V4l的集電極。所述第4i絕緣柵雙極晶體管V41的發(fā)射極連接a21端。
[0013] 所述第3i絕緣柵雙極晶體管V3l的集電極連接aH端，其發(fā)射極連接第6i絕緣柵 雙極晶體管V6l的集電極。所述第6i絕緣柵雙極晶體管V61的發(fā)射極連接a21端。
[0014] 所述第5i絕緣柵雙極晶體管V5l的集電極連接aH端。其發(fā)射極連接第2i絕緣柵 雙極晶體管V2l的集電極。所述第2i絕緣柵雙極晶體管V21的發(fā)射極連接a21端。
[0015] 所述a3l端位于第li絕緣柵雙極晶體管VH的發(fā)射極與第4i絕緣柵雙極晶體管 V4l的集電極之間。所述a41端位于第3i絕緣柵雙極晶體管V31的發(fā)射極與第6i絕緣柵雙 極晶體管V6l的集電極之間。所述a51端位于第5i絕緣柵雙極晶體管V51的發(fā)射極與第2i 絕緣柵雙極晶體管V2l的集電極之間。所述繞組Ai的一端連接a31端。所述繞組L的一端 連接a4i端。所述繞組C;的一端連接a5i端。
[0016] 所述4n-4個(gè)開(kāi)關(guān)包括第一開(kāi)關(guān)Si、第二開(kāi)關(guān)S2、第三開(kāi)關(guān)S3、……第4n_4開(kāi)關(guān) S4n4〇
[0017] 所述第一開(kāi)關(guān)Si的兩端分別連接a21端和b21端。
[0018] 所述第二開(kāi)關(guān)&的兩端分別連接a12端和b12端。
[0019] 所述第三開(kāi)關(guān)&的兩端分別連接a21端和a2n端。
[0020] 所述第四開(kāi)關(guān)&的兩端分別連接an端和a12端。
[0021] 所述第五開(kāi)關(guān)&的兩端分別連接a22端和b22端。
[0022] 所述第六開(kāi)關(guān)&的兩端分別連接a13端和b13端。
[0023] 所述第七開(kāi)關(guān)\的兩端分別連接a22端和a2n端。
[0024] 所述第八開(kāi)關(guān)&的兩端分別連接an端和a13端。
[0025] ......
[0026] 所述第4n_7開(kāi)關(guān)S4n7的兩端分別連接a2(n1}端和b2(n1}端。
[0027] 所述第4n_6開(kāi)關(guān)S4n6的兩端分別連接aln端和bln端。
[0028] 所述第4n_5開(kāi)關(guān)S4n5的兩端分別連接a2(n 端和a2n端。
[0029] 所述第4n_4開(kāi)關(guān)S4n4的兩端分別連接an端和aln端。
[0030] 所述an端與bn端連接。所述a2n端b2"端連接。
[0031] 所述b21端與b12端連接。所述b22端與b13端連接。......所述b2(n 端與bln端連 接。
[0032] 每個(gè)絕緣柵雙極晶體管的基極均連接PWM信號(hào)控制器，即脈寬調(diào)制器。所述PWM 信號(hào)控制器給予每個(gè)絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0033] 針對(duì)于上述永磁同步電機(jī)繞組切換裝置的n套繞組為三相定子繞組。上述永磁同 步電動(dòng)機(jī)定子槽中嵌放兩套繞組，兩套繞組左右并排放置。
[0034] 繞組設(shè)計(jì)原則即進(jìn)行繞組最優(yōu)匝數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)滿足低速運(yùn)行時(shí)繞組匝數(shù)是高 速運(yùn)行時(shí)的兩倍；其次反電動(dòng)勢(shì)不能超過(guò)逆變器安全運(yùn)行的限定值；然后，對(duì)比不同的繞 組設(shè)計(jì)方案，選出相同轉(zhuǎn)矩情況下電流較小且切換點(diǎn)前后電機(jī)運(yùn)行的相電流相差較小的方 案。最后得出最優(yōu)的方案即每相繞組的并繞根數(shù)為15,線圈匝數(shù)為15,并聯(lián)支路數(shù)為8。
[0035] 本發(fā)明還提供一種具體包括兩個(gè)主回路單元的技術(shù)方案，一種針對(duì)于永磁同步電 機(jī)繞組切換裝置的繞組設(shè)計(jì)，永磁同步電機(jī)繞組切換裝置包括兩個(gè)主回路單元、兩套繞組 和四個(gè)開(kāi)關(guān)。
[0036] 第一個(gè)主回路單元包括第十一絕緣柵雙極晶體管Vn、第二十一絕緣柵雙極晶體管 V21、第三i^一絕緣柵雙極晶體管V31、第四^^一絕緣柵雙極晶體管V41、第五^^一絕緣柵雙極 晶體管V51和第六十一絕緣柵雙極晶體管V61。所述第一個(gè)主回路單元具有五個(gè)端子，即an 立而、已21立而、a31立而、a41立而、a51立而〇
[0037] 第二個(gè)主回路單元包括第十二絕緣柵雙極晶體管V12、第二十二絕緣柵雙極晶體管 V22、第三十二絕緣柵雙極晶體管V32、第四十二絕緣柵雙極晶體管V42、第五十二絕緣柵雙極 晶體管V52和第六十二絕緣柵雙極晶體管V62。所述第二個(gè)主回路單元具有五個(gè)端子，即a12 i而、a22i而、a32i而、a42i而、a52i而。
[0038] 每個(gè)主回路單元均對(duì)應(yīng)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為UDe/2的電源。第一個(gè)電源的正極為bn端， 負(fù)極為b21端。第二個(gè)電源的正極為b12端，負(fù)極為b22端。
[0039] 第一套繞組由繞組&、繞組隊(duì)和繞組C1采用星型接法連接而成。第二套繞組由繞 組A2、繞組B2和繞組C2采用星型接法連接而成。所述三個(gè)切換開(kāi)關(guān)即第一開(kāi)關(guān)si、第二開(kāi) 關(guān)S2、第三開(kāi)關(guān)S3和第四開(kāi)關(guān)S4。
[0040] 所述第十一絕緣柵雙極晶體管Vn的集電極連接an端，其發(fā)射極連接第四十一絕 緣柵雙極晶體管V41的集電極。所述第四十一絕緣柵雙極晶體管V41的發(fā)射極連接a21端。 所述第三十一絕緣柵雙極晶體管V31的集電極連接an端，其發(fā)射極連接第六十一絕緣柵雙 極晶體管V61的集電極。所述第六十一絕緣柵雙極晶體管V61的發(fā)射極連接a21端。所述第 五十一絕緣柵雙極晶體管V51的集電極連接an端。其發(fā)射極連接第二十一絕緣柵雙極晶體 管V21的集電極。所述第二十一絕緣