CN105048888A - 一种永磁同步电机绕组切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机绕组切换装置，本装置具有n套绕组，同时对应n个主回路单元，通过4n-4个开关共同作用，实现n套绕组的串并联切换。本发明具有如下特点：降低了切换系统的成本，提高了切换系统的可靠性；提高电机运行效率，扩展了电机的调速范围，并且使主回路容量的需求减小；提出了切换转速的选取原则；提出了一种减少切换过程中暂态冲击电流的切换策略。

Description

一种永磁同步电机绕组切换装置

技术领域

本发明涉及永磁电机及其控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、无电刷和滑环，无电励磁系统，运行可靠性高、功率密度大、电机的形状和尺寸灵活多样等多种显著优点。符合节能减排的经济发展需要，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高效率。因此永磁同步电机在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。就目前的发展程度看，永磁电机与感应电机相比，由于其永磁体励磁难以调节，弱磁扩速能力较差，不易满足电动汽车宽的调速范围的要求；另一方面，低速运行时，受空间限制，电机体积不能过大，但是又要求产生大扭矩，需要的电流就比较大，逆变器电流容量要求高，有时候没有这样大容量的逆变器或者大容量的逆变器体积大且昂贵。

现有的技术方案中：

1)如国外的文献公开了一种关于绕组切换的装置，该装置通过切换开关，选择绕组匝数(两套绕组串联运行/一套绕组运行)。低速运行时，要产生大扭矩，两套绕组串联运行，增加绕组匝数，产生大扭矩。高速运行时，仅运行一套绕组，减少绕组反电动势。该方案的本质是绕组切除装置，高速运行时，丢一套绕组，材料利用不充分，并且切换系统成本较高。

2)又如国内的文献公开了一种关于绕组切换的系统，该系统在低速时，采用单逆变器双绕组运行；在中速时，采用双逆变器双绕组运行；在高速时，先利用弱磁控制方法对永磁同步电机端电压进行限制，然后进行绕组切换，采用单逆变器单绕组运行。该系统采用的是双逆变器电路，系统工作模式灵活多变，可以是单逆变器工作，也可以是双逆变器工作，具有一定的容错能力。该方案本质也是交流侧绕组切除，绕组切换开关数量较多，并且逆变器也需要切换开关，由此切换系统成本更高。

3)现目前多数采用的绕组切换电路，通过切换开关控制三相绕组的串并联的方案。这种方案的切换策略是供电电流不变，绕组由并联变为串联，同样供电电流时，虽然逆变器额定电流不变，但每套绕组承受的电流增加了1倍，电动机只能短时工作；一相绕组的切换需要3个切换开关，三相电机的绕组切换就需要9个切换开关，多相电机的绕组切换需要的切换开关就更多。切换开关过多，电路过于复杂、成本就随之提升。

发明内容

本发明的目的是在不增加逆变器容量的前提下，通过永磁电机控制系统的直流侧串并联切换，改变绕组等效的串联匝数，解决逆变器和电源电压容量有限的问题，从而解决永磁电机高速运行时反电势高的问题，提高系统的调速范围。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种永磁同步电机绕组切换装置，包括n个主回路单元、n套绕组和4n-4个开关，其中n≥2。

令i＝1,2,3，…n。

第i个主回路单元包括第1i绝缘栅双极晶体管V_1i、第2i绝缘栅双极晶体管V_2i、第3i绝缘栅双极晶体管V_3i、第4i绝缘栅双极晶体管V_4i、第5i绝缘栅双极晶体管V_5i和第6i绝缘栅双极晶体管V_6i。

第i套绕组由绕组A_i、绕组B_i和绕组C_i采用星型接法的连接而成。所述第i个主回路单元具有五个端子，即a_1i端、a_2i端、a_3i端、a_4i端、a_5i端。每个主回路单元均对应一个电动势为U_DC/n的电源。第i个电源的正极为b_1i端，负极为b_2i端。

所述第1i绝缘栅双极晶体管V_1i的集电极连接a_1i端，其发射极连接第4i绝缘栅双极晶体管V_4i的集电极。所述第4i绝缘栅双极晶体管V_4i的发射极连接a_2i端。

所述第3i绝缘栅双极晶体管V_3i的集电极连接a_1i端，其发射极连接第6i绝缘栅双极晶体管V_6i的集电极。所述第6i绝缘栅双极晶体管V_6i的发射极连接a_2i端。

所述第5i绝缘栅双极晶体管V_5i的集电极连接a_1i端。其发射极连接第2i绝缘栅双极晶体管V_2i的集电极。所述第2i绝缘栅双极晶体管V_2i的发射极连接a_2i端。

所述a_3i端位于第1i绝缘栅双极晶体管V_1i的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管V_4i的集电极之间。所述a_4i端位于第3i绝缘栅双极晶体管V_3i的发射极与第6i绝缘栅双极晶体管V_6i的集电极之间。所述a_5i端位于第5i绝缘栅双极晶体管V_5i的发射极与第2i绝缘栅双极晶体管V_2i的集电极之间。所述绕组A_i的一端连接a_3i端。所述绕组Bi的一端连接a_4i端。所述绕组C_i的一端连接a_5i端。

所述4n-4个开关包括第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、……第4n-4开关S_4n-4。

所述第一开关S₁的两端分别连接a₂₁端和b₂₁端。

所述第二开关S₂的两端分别连接a₁₂端和b₁₂端。

所述第三开关S₃的两端分别连接a₂₁端和a_2n端。

所述第四开关S₄的两端分别连接a₁₁端和a₁₂端。

所述第五开关S₅的两端分别连接a₂₂端和b₂₂端。

所述第六开关S₆的两端分别连接a₁₃端和b₁₃端。

所述第七开关S₇的两端分别连接a₂₂端和a_2n端。

所述第八开关S₈的两端分别连接a₁₁端和a₁₃端。

……

所述第4n-7开关S_4n-7的两端分别连接a_2(n-1)端和b_2(n-1)端。

所述第4n-6开关S_4n-6的两端分别连接a_1n端和b_1n端。

所述第4n-5开关S_4n-5的两端分别连接a_2(n-1)端和a_2n端。

所述第4n-4开关S_4n-4的两端分别连接a₁₁端和a_1n端。

所述a₁₁端与b₁₁端连接。所述a_2n端b_2n端连接。

所述b₂₁端与b₁₂端连接。所述b₂₂端与b₁₃端连接。……所述b_2(n-1)端与b_1n端连接。

每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。

本发明还提供一种具体包括两个主回路单元的技术方案，一种永磁同步电机绕组切换装置，包括两个主回路单元、两套绕组和四个开关。

第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁、第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁、第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁、第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁、第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁和第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁。所述第一个主回路单元具有五个端子，即a₁₁端、a₂₁端、a₃₁端、a₄₁端、a₅₁端。

第二个主回路单元包括第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂、第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂、第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂、第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂、第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂和第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂。所述第二个主回路单元具有五个端子，即a₁₂端、a₂₂端、a₃₂端、a₄₂端、a₅₂端。

每个主回路单元均对应一个电动势为U_DC/2的电源。第一个电源的正极为b₁₁端，负极为b₂₁端。第二个电源的正极为b₁₂端，负极为b₂₂端。

第一套绕组由绕组A₁、绕组B₁和绕组C₁采用星型接法连接而成。第二套绕组由绕组A₂、绕组B₂和绕组C₂采用星型接法连接而成。所述三个切换开关即第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃和第四开关S₄。

所述第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁的集电极连接a₁₁端，其发射极连接第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁的集电极。所述第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁的发射极连接a₂₁端。所述第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁的集电极连接a₁₁端，其发射极连接第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁的集电极。所述第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁的发射极连接a₂₁端。所述第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁的集电极连接a₁₁端。其发射极连接第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁的集电极。所述第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁的发射极连接a₂₁端。

所述a₃₁端位于第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁的发射极与第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁的集电极之间。所述a₄₁端位于第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁的发射极与第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁的集电极之间。所述a₅₁端位于第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁的发射极与第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁的集电极之间。所述绕组A₁的一端连接a₃₁端。所述绕组B₁的一端连接a₄₁端。所述绕组C₁的一端连接a₅₁端。

所述第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂的集电极。所述第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂的发射极连接a₂₂端。所述第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂的集电极。所述第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂的发射极连接a₂₂端。所述第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂的集电极。所述第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂的发射极连接a₂₂端。

所述a₃₂端位于第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂的发射极与第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂的集电极之间。所述a₄₂端位于第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂的发射极与第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂的集电极之间。所述a₅₂端位于第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂的发射极与第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂的集电极之间。所述绕组A₂的一端连接a₃₂端。所述绕组B₂的一端连接a₄₂端。所述绕组C₂的一端连接a₅₂端。

所述第一开关S₁的两端分别连接a₂₁端和b₂₁端。所述第二开关S₂的两端分别连接a₁₂端和b₁₂端。所述第三开关S₃的两端分别连接a₂₁端和a₂₂端。所述第四开关S₄的两端分别连接a₁₁端和a₁₂端。

所述a₁₁端与b₁₁端连接。所述a₂₂端与b₂₂端连接。所述b₂₁端与b₁₂端连接。

每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。

当第一开关S₁和第二开关S₂导通，第三开关S₃和第四开关S₄断开时，所述两套绕组是串联连接，此时对应低速。当第一开关S₁和第二开关S₂断开，第三开关S₃和第四开关S₄导通时，所述两套绕组是并联连接，此时对应高速。

进一步，n套绕组为完全相同的永磁同步电机的定子绕组。绕组A_i为同一相绕组，绕组B_i为同一相绕组，绕组C_i为同一相绕组。

本发明的技术方案具有如下效果：

1、绕组切换处于直流侧，(两套绕组的电路中)所需切换开关仅为4个，降低了切换系统成本，提高了切换系统的可靠性；

2、绕组串联运行时，直流母线电流较小，降低了功率开关电流容量的需求，减小了蓄电池放电电流，增加蓄电池的使用寿命；

3、绕组并联运行时，解决了电源电压容量有限的问题，降低对永磁电机弱磁扩速能力的要求，提高了电机高速大功率运行时的效率，从而拓展了电机的调速范围；

4、经过有限元仿真计算，切换开关置于直流侧的绕组切换电路能够实现电动机高速运行，电机运行性能得到进一步提高，适合于电动汽车驱动。

附图说明

图1为本专利具有n套绕组时的绕组切换原理图；

图2为本专利具有两套绕组时的绕组切换原理图；

图3为主回路单元驱动信号原理图；

图4为主回路单元驱动信号的波形图；

图5为两套绕组串联电路图；

图6为两套绕组并联电路图；

图7为驱动电路的功率分配示意图；

图8为绕组切换策略流程图；

图9为两套绕组嵌放位置示意图；

图10为单相绕组连接示意图。

图中：第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁、第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁、第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁、第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁、第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁、第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁、第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂、第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂、第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂、第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂、第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂、第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂、绕组A₁、绕组B₁、绕组C₁、绕组A₂、绕组B₂、绕组C₂、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

一种永磁同步电机绕组切换装置，参见图1，包括n个主回路单元、n套绕组和4n-4个开关，其中n≥2。

令i＝1,2,3，…n。

第i个主回路单元包括第1i绝缘栅双极晶体管V_1i、第2i绝缘栅双极晶体管V_2i、第3i绝缘栅双极晶体管V_3i、第4i绝缘栅双极晶体管V_4i、第5i绝缘栅双极晶体管V_5i和第6i绝缘栅双极晶体管V_6i。

第i套绕组由绕组A_i、绕组B_i和绕组C_i采用星型接法的连接而成。所述第i个主回路单元具有五个端子，即a_1i端、a_2i端、a_3i端、a_4i端、a_5i端。每个主回路单元均对应一个电动势为U_DC/n的电源。第i个电源的正极为b_1i端，负极为b_2i端。

所述第1i绝缘栅双极晶体管V_1i的集电极连接a_1i端，其发射极连接第4i绝缘栅双极晶体管V_4i的集电极。所述第4i绝缘栅双极晶体管V_4i的发射极连接a_2i端。

所述第3i绝缘栅双极晶体管V_3i的集电极连接a_1i端，其发射极连接第6i绝缘栅双极晶体管V_6i的集电极。所述第6i绝缘栅双极晶体管V_6i的发射极连接a_2i端。

所述第5i绝缘栅双极晶体管V_5i的集电极连接a_1i端。其发射极连接第2i绝缘栅双极晶体管V_2i的集电极。所述第2i绝缘栅双极晶体管V_2i的发射极连接a_2i端。

所述a_3i端位于第1i绝缘栅双极晶体管V_1i的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管V_4i的集电极之间。所述a_4i端位于第3i绝缘栅双极晶体管V_3i的发射极与第6i绝缘栅双极晶体管V_6i的集电极之间。所述a_5i端位于第5i绝缘栅双极晶体管V_5i的发射极与第2i绝缘栅双极晶体管V_2i的集电极之间。所述绕组A_i的一端连接a_3i端。所述绕组B_i的一端连接a_4i端。所述绕组C_i的一端连接a_5i端。

所述4n-4个开关包括第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、……第4n-4开关S_4n-4。

所述第一开关S₁的两端分别连接a₂₁端和b₂₁端。

所述第二开关S₂的两端分别连接a₁₂端和b₁₂端。

所述第三开关S₃的两端分别连接a₂₁端和a_2n端。

所述第四开关S₄的两端分别连接a₁₁端和a₁₂端。

所述第五开关S₅的两端分别连接a₂₂端和b₂₂端。

所述第六开关S₆的两端分别连接a₁₃端和b₁₃端。

所述第七开关S₇的两端分别连接a₂₂端和a_2n端。

所述第八开关S₈的两端分别连接a₁₁端和a₁₃端。

……

所述第4n-7开关S_4n-7的两端分别连接a_2(n-1)端和b_2(n-1)端。

所述第4n-6开关S_4n-6的两端分别连接a_1n端和b_1n端。

所述第4n-5开关S_4n-5的两端分别连接a_2(n-1)端和a_2n端。

所述第4n-4开关S_4n-4的两端分别连接a₁₁端和a_1n端。

按照上述连接规律，即本专利的电路连接中四个开关作为一个循环。

所述a₁₁端与b₁₁端连接。所述a_2n端b_2n端连接。

所述b₂₁端与b₁₂端连接。所述b₂₂端与b₁₃端连接。……所述b_2(n-1)端与b_1n端连接。即每个电源相互串联在一起。

每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。

参见图2，具体的以两套绕组串并联切换为例，一种永磁同步电机绕组切换装置，包括两个主回路单元、两套绕组和四个切换开关。

第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁、第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁、第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁、第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁、第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁和第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁。所述第一个主回路单元具有五个端子，即a₁₁端、a₂₁端、a₃₁端、a₄₁端、a₅₁端。

第二个主回路单元包括第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂、第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂、第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂、第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂、第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂和第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂。所述第二个主回路单元具有五个端子，即a₁₂端、a₂₂端、a₃₂端、a₄₂端、a₅₂端。

每个主回路单元均对应一个电动势为U_DC/2的电源。第一个电源的正极为b₁₁端，负极为b₂₁端。第二个电源的正极为b₁₂端，负极为b₂₂端。

第一套绕组由绕组A₁、绕组B₁和绕组C₁采用星型接法连接而成。第二套绕组由绕组A₂、绕组B₂和绕组C₂采用星型接法连接而成。

所述三个切换开关即第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃和第四开关S₄。

所述第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁的集电极连接a₁₁端，其发射极连接第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁的集电极。所述第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁的发射极连接a₂₁端。所述第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁的集电极连接a₁₁端，其发射极连接第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁的集电极。所述第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁的发射极连接a₂₁端。所述第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁的集电极连接a₁₁端。其发射极连接第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁的集电极。所述第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁的发射极连接a₂₁端。

所述a₃₁端位于第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁的发射极与第四十一绝缘栅双极晶体管V₄₁的集电极之间。所述a₄₁端位于第三十一绝缘栅双极晶体管V₃₁的发射极与第六十一绝缘栅双极晶体管V₆₁的集电极之间。所述a₅₁端位于第五十一绝缘栅双极晶体管V₅₁的发射极与第二十一绝缘栅双极晶体管V₂₁的集电极之间。所述绕组A₁的一端连接a₃₁端。所述绕组B₁的一端连接a₄₁端。所述绕组C₁的一端连接a₅₁端。

所述第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂的集电极。所述第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂的发射极连接a₂₂端。所述第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂的集电极。所述第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂的发射极连接a₂₂端。所述第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂的集电极。所述第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂的发射极连接a₂₂端。

所述a₃₂端位于第十二绝缘栅双极晶体管V₁₂的发射极与第四十二绝缘栅双极晶体管V₄₂的集电极之间。所述a₄₂端位于第三十二绝缘栅双极晶体管V₃₂的发射极与第六十二绝缘栅双极晶体管V₆₂的集电极之间。所述a₅₂端位于第五十二绝缘栅双极晶体管V₅₂的发射极与第二十二绝缘栅双极晶体管V₂₂的集电极之间。所述绕组A₂的一端连接a₃₂端。所述绕组B₂的一端连接a₄₂端。所述绕组C₂的一端连接a₅₂端。

所述第一开关S₁的两端分别连接a₂₁端和b₂₁端。所述第二开关S₂的两端分别连接a₁₂端和b₁₂端。所述第三开关S₃的两端分别连接a₂₁端和a₂₂端。所述第四开关S₄的两端分别连接a₁₁端和a₁₂端。

所述a₁₁端与b₁₁端连接。所述a₂₂端与b₂₂端连接。所述b₂₁端与b₁₂端连接。

每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。参见图3，U、V和W三相的PWM控制器公用一个三角载波u_c，三相的调制信号urU、urV、和urW依次相差120°电角度。其中U、V和W各相功率开关器的控制规律相同。以第一主回路单元的U相为例，当u_rU＞u_c时，给第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁以导通信号，给第十四绝缘栅双极晶体管V₁₄以关断信号，则U相对于直流电源假想中点的输出电压N′的输出电压u_UN′＝U_d/2。当u_rU＜u_c时，给第十四绝缘栅双极晶体管V₁₄以导通信号，给第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁以关断信号，则u_UN′＝-U_d/2。第十一绝缘栅双极晶体管V₁₁和第十四绝缘栅双极晶体管V₁₄的驱动信号始终是互补的。V相及W相的控制方式都和U相相同，其具体波形图参见图4。第二个主回路单元的控制方式与第一个主回路相同。

当第一开关S₁导通和第二开关S₂导通、第三开关S₃和第四开关S₄断开时，所述两套绕组是串联连接，直流侧的两个电源分别与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势E_I和E_II相平衡， 此时对应低速。当第一开关S₁和第二开关S₂断开、第三开关S₃和第四开关S₄导通时，所述两套绕组是并联连接，直流侧电源U_DC与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势E_I′、E_II′相平衡，E_I′＝E_II′＝U_DC，此时对应高速。仅仅通过S₁、S₂、S₃和S₄四个开关的控制，即可实现绕组串并联的切换。表示直流侧电源电压，E_I和E_II分别表示串联时第一主回路单元和第二主回路单元交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势，E_I′和E_II′分别表示并联时第一主回路单元和第二主回路单元交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势)

本实施例中，所有绝缘栅双极晶体管的型号为FF1400R17TP4。所有切换开关的型号为FZ1200R17HE4。

单套绕组的设计参数如下表：

参数	取值	参数	取值
				并联支路数	8	槽满率	36.38％
每槽导体数	10	每相串联匝数	15
				节距	8	端部电阻(ohm)	0.0051
并绕根数	15	端部电感(H)	1.61e-005
				线径(mm)	0.8

所采用的电机设计参数如下表：

参数	数值	参数	数值
				额定功率(kw)	350	额定电压(V)	633
额定转速(rpm)	3000	额定转矩(N·m)	1114.08
				最高转速(rpm)	9000	最大反电势(V)	1400

电机的主要参数如下表：

参数	取值	参数	取值
				极数	8	气隙(mm)	1.5
定子内径(mm)	303	转子内径(mm)	160
				定子外径(mm)	470	叠压系数	0.95

其中绕组A₁B₁C₁和A₂B₂C₂为两套完全相同的永磁同步电机的定子绕组。绕组A₁和A₂为同一相绕组，B₁和B₂为同一相绕组，C₁和C₂为同一相绕组，共同构成永磁电机的三相绕组。两套绕组嵌放位置如图9所示，采用双层叠绕、短距分布布置，其中具体的A相绕组的连接图如图10所示。

本发明的基本原理：

将绕组切换方案从交流侧变为直流侧切换，使得开关数量从9个减小为4个，降低了切换系统的成本，提高了切换系统的可靠性。

电机低速大转矩输出时，绕组串联运行；高速大功率运行时，绕组并联运行，采用两套独立运行的三相功率主回路，提高电机系统的容错能力。

电机低速大转矩输出时，绕组串联运行，参见图5，此时由于绕组串联，电机每相等效匝数加倍，所需直流母线电压加倍，输出相同转矩时，绕组电流和直流母线电流相应减小，降低了功率开关电流容量的需求，降低了功率器件的成本。

电机高速大功率运行时，绕组并联运行，参见图6，此时由于绕组并联，电机等效匝数相对于串联时减少，电机反电势相应减少，较高转速时，所需直流母线电压亦减少，降低了电机高速运行时对弱磁电流的需求，提高了电机高速大功率运行时的效率，因此，直流母线电压能够支撑永磁同步电机在较高转速下的大功率运行，从而大大拓展了电机的调速范围。

驱动电路，与两套三相绕组的构成有关，如两套绕组由原来的一套三相绕组裂相而成，则两套三相绕组的参数和在电机铁心内的安装位置完全相同，此情况下，两套绕组对应的两套驱动电路的驱动信号应完全相同，可以采用将驱动信号分为两路来驱动两套主回路开关，参见图7，相应增加驱动电路的驱动功率即可。

绕组切换的工作过程：

串并联绕组切换过程，对于裂相而成的两套绕组切换过程，

1)永磁电机由低速切换到高速，即绕组原先串联，然后切换到并联状态。

原先绕组串联，第一开关S₁和第二开关S₂闭合，并且第三开关S₃和第四开关S₄断开，此时直流侧的两个电源分别与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势E_I和E_II相平衡；

然后，第一开关S₁和第二开关S₂断开，同时第三开关S₃和第四开关S₄闭合，此时绕组处于并联状态。U_DC与E_I、E_II要平衡，当U_DC＞E_I、E_II时，没有冲击。由于要求U_DC＞E_I、E_II，此时串联切换到并联的切换转速m₁可以较高。

2)永磁电机由高速切换到低速，即绕组原先并联，然后切换到串联状态。

原先绕组并联，第一开关S₁和第二开关S₂断开，同时第三开关S₃和第四开关S₄闭合，此时直流侧电源U_DC与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势E_I′、E_II′相平衡；

然后，第一开关S₁和第二开关S₂闭合，同时第三开关S₃和第四开关S₄断开，此时绕组处于串联状态。分别要与E_I′和E_II′相平衡；由于要求且此时并联切换到串联的转速m₂较低，才能无冲击(在整个过程中，所有开关S₁、S₂、S₃和S₄均需同时动作，否则电机输出转矩会不稳定)。

切换转速的选取：

1)绕组的空载反电动势不能超过逆变器安全运行的限定值；

2)通过最大转矩电流比(MTPA)方式下，电机在恒定的切换转速下运行时，绕组串联运行与并联运行具有相近的端电流。

绕组串并联切换策略：

绕组串联运行，若转速达到切换条件，绕组由串联切换至并联；绕组并联运行，若转速达到切换条件，电压减小，直至满足电压切换条件，绕组由并联切换至串联。其具体切换策略流程图参见图8所示。

本发明创造相对于背景技术的主要不同点：

1.绕组切换处于直流侧，切换开关仅为4个，降低了切换系统的成本，提高了切换系统的可靠性；

2.电机高速大功率运行时，绕组并联运行，直流母线电压也减小，降低电机高速运行时对弱磁电流的需求，提高电机运行效率，扩展了电机的调速范围；

3.两套绕组使用两个主回路，每个主回路容量的需求减小，系统容错能力增强；

4.提出了切换转速的选取原则；

5.提出了一种减少切换过程中暂态冲击电流的切换策略，利用Matlab/Simulink搭建切换电路，并在负载情况下对电机绕组进行变结构切换，观测切换前后电机性能变化及切换过渡过程中的冲击大小，进而对切换电路以及切换策略进行验证。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机绕组切换装置，其特征在于：包括n个主回路单元、n套绕组和4n-4个开关，其中n≥2；

令i＝1,2,3，…n；

第i个主回路单元包括第1i绝缘栅双极晶体管(V_1i)、第2i绝缘栅双极晶体管(V_2i)、第3i绝缘栅双极晶体管(V_3i)、第4i绝缘栅双极晶体管(V_4i)、第5i绝缘栅双极晶体管(V_5i)和第6i绝缘栅双极晶体管(V_6i)；

第i套绕组由绕组A_i、绕组B_i和绕组C_i采用星型接法的连接而成；所述第i个主回路单元具有五个端子，即a_1i端、a_2i端、a_3i端、a_4i端、a_5i端；每个主回路单元均对应一个电动势为U_DC/n的电源；第i个电源的正极为b_1i端，负极为b_2i端；

所述第1i绝缘栅双极晶体管(V_1i)的集电极连接a_1i端，其发射极连接第4i绝缘栅双极晶体管(V_4i)的集电极；所述第4i绝缘栅双极晶体管(V_4i)的发射极连接a_2i端；

所述第3i绝缘栅双极晶体管(V_3i)的集电极连接a_1i端，其发射极连接第6i绝缘栅双极晶体管(V_6i)的集电极；所述第6i绝缘栅双极晶体管(V_6i)的发射极连接a_2i端；

所述第5i绝缘栅双极晶体管(V_5i)的集电极连接a_1i端；其发射极连接第2i绝缘栅双极晶体管(V_2i)的集电极；所述第2i绝缘栅双极晶体管(V_2i)的发射极连接a_2i端；

所述a_3i端位于第1i绝缘栅双极晶体管(V_1i)的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管(V_4i)的集电极之间；所述a_4i端位于第3i绝缘栅双极晶体管(V_3i)的发射极与第6i绝缘栅双极晶体管(V_6i)的集电极之间；所述a_5i端位于第5i绝缘栅双极晶体管(V_5i)的发射极与第2i绝缘栅双极晶体管(V_2i)的集电极之间；所述绕组A_i的一端连接a_3i端；所述绕组B_i的一端连接a_4i端；所述绕组C_i的一端连接a_5i端；

所述4n-4个开关包括第一开关(S₁)、第二开关(S₂)、第三开关(S₃)、……第4n-4开关(S_4n-4)；

所述第一开关(S₁)的两端分别连接a₂₁端和b₂₁端；

所述第二开关(S₂)的两端分别连接a₁₂端和b₁₂端；

所述第三开关(S₃)的两端分别连接a₂₁端和a_2n端；

所述第四开关(S₄)的两端分别连接a₁₁端和a₁₂端；

所述第五开关(S₅)的两端分别连接a₂₂端和b₂₂端；

所述第六开关(S₆)的两端分别连接a₁₃端和b₁₃端；

所述第七开关(S₇)的两端分别连接a₂₂端和a_2n端；

所述第八开关(S₈)的两端分别连接a₁₁端和a₁₃端；

……

所述第4n-7开关(S_4n-7)的两端分别连接a_2(n-1)端和b_2(n-1)端；

所述第4n-6开关(S_4n-6)的两端分别连接a_1n端和b_1n端；

所述第4n-5开关(S_4n-5)的两端分别连接a_2(n-1)端和a_2n端；

所述第4n-4开关(S_4n-4)的两端分别连接a₁₁端和a_1n端；

所述a₁₁端与b₁₁端连接；所述a_2n端b_2n端连接；

所述b₂₁端与b₁₂端连接；所述b₂₂端与b₁₃端连接；……所述b_2(n-1)端与b_1n端连接；

每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器；所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。

2.一种永磁同步电机绕组切换装置，其特征在于：包括两个主回路单元、两套绕组和四个开关；

第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管(V₁₁)、第二十一绝缘栅双极晶体管(V₂₁)、第三十一绝缘栅双极晶体管(V₃₁)、第四十一绝缘栅双极晶体管(V₄₁)、第五十一绝缘栅双极晶体管(V₅₁)和第六十一绝缘栅双极晶体管(V₆₁)；所述第一个主回路单元具有五个端子，即a₁₁端、a₂₁端、a₃₁端、a₄₁端、a₅₁端；

第二个主回路单元包括第十二绝缘栅双极晶体管(V₁₂)、第二十二绝缘栅双极晶体管(V₂₂)、第三十二绝缘栅双极晶体管(V₃₂)、第四十二绝缘栅双极晶体管(V₄₂)、第五十二绝缘栅双极晶体管(V₅₂)和第六十二绝缘栅双极晶体管(V₆₂)；所述第二个主回路单元具有五个端子，即a₁₂端、a₂₂端、a₃₂端、a₄₂端、a₅₂端；

每个主回路单元均对应一个电动势为U_DC/2的电源；第一个电源的正极为b₁₁端，负极为b₂₁端；第二个电源的正极为b₁₂端，负极为b₂₂端；

第一套绕组由绕组A₁、绕组B₁和绕组C₁采用星型接法连接而成；第二套绕组由绕组A₂、绕组B₂和绕组C₂采用星型接法连接而成；所述四个开关即第一开关(S₁)、第二开关(S₂)、第三开关(S₃)和第四开关(S₄)；

所述第十一绝缘栅双极晶体管(V₁₁)的集电极连接a₁₁端，其发射极连接第四十一绝缘栅双极晶体管(V₄₁)的集电极；所述第四十一绝缘栅双极晶体管(V₄₁)的发射极连接a₂₁端；所述第三十一绝缘栅双极晶体管(V₃₁)的集电极连接a₁₁端，其发射极连接第六十一绝缘栅双极晶体管(V₆₁)的集电极；所述第六十一绝缘栅双极晶体管(V₆₁)的发射极连接a₂₁端；所述第五十一绝缘栅双极晶体管(V₅₁)的集电极连接a₁₁端；其发射极连接第二十一绝缘栅双极晶体管(V₂₁)的集电极；所述第二十一绝缘栅双极晶体管(V₂₁)的发射极连接a₂₁端；

所述a₃₁端位于第十一绝缘栅双极晶体管(V₁₁)的发射极与第四十一绝缘栅双极晶体管(V₄₁)的集电极之间；所述a₄₁端位于第三十一绝缘栅双极晶体管(V₃₁)的发射极与第六十一绝缘栅双极晶体管(V₆₁)的集电极之间；所述a₅₁端位于第五十一绝缘栅双极晶体管(V₅₁)的发射极与第二十一绝缘栅双极晶体管(V₂₁)的集电极之间；所述绕组A₁的一端连接a₃₁端；所述绕组B₁的一端连接a₄₁端；所述绕组C₁的一端连接a₅₁端；

所述第十二绝缘栅双极晶体管(V₁₂)的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第四十二绝缘栅双极晶体管(V₄₂)的集电极；所述第四十二绝缘栅双极晶体管(V₄₂)的发射极连接a₂₂端；所述第三十二绝缘栅双极晶体管(V₃₂)的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第六十二绝缘栅双极晶体管(V₆₂)的集电极；所述第六十二绝缘栅双极晶体管(V₆₂)的发射极连接a₂₂端；所述第五十二绝缘栅双极晶体管(V₅₂)的集电极连接a₁₂端，其发射极连接第二十二绝缘栅双极晶体管(V₂₂)的集电极；所述第二十二绝缘栅双极晶体管(V₂₂)的发射极连接a₂₂端；

所述a₃₂端位于第十二绝缘栅双极晶体管(V₁₂)的发射极与第四十二绝缘栅双极晶体管(V₄₂)的集电极之间；所述a₄₂端位于第三十二绝缘栅双极晶体管(V₃₂)的发射极与第六十二绝缘栅双极晶体管(V₆₂)的集电极之间；所述a₅₂端位于第五十二绝缘栅双极晶体管(V₅₂)的发射极与第二十二绝缘栅双极晶体管(V₂₂)的集电极之间；所述绕组A₂的一端连接a₃₂端；所述绕组B₂的一端连接a₄₂端；所述绕组C₂的一端连接a₅₂端；

所述第一开关(S₁)的两端分别连接a₂₁端和b₂₁端；所述第二开关(S₂)的两端分别连接a₁₂端和b₁₂端；所述第三开关(S₃)的两端分别连接a₂₁端和a₂₂端；所述第四开关(S₄)的两端分别连接a₁₁端和a₁₂端；

所述a₁₁端与b₁₁端连接；所述a₂₂端与b₂₂端连接；所述b₂₁端与b₁₂端连接；

每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器；所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号；

当第一开关(S₁)和第二开关(S₂)导通，第三开关(S₃)和第四开关(S₄)断开时，所述两套绕组是串联连接，此时对应低速；当第一开关(S₁)和第二开关(S₂)断开，第三开关(S₃)和第四开关(S₄)导通时，所述两套绕组是并联连接，此时对应高速。

3.根据权利要求1所述一种永磁同步电机绕组切换装置，其特征在于：n套绕组为完全相同的永磁同步电机的定子绕组；绕组A_i为同一相绕组，绕组B_i为同一相绕组，绕组C_i为同一相绕组。