一种电磁结构可变的电机及其控制方法与流程

本发明涉及一种电磁结构可变的电机及其控制方法，特别涉及一种变匝数电机系统拓扑结构，该结构可依据设计切换匝数，适用于多种工况交变运行下电机运行，提高系统调速范围，同时可用一备一余度工作，属于电机结构设计技术领域。

背景技术：

传统电机系统拓扑确定后，受限于电压体系，电机运行转速调整范围有限；若电机系统有高速、低转矩运行需求时一般通过降低匝数来实现，这样的弊端会影响低速时转矩输出，或者更高的电流密度实现了转矩而降低了运行可靠性。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种电磁结构可变的电机及其控制方法，该结构可依据设计切换匝数，适用于多种典型工况交变运行下电机运行，提高系统调速范围；同时可用一备一余度工作。

本发明的技术解决方案是：

一种电磁结构可变的电机，该电机中的定子包括定子铁心1、绕线2和转接板3；

绕线2包括若干套m相绕组，每套m相绕组的出线端均与转接板3连接，m为自然数，m优选三、五、七，当m为三时，每套三相绕组出线端分别为ax、by、cz；

每套三相绕组出线端中的x端带有两个开关，两个开关分别为第一开关和第二开关，其中，第一开关闭合时，该套三相绕组中的x端与电源负端连接；第二开关闭合时，该套三相绕组中的x端与其他三相绕组中的a端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的y端带有两个开关，两个开关分别为第一开关和第二开关，其中，第一开关闭合时，该套三相绕组中的y端与电源负端连接；第二开关闭合时，该套三相绕组中的y端与其他三相绕组中的b端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的z端带有两个开关，两个开关分别为第一开关和第二开关，其中，第一开关闭合时，该套三相绕组中的z端与电源负端连接；第二开关闭合时，该套三相绕组中的z端与其他三相绕组中的c端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的a端带有开关定义该开关为第三开关，当该第三开关闭合时，该套三相绕组中的a端与其他三相绕组中的a端、电源正端中的a端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的b端带有开关定义该开关为第三开关，当该第三开关闭合时，该套三相绕组中的b端与其他三相绕组中的b端、电源正端中的b端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的c端带有开关定义该开关为第三开关，当该第三开关闭合时，该套三相绕组中的c端与其他三相绕组中的c端、电源正端中的c端实现电的连通；

一种电磁结构可变的电机的控制方法，该电机的工作模式包括每套m相绕组单独工作、至少两套m相绕组串联工作和至少两套m相绕组串联工作；

其中每套m相绕组(以第一套m相绕组为例)单独工作时的方法步骤包括：

第一套m相绕组中的第一开关和第三开关均闭合，第一套m相绕组中的第二开关打开，其他套m相绕组中的第一开关、第二开关、第三开关均打开；

至少两套m相绕组串联(以第一套m相绕组和第二套m相绕组串联为例)工作时的方法步骤包括：

第一套m相绕组的第一开关打开，第一套m相绕组的第二开关闭合，第一套m相绕组的第三开关闭合，第二套m相绕组的第一开关闭合，第二套m相绕组的第二开关闭合，第二套m相绕组的第三开关打开。

至少两套m相绕组并联(以第一套m相绕组和第二套m相绕组并联为例)工作时的方法步骤包括：

第一套m相绕组的第一开关闭合，第一套m相绕组的第二开关打开，第一套m相绕组的第三开关闭合，第二套m相绕组的第一开关闭合，第二套m相绕组的第二开关打开，第二套m相绕组的第三开关闭合。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的电磁结构可变的电机，采用转接板实现电机绕组的切换，利用单一的开关完成了电机运行状态的更改；电机端部前增加了转接板，绕组各相绕组与转接板连接，实现上述切换电机结构进行适应性改进，绕组端部设计了转接板。转接板接入每路绕组；

(2)本发明的电磁结构可变的电机，采用了多绕组形式，本身可以提高电机工作的可靠性，可以进行冗余切换；

(3)本发明的电磁结构可变的电机，可以自行根据自身运行状态进行切换，对外控制单一，简单易于实现；

(4)本发明转化为工程应用后能有效扩大同款电机应用范围，提高系统可靠性。航天机电伺服技术应用领域项目、机电伺服拓展领域项目均可。传统电机系统拓扑确定后，受限于电压体系，电机运行转速调整范围有限；若电机系统有高速、低转矩运行需求时一般通过降低匝数来实现，这样的弊端会影响低速时转矩输出，或者更高的电流密度实现了转矩而降低了运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的定子的结构示意图；

图2为本发明的绕组的连接示意图。

具体实施方式

一种电磁结构可变的电机，该电机中的定子包括定子铁心1、绕线2和转接板3；

绕线2包括若干套m相绕组，每套m相绕组的出线端均与转接板3连接，m为自然数，m优选三、五、七，当m为三时，每套三相绕组出线端分别为ax、by、cz；

每套三相绕组出线端中的x端带有两个开关，两个开关分别为第一开关和第二开关，其中，第一开关闭合时，该套三相绕组中的x端与电源负端连接；第二开关闭合时，该套三相绕组中的x端与其他三相绕组中的a端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的y端带有两个开关，两个开关分别为第一开关和第二开关，其中，第一开关闭合时，该套三相绕组中的y端与电源负端连接；第二开关闭合时，该套三相绕组中的y端与其他三相绕组中的b端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的z端带有两个开关，两个开关分别为第一开关和第二开关，其中，第一开关闭合时，该套三相绕组中的z端与电源负端连接；第二开关闭合时，该套三相绕组中的z端与其他三相绕组中的c端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的a端带有开关定义该开关为第三开关，当该第三开关闭合时，该套三相绕组中的a端与其他三相绕组中的a端、电源正端中的a端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的b端带有开关定义该开关为第三开关，当该第三开关闭合时，该套三相绕组中的b端与其他三相绕组中的b端、电源正端中的b端实现电的连通；

每套三相绕组出线端中的c端带有开关定义该开关为第三开关，当该第三开关闭合时，该套三相绕组中的c端与其他三相绕组中的c端、电源正端中的c端实现电的连通；

一种电磁结构可变的电机的控制方法，该电机的工作模式包括每套m相绕组单独工作、至少两套m相绕组串联工作和至少两套m相绕组串联工作；

其中每套m相绕组(以第一套m相绕组为例)单独工作时的方法步骤包括：

第一套m相绕组中的第一开关和第三开关均闭合，第一套m相绕组中的第二开关打开，其他套m相绕组中的第一开关、第二开关、第三开关均打开；

至少两套m相绕组串联(以第一套m相绕组和第二套m相绕组串联为例)工作时的方法步骤包括：

第一套m相绕组的第一开关打开，第一套m相绕组的第二开关闭合，第一套m相绕组的第三开关闭合，第二套m相绕组的第一开关闭合，第二套m相绕组的第二开关闭合，第二套m相绕组的第三开关打开。

至少两套m相绕组并联(以第一套m相绕组和第二套m相绕组并联为例)工作时的方法步骤包括：

第一套m相绕组的第一开关闭合，第一套m相绕组的第二开关打开，第一套m相绕组的第三开关闭合，第二套m相绕组的第一开关闭合，第二套m相绕组的第二开关打开，第二套m相绕组的第三开关闭合。

如图1所示，在a、b、c两套绕组与控制驱动之间增加了k1～k5可控开关。辨识工况需求后，通过开关模式切换来实现匝数的变换，进而改变运行方式。

实现上述切换电机结构进行适应性改进，绕组端部设计了转接板，如图2所示。转接板接入每路绕组，电机运行时，开关可切换模式分为一下四个：

1)若k1、k4闭合时单独一套绕组工作(a1b1c1)；

2)若k2、k5闭合时单独一套绕组工作(a2b2c2)；

上述两种开关模式适用于一备一余度，同时因为匝数降低适用于高速低转矩运行工况；

3)若k1、k3、k5闭合时，两套绕组串联工作；

4)若k1、k2、k4、k5闭合时，两套绕组并联工作。

上述两种开关模式可根据驱动控制系统的实际选择切换，同时因为匝数相对提高适用于低速大转矩运行工况。

本电机所含的转接电路板可以实时检测电压、电流、温度，并以此作为模式选通的依据：若电机的温度过大或电机的电流过大，需要切换到绕组并联模式，提供低速大扭矩；若通过计算电机的反电势与母线电压接近，需要切换到绕组串联模式，提高电机转速；若电机的电流、温度均不高，则采用单一绕组进行工作。

实施例

如图1所示，一种电磁结构可变的电机，该电机中的定子包括定子铁心1、绕线2和转接板3；

如图2所示，绕线2包括两套三相绕组，两套三相绕组分别为第一套绕组和第二套绕组，第一套绕组的出现端为a1x1、b1y1、c1z1；第二套绕组的出现端为a2x2、b2y2、c2z2；两套三相绕组的出现端均与转接板3连接；

第一套绕组中的出现端x1端带有两个开关，两个开关分别为第一开关k4和第二开关k3，其中，第一开关k4闭合时，第一套三相绕组中的x1端与电源负端连接；第二开关k3闭合时，第一套三相绕组中的x1端与第二套三相绕组中的a2端实现电的连通；

第一套绕组中的出现端y1端带有两个开关，两个开关分别为第一开关k4和第二开关k3，其中，第一开关k4闭合时，第一套三相绕组中的y1端与电源负端连接；第二开关k3闭合时，第一套三相绕组中的y1端与第二套三相绕组中的b2端实现电的连通；

第一套绕组中的出现端z1端带有两个开关，两个开关分别为第一开关k4和第二开关k3，其中，第一开关k4闭合时，第一套三相绕组中的z1端与电源负端连接；第二开关k3闭合时，第一套三相绕组中的z1端与第二套三相绕组中的c2端实现电的连通；

第一套三相绕组出线端中的a1端带有开关定义该开关为第三开关k1，当该第三开关k1闭合时，第一套三相绕组中的a1端与第二套三相绕组中的a2端、电源正端中的a端实现电的连通；

第一套三相绕组出线端中的b1端带有开关定义该开关为第三开关k1，当该第三开关k1闭合时，第一套三相绕组中的b1端与第二套三相绕组中的b2端、电源正端中的b端实现电的连通；

第一套三相绕组出线端中的c1端带有开关定义该开关为第三开关k1，当该第三开关k1闭合时，第一套三相绕组中的c1端与第二套三相绕组中的c2端、电源正端中的c端实现电的连通；

第二套绕组中的出现端x2端带有两个开关，两个开关分别为第一开关k5和第二开关k3，其中，第一开关k5闭合时，第二套三相绕组中的x2端与电源负端连接；第二开关k3闭合时，第二套三相绕组中的x2端与第一套三相绕组中的a1端实现电的连通；

第二套绕组中的出现端y2端带有两个开关，两个开关分别为第一开关k5和第二开关k3，其中，第一开关k5闭合时，第二套三相绕组中的y2端与电源负端连接；第二开关k3闭合时，第二套三相绕组中的y2端与第一套三相绕组中的b1端实现电的连通；

第二套绕组中的出现端z2端带有两个开关，两个开关分别为第一开关k5和第二开关k3，其中，第一开关k5闭合时，第二套三相绕组中的z2端与电源负端连接；第二开关k3闭合时，第二套三相绕组中的z2端与第二套三相绕组中的c1端实现电的连通；

第二套三相绕组出线端中的a2端带有开关定义该开关为第三开关k2，当该第三开关k2闭合时，第二套三相绕组中的a2端与第一套三相绕组中的a1端、电源正端中的a端实现电的连通；

第二套三相绕组出线端中的b2端带有开关定义该开关为第三开关k2，当该第三开关k2闭合时，第二套三相绕组中的b2端与第一套三相绕组中的b1端、电源正端中的b端实现电的连通；

第二套三相绕组出线端中的c2端带有开关定义该开关为第三开关k2，当该第三开关k2闭合时，第二套三相绕组中的c2端与第一套三相绕组中的c1端、电源正端中的c端实现电的连通；

一种电磁结构可变的电机的控制方法，该电机的工作模式包括第一套三相绕组单独工作、第二套三相绕组单独工作、第一套三相绕组和第二套三相绕组串联工作以及第一套三相绕组和第二套三相绕组并联工作；

第一套三相绕组单独工作时的控制方法为：第一套三相绕组中的第一开关k4和第三开关k1均闭合，第一套三相绕组中的第二开关k3打开，第二套三相绕组中的第一开关k5、第二开关k3、第三开关k2均打开；

第二套三相绕组单独工作时的控制方法为：第二套三相绕组中的第一开关k5和第三开关k2均闭合，第二套三相绕组中的第二开关k3打开，第一套三相绕组中的第一开关k4、第二开关k3、第三开关k1均打开。

第一套三相绕组和第二套三相绕组串联工作时的控制方法为：第一套三相绕组的第一开关k4打开，第一套三相绕组的第二开关k3闭合，第一套三相绕组的第三开关k1闭合，第二套三相绕组的第一开关k5闭合，第二套三相绕组的第二开关k3闭合，第二套三相绕组的第三开关k2打开。

第一套三相绕组和第二套三相绕组并联工作时的控制方法为：第一套三相绕组的第一开关k4闭合，第一套三相绕组的第二开关k3打开，第一套三相绕组的第三开关k1闭合，第二套三相绕组的第一开关k5闭合，第二套三相绕组的第二开关k3打开，第二套三相绕组的第三开关k2闭合。