一种针对于永磁同步电机绕组切换装置的绕组设计的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及永磁电机及其控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 现有的技术方案中：
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种针对于永磁同步电机绕组切 换装置的绕组设计，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。
[0009] 令i= 1，2, 3，...n。
[0010] 第i个主回路单元包括第li绝缘栅双极晶体管VH、第2i绝缘栅双极晶体管V2l、 第3i绝缘栅双极晶体管V3l、第4i绝缘栅双极晶体管V4l、第5i绝缘栅双极晶体管V5l和第 6i绝缘栅双极晶体管V6l。
[0011] 第i套绕组由绕组Ai、绕组和绕组Ci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aH端、a21端、a31端、a41端、a51端。每个主回路单元均对应一个 电动势为UDe/n的电源。第i个电源的正极为bH端，负极为b21端。
[0012] 所述第li绝缘栅双极晶体管VH的集电极连接aH端，其发射极连接第4i绝缘栅 双极晶体管V4l的集电极。所述第4i绝缘栅双极晶体管V41的发射极连接a21端。
[0013] 所述第3i绝缘栅双极晶体管V3l的集电极连接aH端，其发射极连接第6i绝缘栅 双极晶体管V6l的集电极。所述第6i绝缘栅双极晶体管V61的发射极连接a21端。
[0014] 所述第5i绝缘栅双极晶体管V5l的集电极连接aH端。其发射极连接第2i绝缘栅 双极晶体管V2l的集电极。所述第2i绝缘栅双极晶体管V21的发射极连接a21端。
[0015] 所述a3l端位于第li绝缘栅双极晶体管VH的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管 V4l的集电极之间。所述a41端位于第3i绝缘栅双极晶体管V31的发射极与第6i绝缘栅双 极晶体管V6l的集电极之间。所述a51端位于第5i绝缘栅双极晶体管V51的发射极与第2i 绝缘栅双极晶体管V2l的集电极之间。所述绕组Ai的一端连接a31端。所述绕组L的一端 连接a4i端。所述绕组C;的一端连接a5i端。
[0016] 所述4n-4个开关包括第一开关Si、第二开关S2、第三开关S3、……第4n_4开关 S4n4〇
[0017] 所述第一开关Si的两端分别连接a21端和b21端。
[0018] 所述第二开关&的两端分别连接a12端和b12端。
[0019] 所述第三开关&的两端分别连接a21端和a2n端。
[0020] 所述第四开关&的两端分别连接an端和a12端。
[0021] 所述第五开关&的两端分别连接a22端和b22端。
[0022] 所述第六开关&的两端分别连接a13端和b13端。
[0023] 所述第七开关\的两端分别连接a22端和a2n端。
[0024] 所述第八开关&的两端分别连接an端和a13端。
[0025] ......
[0026] 所述第4n_7开关S4n7的两端分别连接a2(n1}端和b2(n1}端。
[0027] 所述第4n_6开关S4n6的两端分别连接aln端和bln端。
[0028] 所述第4n_5开关S4n5的两端分别连接a2(n 端和a2n端。
[0029] 所述第4n_4开关S4n4的两端分别连接an端和aln端。
[0030] 所述an端与bn端连接。所述a2n端b2"端连接。
[0031] 所述b21端与b12端连接。所述b22端与b13端连接。......所述b2(n 端与bln端连 接。
[0032] 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。
[0033] 针对于上述永磁同步电机绕组切换装置的n套绕组为三相定子绕组。上述永磁同 步电动机定子槽中嵌放两套绕组，两套绕组左右并排放置。
[0034] 绕组设计原则即进行绕组最优匝数设计时，首先应满足低速运行时绕组匝数是高 速运行时的两倍；其次反电动势不能超过逆变器安全运行的限定值；然后，对比不同的绕 组设计方案，选出相同转矩情况下电流较小且切换点前后电机运行的相电流相差较小的方 案。最后得出最优的方案即每相绕组的并绕根数为15,线圈匝数为15,并联支路数为8。
[0035] 本发明还提供一种具体包括两个主回路单元的技术方案，一种针对于永磁同步电 机绕组切换装置的绕组设计，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。
[0036] 第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管Vn、第二十一绝缘栅双极晶体管 V21、第三i^一绝缘栅双极晶体管V31、第四^^一绝缘栅双极晶体管V41、第五^^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an 立而、已21立而、a31立而、a41立而、a51立而〇
[0037] 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 i而、a22i而、a32i而、a42i而、a52i而。
[0038] 每个主回路单元均对应一个电动势为UDe/2的电源。第一个电源的正极为bn端， 负极为b21端。第二个电源的正极为b12端，负极为b22端。
[0039] 第一套绕组由绕组&、绕组队和绕组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si、第二开 关S2、第三开关S3和第四开关S4。
[0040] 所述第十一绝缘栅双极晶体管Vn的集电极连接an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an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an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