一种电机绕组的接线方法、电机及其驱动结构、驱动方法与流程

本发明涉及一种电机绕组的接线方法、电机及其驱动结构、驱动方法，其属于电机技术领域。

背景技术：

随着物联网技术的发展与普及，各种穿戴设备，智能产品及各种家电和工程设备蓬勃发展,这些设备都需要电机和电机驱动装置，在工程应用中很多地方都需要低供电电压，高速度的电机，如：电动车、空调压缩机、洗衣机、抽油烟机、机器人、无人飞机等。目前采用的永磁直流电机当达到额定转速后，再想提高电机转速就只能采用弱磁调制技术，但此技术将使电机效率大大降低，这不符合目前国家提倡的环保节能的方针。

从弱磁调速原理上看，永磁同步电机中，感应电动势随着转速的增加而增加，当电机的端电压达到控制器直流侧电压时，pwm控制器将失去追踪电流的能力。因此定子端电压us和相电流is，受到逆变器输出电压和输出电流极限的限制，据此可得到pmsm电压电流限制曲线，因而可知，根据电机的电流矢量is可分解成横向分量id和纵向分量iq，随着电机转速ω升高，其横向分量id趋于增大，相应的纵向分量iq必须减小，因此，电机的电磁转矩也随转速升高而下降，显示出恒功率的特性。

在直流电机理论中，改变直流电机转速的方法有：改变电枢电压调速，减弱主极磁通φ调速。在变频器对异步电机的调速中，当变频器的输出频率高于电机额定频率时，电机铁芯磁通φ开始减弱，电机转速高于额定转速，此时我们称电机进入弱磁调速。一旦进入弱磁调速，变频器输出电压不再改变。而电机电流增大，超过额定电流，速度增大时电磁转矩减小，电机功率为恒功率，所以有人把弱磁调速又叫做恒功率调速。

目前，为了使电机运行在最高效率，通常需要采用mtpa控制，让电机沿最佳效率曲线运行。对于永磁同步电机，由于dq轴电感接近，因此采用id＝0控制电机既可实现mtpa控制，实际应用中为了达到要求的高转速，id分量需变的非常大，iq也相应改变。因此最终的运行曲线将很大程度的偏离mtpa控制曲线，造成效率和功率因数低下。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供了一种电机绕组的接线方法、电机及其驱动结构、驱动方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明提出一种电机绕组的接线方法，其包括将星形连接的三相绕组中均连接在一点上的各相绕组的一端剥离并做绝缘处理，使剥离出的3个接头彼此绝缘，并将剥离出的3个接头分别从电机中引出，每相绕组的有效导体数不变。

本发明提出一种电机，所述电机包括使用所述的电机绕组的接线方法来实现。

本发明提出一种电机的驱动结构，所述电机包括使用所述的电机绕组的接线方法来实现，所述电机的驱动结构包括左三相桥功率输出电路、右三相桥功率输出电路，所述左三相桥功率输出电路包括功率开关器件v2、v4、v6，所述功率开关器件v2、v4、v6的信号输出端分别与剥离出的3个接头导电连接；所述右三相桥功率输出电路包括功率开关器件v1、v3、v5，所述功率开关器件v1、v3、v5的信号输出端分别与三相绕组中各相绕组的另一端导电连接。

优选的，所述电机的驱动结构还包括两路驱动电路，所述驱动电路见图4和图5，包括上臂驱动电路和下臂驱动电路；上臂驱动电路包括相同旳六路驱动，每路包括三只晶体管，两只二极管和相应的电阻电容；每路电路的输入端与mcu微处理器连接，其输出端与功率开关器件v1、v2、v3、v4、v5、v6中的开关k1、k3、k5、k7、k9、k11的控制端连接；下臂驱动电路包括相同的六路驱动，每路包括三只晶体管和相应的电阻电容，每路电路的输入端与mcu微处理器连接，其输出端与功率开关器件v1、v2、v3、v4、v5、v6中的开关k2、k4、k6、k8、k10、k12、的控制端连接。

优选的，所述电机的驱动结构还包括取样电路，所述取样电路为电流取样电路，其包括两个采样端，其中一个与功率开关器件v2、v4、v6的接地端导电连接，另一个与功率开关器件v1、v3、v5的接地端导电连接。

优选的，所述电机的驱动结构还包括mcu微处理器，所述mcu微处理器的控制输出接入驱动电路，所述mcu微处理器的输出信号通过控制驱动电路驱动左三相桥功率输出电路、右三相桥功率输出电路中的功率开关器按时序依次开闭。

优选的，所述电机的驱动结构中取样电路的采样输出接入mcu微处理器，根据取样电路的采样值在所述mcu微处理器中形成可调pwm波用于控制电机的相电流。实现对电机的软性限流控制，保障电机与驱动系统不过载，能安全高效的工作。

优选的，所述电机的驱动结构同时包括取样电路和驱动电路。

优选的，在所述电机的驱动结构同时包括取样电路和驱动电路的基础上，其还包括mcu微处理器，所述mcu微处理器的信号输出端与驱动电路的受控端相通信，所述mcu微处理器的信号输入端与取样电路的采样输出端相通信。

本发明提出一种电机的驱动方法，其中电机的驱动结构采用上述电机的驱动结构中的任一种方案，在mcu微处理器的控制下，驱动电路驱动左三相桥功率输出电路、右三相桥功率输出电路中的功率开关器按每次四个导通，每次导通两相绕组导电，依次循环，每隔六十电角度导通状态改变一次，每个电周期六种导通状态。

优选的，所述电机的驱动方法，适用于六线三相永磁无刷电机、永磁同步电机及交流异步电机系统中。

本发明的有益效果如下：

本发明中的电机绕组接线方法，相比传统的永磁电机采用星形接法，如图3所示，电源电压是加在两相绕组上的，本发明对原有星形接线方式进行了改进，将原星形接线三相绕组上均连接在一点上的各相绕组的一端剥离出来，如图1所示，使得驱动结构一旦采用双桥臂驱动，就能实现电源电压施加在永磁电机的单相绕组上，这样加在电机相线上的电压是电源电压，加在两相绕组上的电压比电源电压的高一倍，根据电机转速的计算公式可知，电机转速能提高大约一倍，而电机的工作效率不变。

本发明中采用上述绕组接线方法制作的电机，也自然具备上述优点，即既节能环保又能相比传统星形接线的电机转速高。

而且由于是在传统的直流永磁电机设计结构不变的情况下，对永磁电机进行了改进，改造成本低，每相绕组的有效导体数不变，各种适配参数不变，通用性强，便于推广使用。

在改进的星形接线方式的基础上，通过对该种电机采用本发明中的驱动结构、驱动方法，由功率开关器件v2、v4、v6组成的左三相桥功率输出电路和由功率开关器件v1、v3、v5组成的右三相桥功率输出电路，实现双桥驱动，共同驱动永磁电机，此种技术在电源电压不变的情况下可使电机转速提高大约一倍，而电机工作效率不变。

本专利采用改变绕组电压的方式，是通过提升绕组所加载的电压进而提升转速这样不需要很大的id分量便可达到同样速度，高速段运行曲线可以按照改变绕组后的mtpa曲线，因此本专利在转速提高一倍的工况下，效率不降低。

本发明在提高电机转速时不提高电源电压，可有效降低功率开关器件技术参数要求，成本低廉，符合节能环保的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明中电机绕组的接线方法及驱动结构的示意图。

图2为本发明中星形接法改进后的等效电路示意图。

图3为传统的永磁电机采用星形接法的示意图。

图4本发明左、右三相桥功率输出电路的上臂驱动电路。

图5本发明左、右三相桥功率输出电路的下臂驱动电路

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-图3和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

如图3所示，是目前星形接法的永磁电机驱动电路，此种电路电源电压是加在电机两相绕组上。两相绕组上得到的电压是电源电压。

根据电机星形接法原理，电机端电压方程如下式(1)：

u＝e+ir(1)

无刷电机绕组中产生电机反电动势的计算式如下式(2)：

e＝cφn(2)

式(1)-式(2)中，u表示电源电压，e表示电机两相绕组的合成反电动势，c表示电机反电动势常数，φ表示每极磁通量，n表示电机转速。

根据电机星形接法的基本原理电机的转速公式如下式(3)：

n＝(u-ir)/cφ(3)

如图1和图2所示，本实施例一涉及一种电机绕组的接线方法，其包括将星形连接的三相绕组中均连接在一点上的各相绕组的一端剥离并做绝缘处理，使剥离出的3个接头彼此绝缘，并将剥离出的3个接头分别从电机中引出，每相绕组的有效导体数不变。

如图1所示，在采用双桥臂驱动时，加在两相绕组上的电压就是2u，其等效电路如图2所示，将2u带入上述电机的转速公式(3)，可得到下式(4)：

n＝(2u-ir)/cφ≈2(u-ir)/cφ(4)

比较式(3)、式(4)可见，采用此种技术在电源电压不变的情况下可使电机转速提高大约一倍，而电机工作效率不变。

实施例二提出一种电机，所述电机包括使用上述的电机绕组的接线方法来实现。

实施例三提出一种电机的驱动结构，所述电机包括使用所述的电机绕组的接线方法来实现，所述电机的驱动结构包括左三相桥功率输出电路、右三相桥功率输出电路，所述左三相桥功率输出电路包括功率开关器件v2、v4、v6，所述功率开关器件v2、v4、v6的信号输出端分别与剥离出的3个接头导电连接；所述右三相桥功率输出电路包括功率开关器件v1、v3、v5，所述功率开关器件v1、v3、v5的信号输出端分别与三相绕组中各相绕组的另一端导电连接。

进一步的，实施例三中功率开关器件v2包括串联的开关k3和k4，功率开关器件v5包括串联的开关k7和k8，功率开关器件v6包括串联的开关k11和k12，功率开关器件v1包括串联的开关k1和k2，功率开关器件v3包括串联的开关k5和k6，功率开关器件v5包括串联开关k9和k10。

进一步的，实施例三中三相绕组中剥离出的3个接头分别连接在功率开关器件v2、v4、v6中两个开关的串联节点上，三相绕组中各相绕组的另一端分别连接在功率开关器件v1、v3、v5中两个开关的串联节点上。

实施例四提出一种电机的驱动结构，其在实施例三的基础上，还包括两路驱动电路，所述驱动电路包括上臂驱动电路和下臂驱动电路；上臂驱动电路包括相同旳六路驱动，每路包括三只晶体管，两只二极管和相应的电阻电容；每路电路的输入端与mcu微处理器连接，其输出端与功率开关器件v1、v2、v3、v4、v5、v6中的开关k1、k3、k5、k7、k9、k11的控制端连接；下臂驱动电路包括相同的六路驱动，每路包括三只晶体管和相应的电阻电容，每路电路的输入端与mcu微处理器连接，其输出端与功率开关器件v1、v2、v3、v4、v5、v6中的开关k2、k4、k6、k8、k10、k12、的控制端连接。

上臂驱动电路如图4所示，下臂驱动电路如图5所示。

进一步的，实施例四中一路驱动电路的输出端分别驱动开关k1、k5、k9、k3、k7、k11，另一路驱动电路的输出端分别驱动开关k2、k6、k10、k4、k8、k12。

实施例五提出一种电机的驱动结构，其在实施例三的基础上，还包括取样电路，所述取样电路为电流取样电路，其包括两个采样端，其中一个与功率开关器件v2、v4、v6的接地端导电连接，另一个与功率开关器件v1、v3、v5的接地端导电连接。

实施例六提出一种电机的驱动结构，其在实施例四的基础上，还包括mcu微处理器，所述mcu微处理器的控制输出接入驱动电路，所述mcu微处理器的输出信号通过控制驱动电路驱动左三相桥功率输出电路、右三相桥功率输出电路中功率开关器件按时序依次开闭。

实施例七提出一种电机的驱动结构，其在实施例五的基础上，还包括mcu微处理器，所述电机的驱动结构中取样电路的采样输出接入mcu微处理器，根据取样电路的采样值在所述mcu微处理器中形成可调pwm波用于控制电机的相电流。实现对电机的软性限流控制，保障电机与驱动系统不过载，能安全高效的工作。

实施例八提出一种电机的驱动结构，其在实施例三的基础上，还同时包括取样电路和驱动电路，所述取样电路和驱动电路与电机的连接关系和实施例四、实施例五一样。

实施例九提出一种电机的驱动结构，其在实施例八的基础上，还包括mcu微处理器，所述mcu微处理器的信号输出端与驱动电路的受控端相通信，所述mcu微处理器的信号输入端与取样电路的采样输出端相通信。

实施例十提出一种电机的驱动方法，其中电机的驱动结构采用上述电机的驱动结构中的任一种方案，在mcu微处理器的控制下，驱动电路驱动左三相桥功率输出电路、右三相桥功率输出电路中的功率开关器件按每次四个导通，每次导通两相绕组导电，依次循环，每隔六十电角度导通状态改变一次，每个电周期六种导通状态。

下面详细对比和现有技术下驱动方法的区别：

如图3所示，现有的星形接法永磁电机在微处理器控制下，开关功率管的导通顺序为，开关k1、k6→k9、k6→k9、k2→k5、k2→k5、k10→k1、k10。这种工作方式下，每个电周期有共有六种导通状态，每种导通状态有两只管子导通，每隔六十电角度工作状态改变一次。如图1所示，本实施例十中星形接法永磁电机在微处理器控制下，开关功率管导通顺序为，k1、k4、k7、k6→k9、k12、k7、k6→k9、k12、k3、k2→k5、k8、k3、k2→k5、k8、k11、k10→k1、k4、k11、k10。每个电周期也是共有六种导通状态，每种导通状态有4只管子导通，每隔六十电角度工作状态改变一次。因此本实施例十中星形接法在双桥电路的驱动下，在电机中相电流的方向和产生的旋转磁场与现有的星形接法的电机是一样。所不一样是加在电机相线上的电压是电源电压，加在两相绕组上的电压是电源电压的二倍。上述实施例一至实施例十中电机的驱动结构和驱动方法，适用于六线三相永磁无刷电机、永磁同步电机及交流异步电机系统中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。