一种多工作模式永磁同步电机的制作方法

本实用新型属于永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种多工作模式永磁同步电机。

背景技术：

传统永磁同步电动机在额定转速额定负载运行时通常需要所配备的变频器提供给电机所需的额定电流，而在低速运行时为实现短时转矩过载，通常需要变频器提供给电机1.5到2倍的额定电流。这就要求变频器具有较大的电流输出能力，以提供电机短时过载所需要的电流，从而使得变频器的成本上升。

传统永磁同步电动机工作模式较为简单、单一，容错能力不高。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种多工作模式永磁同步电机及其控制方法，该电机可根据不同负载进行相应切换，在保证变频器最大输出电流不变或减小的条件下，实现电机额定转速额定负载运行或低速短时过载运行，从而降低了变频器的成本。

技术方案如下：

一种多工作模式永磁同步电机，其定子具有两套绕组，对于第一套绕组的任意一相绕组1，在第二套绕组中都存在一相绕组2与绕组1在空间上分布相差的电角度β，β≤360k+30°，k为非负整数；且第一套绕组中的绕组1与第二套绕组中绕组2相比更靠近定子槽底部。

进一步的，还包括用于控制电机的变频器，所述变频器包括：整流单元、直流稳压单元、逆变单元、电机工况转换器、转子位置检测单元、工况转换器控制单元，所述整流单元依次连接直流稳压单元、逆变单元、电机工况转换器，所述电机工况转换器的输出端与电机相连，所述工况转换器控制单元与所述电机工况转换器连接，所述转子位置检测单元用于检测所述电机转子位置。

进一步的，还包括整流控制单元，所述整流控制单元与所述整流单元连接。

进一步的，所述逆变单元包括逆变器单元和逆变器控制单元，所述逆变器单元与所述逆变器控制单元连接，所述逆变器控制单元与所述工况转换器控制单元连接。

进一步的，所述电机具有12个输入接端子，所述12个输入接端子与所述电机工况转换器的12个输出端子电气连接。

进一步的，所述电机工况转换器包括：开关p1、开关p2、开关r1、开关r2、开关q1,所述开关p1设置在所述逆变单元和绕组1首端之间，所述开关p2设置在所述绕组1末端，所述开关r1设置在所述逆变单元和绕组2首端之间，所述开关r2设置在所述绕组2末端，所述开关q1设置在所述绕组1末端和绕组2首端之间。

进一步的，第一套绕组的每相绕组具有n1匝线圈，第二套绕组中每相绕组具有n2匝线圈，n1>n2。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述的多工作模式永磁同步电机，其定子具有两套绕组，运行状态可手动或由变频器自动选择并切换，定子绕组可以实现单绕组运行，也可以双绕组串或并联运行。从而根据不同负载进行相应切换，在保证变频器最大输出电流不变或减小的条件下，实现电机额定转速额定负载运行或低速短时过载运行，从而降低了变频器的成本。

由于这种多工作模式永磁同步电机绕组可手动或自动切换，其也具备了起动转矩高，低速过载能力强，通过切换同时实现了低速与高速的高效率运行。

电机容错能力强，在一套绕组出现绝缘、开路等故障时，可自行诊断并自动切除故障部位继续运行。

附图说明

图1为本实用新型绕组空间分布示意图；

图2为本实用新型变频器结构示意图；

图3为本实用新型工况转换器示意图；

图4为本实用新型转换器开关单元控制信号示意图；

图5为本实用新型手动控制流程图；

图6为本实用新型自动控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-6对多工作模式永磁同步电机做进一步说明。

一种多工作模式永磁同步电机，其定子具有两套绕组，每套绕组可单独通电来驱动转子旋转，也可以两套绕组同时通电来驱动转子旋转。这两套绕组单独通电还是以串联方式通电，还是以并联方式通电是由一台变频器控制，以实现上述不同通电方式的手动或自动切换。图1为绕组空间分布示意图，图1的示意图不代表它们之间的链接方式。

所述变频器包括整流单元，整流控制单元可有可无，直流稳压单元，逆变单元，其包括逆变器和逆变控制单元，转子位置检测单元，电机工况转换器和工况转换器控制单元，其中电机工况转换器的输出端与电机相连。所述电机具有12个输入接端子与所述电机工况转换器的12个输出端子电气连接，并由所述工况转换器控制单元控制所述电机工况转换器12个输出端子各自电流的流入或流出方向或不流通电流。

两套绕组中，对于第一套绕组的任意一相绕组，如a1，在第二套绕组中都存在一相绕组，如a2，与绕组a1在空间上分布相差的电角度β小于等于360k+30°，k为非负整数。且第一套绕组中的绕组a1与第二套绕组中绕组a2相比更靠近定子槽底部,这个在范围上更大，包括了相绕组a1与绕组a2在空间上分布相差的电角度为0的情况。

转子在圆周方向上从绕组a1转向绕组a2，这个不含“相差的电角度为0”的情况。

工况转换器

工作状态：

状态1.逆变器控制单元给出“低速或重载控制指令”到工况转换器控制单元，工况转换器控制单元控制开关单元p1，q1，r2导通并保证r1,p2断开，工况转换器控制单元将开关单元状态反馈给逆变器控制单元。

此时第一绕组的第一相相绕组a1与第二绕组的第一相相绕组a2串联运行，其他绕组类似，此时电机在变频器最大电流不变的情况下，可以提供的最大转矩大于额定转矩、或在相同转矩要求下，电机效率提高。

状态2.逆变器控制单元给出“高速控制指令”到工况转换器控制单元，工况转换器控制单元控制开关单元p1，p2,r1,r2导通并保证q1断开，工况转换器控制单元将开关单元状态反馈给逆变器控制单元。此时第一绕组的第一相相绕组a1与第二绕组的第一相相绕组a2并联运行，其他绕组类似。此时电机在变频器最大电流不变的情况下，可以提供的额定转矩和额定转速。

状态3.逆变器控制单元给出“单绕组运行指令1(10)”到工况转换器控制单元，工况转换器控制单元控制开关单元p1，p2导通并保证，r1，r2，q1断开，工况转换器控制单元将开关单元状态反馈给逆变器控制单元。此时第一绕组独立运行。

状态4.逆变器控制单元给出“单绕组运行指令(201)”到工况转换器控制单元，工况转换器控制单元控制开关单元r1，r2导通并保证，p1，p2，q1断开，工况转换器控制单元将开关单元状态反馈给逆变器控制单元。此时第二绕组独立运行。

所述的三相电机具有的特征是，不连接变频器时电机绕组，每套绕组中的每一相完全开路。

如图3所示，a1,b1,c1为第一套绕组的三相，a2,b2,c2为第二套绕组的三相。其中，在“低速或重载控制指令”与“高速或轻载控制指令”之间切换时开关单元q1的控制信号上升沿要滞后于p2，r2的控制信号下降沿，或开关单元q1的控制信号下降沿要超前于p2，r2的控制信号上升沿。

其中，开关单元q1的控制信号下降沿要超前于p2，r2的控制信号上升沿的时间要长于开关单元q1的控制信号上升沿要滞后于p2，r2的控制信号下降沿的时间，这是因为当q1断开前为重载时，线路中的电流很大，需要留有较长时间确保q1可靠断开。

变频器中需要设置4组电机参数，以分别对应上述4中工作状态，每组电机参数中至少包括每一千转时的绕组反电动势，电机不饱和直轴电感，电机不饱和交轴电感，电机相电阻，电机饱和直轴电感，电机饱和交轴电感等6个参数。在工况转换器控制单元将开关单元状态反馈给逆变器控制单元后，逆变器控制单元自动将电机参数切换到对应参数，为下一步控制电机做准备。

所述开关单元中包含氮化镓晶体管或/和碳化硅。

保护范围扩展：

1.变频器中需要还设置一个全局参数电角度β，即第3条提到的电角度。当电角度β>5°时不存在工作状态中的第二种工作状态，且变频器自动屏蔽该工作状态。

2.当第3种工作状态与当第4种工作状态对应参数中的“每一千转时的绕组反电动势”参数相差大于3v时不存在工作状态中的第二种工作状态，且变频器自动屏蔽该工作状态。

3.多工作模式永磁电机，其有两套绕组，第一绕组中每相绕组具有n1匝线圈，第二绕组中每相绕组具有n2匝线圈，n1>n2。此时不存在工作状态中的第二种方式，而是另外几种方式之间切换。

关于工作状态的举例说明。

背景特征：如一台多工作模式永磁电机，其有两套绕组。每套绕组的每相具有相同的绕组匝数，且电角度β＝0，变频器最大输出电流300a，最大输出电压有效值1050v，电机转速100rpm，每套绕组单独运行在100rpm转速时绕组相反电动势960v,每套绕组单独运行时最大输出转矩为40.2kn.m,对应所需电流为150a。

当工作状态2时，两套绕组并联，他们100rpm时合成绕组相反电动势为960v，每套绕组为150a电流时，正好达到变频器最大输出电流，此时电机能产生的转矩为80.4kn.m.

当工作状态1时，两套绕组串联，他们100rpm时合成绕组相反电动势有效值为1920v远高于变频器最大输出电压有效值1050v，在变频器最大输出电流不变的情况下，电机将无法运行在100rpm,此时适应于低速如50rpm，而如果每套绕组为150a电流时，电机能产生的转矩为80.4kn.m。此时电机电流还有增加空间(<变频器最大输出电流300a)，因此在保证电机温度不超过绝缘要求的情况下，电机电流还可以增加来提高电机的输出转矩(1.5～2倍过载)，从而实现了低速过载的应用。而且即使在低速轻载时由于电机的合成反电动势与变频器最大输出电压有效值接近，这使得电机的效率也显著提升，这是因为此时变频器控制的调制比大，使电机的附加损耗降低的缘故。

控制方法1：手动控制

根据实际应用中不同负载变化的需要，利用变频器控制面板手动输入电机运行指令，变频器读取控制面板指令，并通过逆变器控制单元控制发出控制指令，对电机的运行状态进行控制，每次调整前，变频器会使电机停机，切换后先根据工况转换器控制单元反馈结果判断工况转换器是否异常，无异常后，逆变器控制单元检测电机绕组是否存在故障，如控制逆变器向绕组中通入三相矢量和为0的脉冲电压，通过检测三相电流的和是否为0来判断电机绕组是否存在故障，无故障后变频器启动电机并运行指令工况。

如果存在故障，逆变器控制单元将切换成单绕组工作状态3，检测该绕组是否存在故障，如果不存在，显示第二绕组故障，变频器控制面板上显示是否第一绕组单绕组半转矩运行，变频器可根据进一步输入指令进行电机控制，如启动电机或停止运行；如果存在，显示第一绕组故障，并工况转换器切换单绕组模式工作状态4，检测该绕组是否存在故障，如果存在故障，变频器控制面板上显示电机故障，并执行停机报警，该报警需要重新上电才能手动复位，如果不存在，变频器控制面板上显示是否第二绕组单绕组半转矩运行，变频器可根据进一步输入指令进行电机控制，如启动电机或停止运行。

主要针对阶段性负载变化，一段时间低速运行，一段时间高速运行，且允许停机切换的应用。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。