混合励磁电机的励磁绕组双模式切换系统及电流控制方式

1.本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种混合励磁电机的励磁绕组双模式切换系统及电流控制方式。


背景技术：

2.混合励磁电机具有励磁损耗小、效率高的优点，日益获得了广泛的关注和应用；为了提高电机的效率，混合励磁电机的励磁磁势通常以永磁磁势为主，电励磁磁势为辅，永磁磁势明显大于电励磁磁势。所以在正常运行状态时，电机通常由永磁体励磁，电励磁绕组无电流流过；电机需要运行于低速过载状态时，电励磁绕组通正向直流电流，使其产生的电励磁磁势与永磁磁势方向相同，使得电机磁场增强，从而增加电机输出转矩；当电机需要高速轻载运行时，电励磁绕组通反向直流电流，使其产生的电励磁磁势与永磁磁势方向相反，使得电机磁场减弱，从而提高电机转速。由于励磁绕组利用率不高，所以混合励磁电机通常是通过牺牲了少部分电枢绕组空间来换取磁场调节能力，所以其转矩密度略低于永磁电机。
3.且混合励磁电机中的电枢绕组a、b、c与励磁绕组fa、fb、fc的绕制方式如下：励磁线圈缠绕于一个由三个连续的定子极构成的定子极组的中间定子极上，电枢线圈跨定子极组所对应三个定子极缠绕，同一相的多个电枢线圈相串联或并联或者混联构成该相电枢绕组；同一相的电枢线圈内部所包围励磁线圈相串联或并联构成该相对应的励磁绕组；电枢绕组用于电机出力，励磁绕组用于电机磁场的调节，以18/10结构新型磁通反向三相双凸极电机为例，其电机结构如附图6所示；根据电机结构和工作原理，设a相绕组中间定子极对齐位置为0度电角度位置；当角度在[-90
°
,90
°
]区间时， a相励磁电流为a、b、c三相提供励磁磁通，三相同时出力；当电角度在180
°
附近的一段区间时，a相电枢电流主要与b、c两相励磁电流建立的磁场相互作用产生输出转矩，a相励磁电流对电机出力贡献很小，且会产生较大漏磁通，从而增大了电机的铁心损耗。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够降低电机励磁损耗，且励磁绕组能够与电枢绕组复用，从而提高电机输出转矩的混合励磁电机的励磁绕组双模式切换系统及电流控制方式。
[0005]
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：一种混合励磁电机的励磁绕组双模式切换系统及电流控制方式，包括电枢绕组、励磁绕组、功率变换器和继电器开关，所述电枢绕组和所述励磁绕组分别连接不同的所述功率变换器进行供电，所述电枢绕组与所述励磁绕组之间通过所述继电器开关进行连接或者分离，当混合励磁电机无需励磁绕组调磁时，通过控制所述继电器开关，使得所述励磁绕组与所述电枢绕组串行连接，此时所述励磁绕组作为所述电枢绕组的一部分，能够增大电机输出转矩；当混合励磁电机需要励磁绕组增磁或者弱磁时，通过控制所述继电器开关，使得所述励磁绕组与所述电枢绕组分离，两者独立并行工作。
[0006]
所述功率变换器包括三桥臂功率变换器、二桥臂功率变换器和四桥臂功率变换器，所述继电器开关包括三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3。
[0007]
当所述电枢绕组通过所述三桥臂功率变换器进行供电，所述励磁绕组通过所述二桥臂功率变换器进行供电时，所述三桥臂功率变换器的三个桥臂中点分别连接所述电枢绕组的三相首端；所述二桥臂功率变换器的两个桥臂中点分别连接所述三相继电器开关s2的常断触点k20_a和所述三相继电器开关s3的常断触点k30_c；所述三相继电器开关s2的三相常断触点k20_a、k20_b、k20_c分别与所述二桥臂功率变换器的第一个桥臂中点、所述三相继电器开关s3的常断触点k30_a和所述三相继电器开关s3的常断触点k30_b相连；所述三相继电器开关s3的进线端连接所述励磁绕组的三相首端，所述三相继电器开关s3的三相常通触点k31_a、k31_b、k31_c相短路，所述三相继电器开关s3的三相常断触点k30_c与所述二桥臂功率变换器的第二个桥臂中点相连。
[0008]
此时，当所述三相继电器开关s1、所述三相继电器开关s2和所述三相继电器开关s3均处于常通状态时，所述电枢绕组与所述励磁绕组相互串联，所述混合励磁电机工作于永磁体励磁的非调磁状态，所述励磁绕组与所述电枢绕组一同出力；当所述三相继电器开关s1、所述三相继电器开关s2和所述三相继电器开关s3均处于常断状态时，所述电枢绕组与所述励磁绕组相互脱离，所述励磁绕组通过二桥臂功率变换器流通直流电流，对所述混合励磁电机的磁场进行调节，所述电枢绕组出力。
[0009]
当所述电枢绕组通过所述三桥臂功率变换器进行供电，所述励磁绕组通过所述四桥臂功率变换器进行供电时，所述三桥臂功率变换器的三个桥臂中点分别连接所述电枢绕组的三相首端；所述四桥臂功率变换器的前三个桥臂中点分别连接所述三相继电器开关s3的常断触点k30_a、k30_b和k30_c，所述四桥臂功率变换器的第四个桥臂中点连接所述三相继电器开关s2的常断触点k20_a、k20_b和k20_c；所述三相继电器开关s1的进线端分别连接电枢绕组的三相末端，所述三相继电器开关s1的三相常断触点k10_a、k10_b、k10_c相短路，所述三相继电器开关s1的三相常通触点k11_a、k11_b、k11_c分别与所述三相继电器开关s2的三相常通触点k21_a、k21_b、k21_c相连接；所述三相继电器开关s2的进线端连接所述励磁绕组的三相末端，所述三相继电器开关s2的三相常断触点k20_a、k20_b、k20_c共同连接所述四桥臂功率变换器的第四个桥臂中点，所述三相继电器开关s3的三相常通触点k31_a、k31_b、k31_c相短路，所述三相继电器开关s3的三相常断触点k30_a、k30_b、k30_c分别与所述四桥臂功率变换器的前三个桥臂中点连接。
[0010]
此时，当所述混合励磁电机工作于永磁体励磁的非调磁状态，所述三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3均处于常通状态，所述电枢绕组与所述励磁绕组相互串联，并星形联接，所述励磁绕组与所述电枢绕组一同出力；当所述混合励磁电机工作于调磁状态时，所述三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3均处于常断状态时，所述电枢绕组与所述励磁绕组相互脱离，励磁电流通过所述四桥臂功率变换器对电机磁场进行调节。
[0011]
所述混合励磁电机中的每相所述励磁绕组均采用电流断续工作模式，以a相电枢绕组中间定子凸极与转子凸极对齐位置为0度电角度位置，则在电角度180
°
附近的一段区间[180
°‑
δθ,180
°
+δθ]内，关断a相对应励磁绕组fa的励磁电流，在电角度300
°
附近的一段区间[300
°‑
δθ,300
°
+δθ]内，关断b相对应励磁绕组fb的励磁电流；在电角度60
°
附近的
一段区间[60
°‑
δθ,60
°
+δθ]内，关断c相对应励磁绕组fc的励磁电流，从而降低励磁绕组损耗，提高电机工作效率，其中，δθ《90
°
。
[0012]
本发明的积极有益效果是：1、本发明中通过励磁绕组的复用，即：当电机无需励磁绕组调磁时，通过控制继电器开关，使得励磁绕组与电枢绕组串行连接，励磁绕组作为电枢绕组的一部分，与电枢绕组一起输出功率，从而提高电机输出转矩；当电机需要工作于低速大转矩或者需要励磁电流增磁或者弱磁时，通过控制继电器开关，使得励磁绕组与电枢绕组分离，两者独立并行工作；通过调节励磁变换器输入直流电流的大小，实现对电机磁场的调节，来提高混合励磁电机的转速范围或增大转矩输出。
[0013]
2、本发明中通过励磁绕组电流断续控制方式，即：在电角度180
°
附近的一段区间时，关断a相对应励磁绕组fa的励磁电流，在电角度300
°
附近的一段区间时，关断b相对应励磁绕组fb的励磁电流；在电角度60
°
附近的一段区间时，关断c相对应励磁绕组fc的励磁电流，从而降低励磁绕组损耗，提高电机工作效率。
附图说明
[0014]
图1是本发明实施例1中励磁绕组复用的控制系统功率电路拓扑结构图；图2是本发明实施例2中励磁绕组复用的控制系统功率电路拓扑结构图；图3是本发明实施例2中三相继电器开关s1、s2和s3的触点放大图；图4是本发明中励磁绕组fa、fb、fc的励磁电流的波形示意图；图5是本发明实施例2中三相四桥臂的励磁控制系统功率电路拓扑；图6是本发明中背景技术中的电机结构示意图。
具体实施方式
[0015]
下面将参照附图1、图2、图3、图4、图5和图6更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
[0016]
本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。
[0017]
本发明实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。实施例1：一种混合励磁电机的励磁绕组双模式切换系统及电流控制方式，包括电枢绕组、励磁绕组、三桥臂功率变换器和二桥臂功率变换器，电枢绕组通过三桥臂功率变换器进行供电，励磁绕组通过二桥臂功率变换器进行供电。
[0018]
三桥臂功率变换器的三个桥臂中点分别连接电枢绕组的三相首端；二桥臂功率变换器的两个桥臂中点分别连接三相继电器开关s2的常断触点k20_a和三相继电器开关s3的常断触点k30_c；三相继电器开关s2的三相常断触点k20_a、k20_b、k20_c分别与二桥臂功率变换器的第一个桥臂中点、三相继电器开关s3的常断触点k30_a和三相继电器开关s3的常断触点k30_b相连；三相继电器开关s3的进线端连接励磁绕组的三相首端，三相继电器开关
s3的三相常通触点k31_a、k31_b、k31_c相短路，三相继电器开关s3的三相常断触点k30_c与二桥臂功率变换器的第二个桥臂中点相连。
[0019]
当三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3均处于常通状态时，电枢绕组与励磁绕组相互串联，此时，混合励磁电机工作于永磁体励磁的非调磁状态，励磁绕组与电枢绕组一同出力；当三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3均处于常断状态时，电枢绕组与励磁绕组相互脱离，励磁绕组通过二桥臂功率变换器流通直流电流，对混合励磁电机的磁场进行调节，电枢绕组出力。
[0020]
操作的时候，通过操作控制继电器开关处于常通状态或常断状态来使电枢绕组和励磁绕组进行连接或者分离，当混合励磁电机无需励磁绕组调磁时，通过操作三相继电器开关s1和三相继电器开关s2处于常通状态，使得励磁绕组与电枢绕组串行连接，此时励磁绕组作为电枢绕组的一部分，能够增大电机输出转矩；当混合励磁电机需要励磁绕组增磁或者弱磁时，通过操作三相继电器开关s1和三相继电器开关s2处于常断状态，使得励磁绕组与电枢绕组分离，两者独立并行工作。
[0021]
并且混合励磁电机中的每相励磁绕组均采用电流断续工作模式，即在电角度[90
°
,270
°
]区间，关断a相对应励磁绕组fa的励磁电流，在电角度[210
°
,360
°
]和[0
°
,30
°
]区间，关断b相对应励磁绕组fb的励磁电流；在电角度[0
°
，150
°
] 和[330
°
,360
°
]区间，关断c相对应励磁绕组fc的励磁电流，从而降低励磁绕组损耗，提高电机工作效率。
[0022]
实施例2：与实施例1不同之处在于：利用四桥臂功率变换器替换二桥臂功率变换器，即电枢绕组通过三桥臂功率变换器进行供电，励磁绕组通过四桥臂功率变换器进行供电。
[0023]
三桥臂功率变换器的三个桥臂中点分别连接电枢绕组的三相首端；四桥臂功率变换器的前三个桥臂中点分别连接三相继电器开关s3的常断触点k30_a、k30_b和k30_c，四桥臂功率变换器的第四个桥臂中点连接三相继电器开关s2的常断触点k20_a、k20_b和k20_c；三相继电器开关s1的进线端分别连接电枢绕组的三相末端，三相继电器开关s1的三相常断触点k10_a、k10_b、k10_c相短路，三相继电器开关s1的三相常通触点k11_a、k11_b、k11_c分别与三相继电器开关s2的三相常通触点k21_a、k21_b、k21_c相连接；三相继电器开关s2的进线端连接励磁绕组的三相末端，三相继电器开关s2的三相常断触点k20_a、k20_b、k20_c共同连接四桥臂功率变换器的第四个桥臂中点，三相继电器开关s3的三相常通触点k31_a、k31_b、k31_c相短路，三相继电器开关s3的三相常断触点k30_a、k30_b、k30_c分别与四桥臂功率变换器的前三个桥臂中点连接。
[0024]
当混合励磁电机工作于永磁体励磁的非调磁状态，三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3均处于常通状态，电枢绕组与励磁绕组相互串联，并星形联接，励磁绕组与电枢绕组一同出力；当混合励磁电机工作于调磁状态时，三相继电器开关s1、三相继电器开关s2和三相继电器开关s3均处于常断状态时，电枢绕组与励磁绕组相互脱离，励磁电流通过四桥臂功率变换器对电机磁场进行调节。
[0025]
为了实现励磁电流分相断续控制，本实施例中还设计了三相四桥臂的励磁控制系统功率电路拓扑，如图5所示，三相励磁绕组星形连接，三相励磁绕组出线端及中性点分别与三相四桥臂的中点相连接。
[0026]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，
本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。