一种永磁电机绕组切换电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及永磁电机电子电路技术领域，尤其设及一种永磁电机绕组切换电路。
【背景技术】
[0002] 永磁电机相比现有其他的电机种类具有最高的效率和功率密度（转矩密度），故 永磁电机系统已成为我国电动汽车驱动系统的战略发展方向。然而，由于永磁电机转子磁 场恒定不可调，受变频器电压限制，永磁电机的恒功率调速范围窄，很难适应电动汽车高速 恒功率运行的要求。
[0003] 现有的电动汽车永磁电机驱动系统一般采用弱磁和电压抬升的方法实现电机的 恒功率运行。但是，弱磁使得永磁体失磁的风险大大增加，电机的恒功率范围受到限制；电 压抬升的方法采用Boost变换器将变频器直流母线电压抬高，从而适应随电机转速升高的 反电势，但该种方法大大增加了系统的成本，降低了系统的效率。
【发明内容】
[0004] 针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种永磁电机绕组切换电路，将该电 路应用于电动汽车的永磁电机系统中，将永磁电机每相绕组的多个支路绕组单元进行组合 连接，实现了永磁电机宽范围的调速要求，满足电动汽车不同运行工况的需要。
[0005] 为达此目的，本发明采用W下技术方案：
[0006] 一种永磁电机绕组切换电路，所述永磁电机每相绕组包括N个绕组单元，N为大于 等于2的正整数，所述永磁电机绕组切换电路包括；永磁电机每相绕组的N个绕组单元之间 设置的N-1组切换电路，每组切换电路包括S个开关电路，其中，第N-1组切换电路中，第一 开关电路设置于第一绕组单元首端与第N绕组单元首端之间，第二开关电路设置于第N-1 绕组单元尾端与第N绕组单元首端之间，第=开关电路设置于第一绕组单元尾端与第N绕 组单元尾端之间。
[0007] 特别地，所述开关电路由二个Mosfet开关反向串联组成。
[000引特别地，所述Mosfet开关器件采用GaNMosfet开关。
[0009] 特别地，所述Mosfet开关器件采用SiCMosfet开关。
[0010] 本发明提出的永磁电机绕组切换电路应用于电动汽车的永磁电机系统中，通过在 永磁电机每相绕组的绕组单元之间设置开关电路，将永磁电机每相绕组的多个支路绕组单 元进行组合连接，相当于为电动汽车增加了一套有级的变速装置，在不增加永磁电机大小 和重量的情况下，提高了永磁电机的转速范围，大大拓宽了电动汽车的高速范围。同时，电 机的永磁体不会有因为弱磁而产生的失磁风险。并且，本电路具有结构简单、效率高、性能 好的特点。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明永磁电机绕组切换电路应用于每相绕组具有N个绕组单元的电动汽 车永磁电机的A相的电路结构图；
[0012] 图2为永磁电机两个绕组单元由串联改为并联时的转速转矩特性曲线；
[0013] 图3为GaN、SiCmosfet和Simosfet器件的性能对比图；
[0014] 图4为本发明实施例一提供的永磁电机的展开示意图；
[0015] 图5为本发明实施例一提供的永磁电机驱动原理图；
[0016] 图6为本发明实施例一提供的永磁电机绕组切换电路应用于永磁电机A相的电路 原理框图；
[0017] 图7为本发明实施例一提供的永磁电机绕组切换电路应用于永磁电机A相时，A相 绕组的二个绕组单元串联时的电流流向图；
[001引图8为本发明实施例一提供的永磁电机绕组切换电路应用于永磁电机A相时，A相 绕组的二个绕组单元并联时的电流流向图；
[0019] 图9为本发明实施例一提供的永磁电机绕组切换电路应用于永磁电机时，每相绕 组的二个绕组单元串联时的电流流向图；
[0020] 图10为本发明实施例一提供的永磁电机绕组切换电路应用于永磁电机时，每相 绕组的二个绕组单元并联时的电流流向图；
[0021] 图11为本发明采用Mosfet开关的永磁电机绕组切换电路应用于每相绕组具有N 个绕组单元的电动汽车永磁电机的A相的电路结构图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可W理解的是，此处所描述的具 体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描 述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有 的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在 本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发 明。本文所使用的术语"及/或"包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0023] 如图1所示，图1是本发明永磁电机绕组切换电路应用于每相绕组具有N个绕组 单元的电动汽车永磁电机的A相的电路结构图。该电动汽车永磁电机A相绕组包括N个绕 组单元；A1、A2、……AN，N为大于等于2的正整数，本发明永磁电机绕组切换电路具体包 括；N-1组切换电路，每组切换电路包括S个开关电路。将第N-1组切换电路设置于电动汽 车永磁电机A相绕组第N-1绕组单元和第N绕组单元之间。其中，第一绕组切换电路中，第 一开关电路设置于第一绕组单元A1首端与第二绕组单元A2首端之间，第二开关电路设置 于第一绕组单元A1尾端与第二绕组单元A2首端之间，第S开关电路设置于第一绕组单元 A1尾端与第二绕组单元A2尾端之间；第二绕组切换电路中，第一开关电路设置于第一绕组 单元A1首端与第S绕组单元A3首端之间，第二开关电路设置于第二绕组单元A2尾端与第 S绕组单元A3首端之间，第S开关电路设置于第一绕组单元A1尾端与第S绕组单元A3尾 端之间，W此类推，第N-1组切换电路中，第一开关电路设置于第一绕组单元首端与第N绕 组单元首端之间，第二开关电路设置于第N-1绕组单元尾端与第N绕组单元首端之间，第S 开关电路设置于第一绕组单元尾端与第N绕组单元尾端之间。
[0024] 同理，图1所示的永磁电机绕组切换电路可W应用于每相绕组具有N个绕组单元 的电动汽车永磁电机的每一相电路中。
[0025] 本发明所述的永磁电机绕组切换电路工作原理为：通过开关电路将永磁电机每相 绕组的N个绕组单元进行组合连接，在电动汽车低速运行时，切换电路第二开关电路导通， 第一、=开关电路关闭，N个绕组单元串行连接，此时，永磁电机的相电流等于每个绕组单元 的电流，永磁电机的相电压等于所有绕组单元的电压之和。由于低速时永磁电机的反电势 低，每个绕组单元的电流可WW控制器最大电流运行，从而实现低速大扭矩运行；电动汽车 高速运行时，可W根据不同的速度范围，利用第一、S开关电路导通，第二开关电路关闭，组 合切换N个绕组单元并联运行，此时永磁电机的反电势将会成倍地减小，永磁电机的运行 因此不会受控制器电压的限制，实现了宽范围的调速要求。虽然受控制器最大电流限制，每 个绕组单元的电流也成倍减小，此时电机输出的转矩跟着减小，但由于电动汽车高速运行 时加速度小，需求的扭矩也小，因此永磁电机仍能满足要求。如图2所示，图2为永磁电机 两个绕组单元由串联改为并联时的转速转矩特性曲线，图中实线轮廓线为并联时电机的转 速转矩曲线，串联时的特性曲线是从0至n2区间实线段和至n3的虚线段，转速n4是转速 n3的两倍。从图中可W看出，该例永磁电机两个绕组单元由串联改为并联时，转速范围提高 了一倍。同理，将永磁电机N个绕组单元由串联改为并联式，可W实现N倍的转速范围。
[0026] 上述开关电路可W采用一对Mosfet开关反向串联组成。如图11所示，图11是 本发明采用Mosfet开关的永磁电机绕组切换电路应用于每相绕组具有N个绕组单元的电 动汽车永磁电机的A相的电路结构图。其中，第一绕组切换电路中，第一对Mosfet开关器 件S11、S12反向串联设置于第一绕组单元A1首端与第二绕组单元A2首端之间，第二对 Mosfet开关器件S13、S14反向串联设置于第一绕组单元A1尾端与第二绕组单元A2首端 之间，第S对Mosfet开关器件S15、S16设置于第一绕组单元A1尾端与第二绕组单元A2尾 端之间；第二绕组切换电路中，第一对Mosfet开关器件S21、S22反向串联设置于第一绕组 单元A1首端与第S绕组单元A3首端之间，第二对Mosfet开关器件S23、S24反向串联设置 于第二绕组单元A2尾端与第S绕组单元A3首端之间，第S对Mosfet开关器件S25、S26设 置于第一绕组单元A1尾端与第S绕组单元A3尾端之间，W此类推，第N-1组切换电路中， 第一对Mosfet开关器件S(N-l) 1、S(N-l) 2反向串联设置于第一绕组单元首端与第N绕组 单元首端之间，第二对Mosfet开关器件S(N-1) 3、S(N-1) 4设置于第N-1绕组单元尾端与第 N绕组单元首端之间，第S对Mosfet开关器件S(N-1) 5、S(N-1) 6设置于第一绕组单元尾端 与第N绕组单元尾端之间。通过Mosfet器件将永磁电机每相绕组的N个绕组单元进行组 合连接。
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