本發(fā)明涉及繞組分套式多相電機及其控制方法，屬于多相電機結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有電驅(qū)動和電推進系統(tǒng)中常采用三相、六相、十二相或十五相電機，其所有繞組設(shè)計一致，電機額定工作點唯一確定，電機在額定點附近效率較高，但在低速和輕載工作區(qū)效率相對較低，在低速和輕載工作時間較長的應(yīng)用場合不能充分發(fā)揮電驅(qū)動和電推進系統(tǒng)的優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機在低速和輕載工作區(qū)效率較低和容錯運行能力不足的問題，提供了一種繞組分套式多相電機及其控制方法。

本發(fā)明所述繞組分套式多相電機，它包括三套電樞繞組，三套電樞繞組設(shè)置在定子鐵芯上；每套電樞繞組包括m相繞組，m為大于或者等于3的整數(shù)；三套電樞繞組的相應(yīng)相繞組在定子鐵芯上依次相間隔纏繞；

三套電樞繞組分別為高速繞組、中速繞組和低速繞組，三套電樞繞組的額定功率相同，額定轉(zhuǎn)速不同；三套電樞繞組的中性點各自獨立引出。

一種繞組分套式多相電機的控制方法，它基于所述的繞組分套式多相電機實現(xiàn)，所述控制方法通過主控制器和三個子控制器對電機進行控制，三個子控制器分別為高速控制器、中速控制器和低速控制器，對應(yīng)控制高速繞組、中速繞組和低速繞組的工作狀態(tài)；

主控制器檢測負載的動力需求，根據(jù)負載的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求分別為高速控制器、中速控制器和低速控制器分配轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩指令，三個子控制器再對對應(yīng)的電樞繞組分配電流指令，使電機在效率最優(yōu)狀態(tài)下帶動負載旋轉(zhuǎn)；主控制器內(nèi)預(yù)置電機工作區(qū)內(nèi)三套電樞繞組的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配信息。

本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明提出了一種不對稱單元多相電機結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在改善電機在低速和輕載區(qū)的效率特性，提高電機在容錯狀態(tài)下輸出能力和動態(tài)響應(yīng)特性方面具有極大的優(yōu)勢。

本發(fā)明提出的電機結(jié)構(gòu)具有三套額定轉(zhuǎn)速不同的繞組，額定轉(zhuǎn)速不同通過改變每套繞組的匝數(shù)和線徑達到設(shè)計目標(biāo)，既可以擴大電機轉(zhuǎn)速范圍，又可以提高電機在低速工作區(qū)的效率，且具有容錯運行的能力；本發(fā)明中電機繞組由三套獨立的繞組構(gòu)成，三套繞組在輸出功率需求較高時可以同時工作，輸出功率較低時只保留額定轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)矩最接近的繞組工作，繞組并非一直處于工作狀態(tài)，因此繞組的無故障工作時間可以延長；三套電樞繞組的時間常數(shù)不同，與繞組完全相同的設(shè)計方案相比，存在一套繞組的時間常數(shù)較小，因此在遇到擾動時響應(yīng)速度更快的優(yōu)勢。

本發(fā)明所述控制方法的主控制器根據(jù)負載的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求為每套電樞繞組分配最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，它可以根據(jù)負載需求使三套電樞繞組同時工作，也可以只有兩套或者一套電樞繞組工作，實現(xiàn)了電機的控制目標(biāo)為效率最優(yōu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述繞組分套式多相電機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中5為永磁體，6為轉(zhuǎn)子鐵芯；

圖2是每套電樞繞組包括5相繞組時，以其中一套為例，電機的外部接線圖；

圖3是本發(fā)明所述繞組分套式多相電機的控制方法的總體控制流程圖；

圖4是本發(fā)明控制方法的具體控制過程流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一：下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述繞組分套式多相電機，它包括三套電樞繞組，三套電樞繞組設(shè)置在定子鐵芯上；每套電樞繞組包括m相繞組，m為大于或者等于3的整數(shù)；三套電樞繞組的相應(yīng)相繞組在定子鐵芯4上依次相間隔纏繞；

三套電樞繞組分別為高速繞組1、中速繞組2和低速繞組3，三套電樞繞組的額定功率相同，額定轉(zhuǎn)速不同；三套電樞繞組的中性點各自獨立引出。

每套電樞繞組的m相繞組采用星形接法，其中每相繞組繞圈的正極引出接電源，負極連接在一起作為中性點。

每套電樞繞組中每相繞組的線圈匝數(shù)和額定轉(zhuǎn)速成反比，線圈線徑與額定電流成正比。

所述多相電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或者外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

每一相繞組采用分數(shù)槽集中繞組。

每套電樞繞組的電流有效值與匝數(shù)的乘積均相同。

工作原理：電機的繞組電壓與線圈匝數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比，功率為轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積，在相同額定電壓和功率下，高速繞組的額定轉(zhuǎn)速最高，因此相應(yīng)的其額定轉(zhuǎn)矩最低而電流最大，因而其每相繞組串聯(lián)線圈匝數(shù)最少且線徑最大，中速繞組和低速繞組的每相繞組串聯(lián)線圈匝數(shù)依次增加但線徑依次減小；保證繞組的匝數(shù)和額定轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，相應(yīng)的，線圈截面積與匝數(shù)成反比，從而保證每相繞組所占的槽面積一致。

現(xiàn)有技術(shù)中，電機在額定點附近效率最高，但在低速、輕載工作時，電機的鐵耗在總損耗中所占比例較高且難以降低；高速時在電壓無法繼續(xù)提高的情況下必須在電樞繞組中通入較高的勵磁電流以減弱氣隙磁場，使電機的銅耗急劇增加，因此電機的低速輕載和高速區(qū)的效率都會有明顯的下降。而本發(fā)明的電機結(jié)構(gòu)在低速區(qū)可以在主控制器的控制下切除高速繞組，有效降低電機的鐵耗，且高速繞組不再產(chǎn)生銅耗，雖然工作的低速繞組和中速繞組中的銅耗有所增加，但在轉(zhuǎn)矩較低時增加的銅耗小于切除高速繞組所減少的鐵耗和銅耗，使低速區(qū)的效率提高。在高速區(qū)電機可以切除低速繞組和中速繞組，而高速繞組由于額定轉(zhuǎn)速較高，所需的電樞勵磁電流較小，高速繞組中因轉(zhuǎn)矩增加而造成的銅耗增加小于低速和中速繞組工作所需的勵磁電流帶來的銅耗，因此電機在高速區(qū)的效率也得到提高。

下面結(jié)合附圖和一種十五相電機結(jié)構(gòu)，對本實施方式進一步說明：

圖2所示，以一套電樞繞組為例，五相繞組采用星形接法，每相繞組線圈的正極A1、B1、C1、D1、E1引出接電源，負極則接在一起作為中性點N1。同理，其余兩套電樞繞組的線圈正極A2，B2，C2，D2，E2和A3，B3，C3，D3，E3獨立引出接電源，而負極作為各自的中性點N2，N3。三套繞組的中性點并不短接在一起，而是各自獨立引出。

本發(fā)明所述的不等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu)在電機運行過程中，不同相繞組之間會產(chǎn)生不對稱的互感及磁場耦合，因此宜采用分數(shù)槽集中繞組，使不同相繞組之間電磁隔離性更好，降低不同相繞組之間的互感耦合系數(shù)，從而降低繞組間的互感。在電機使用過程中，盡量保持各套繞組的電流有效值與匝數(shù)的乘積相同，使得各套繞組產(chǎn)生的定子磁勢相同，電機的銅耗和鐵耗均勻分布在各套繞組和定子齒中，使電機的性能達到最優(yōu)的狀態(tài)。

具體實施方式二：下面結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述繞組分套式多相電機的控制方法，它基于所述的繞組分套式多相電機實現(xiàn)，如圖3所示，所述控制方法通過主控制器和三個子控制器對電機進行控制，三個子控制器分別為高速控制器、中速控制器和低速控制器，對應(yīng)控制高速繞組1、中速繞組2和低速繞組3的工作狀態(tài)；

主控制器檢測負載的動力需求，根據(jù)負載的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求分別為高速控制器、中速控制器和低速控制器分配轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩指令，三個子控制器再對對應(yīng)的電樞繞組分配電流指令，使電機在效率最優(yōu)狀態(tài)下帶動負載旋轉(zhuǎn)；主控制器內(nèi)預(yù)置電機工作區(qū)內(nèi)三套電樞繞組的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配信息。

電機運行時的效率最優(yōu)控制過程如附圖4。所述控制方法具體為：在主控制器中預(yù)置電機在不同狀態(tài)下的效率特性信息，包括三套電樞繞組全工作區(qū)效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配、兩套電樞繞組運行效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配及各單套電樞繞組的運行效率；

主控制器實時監(jiān)測三套電樞繞組的健康狀態(tài)，并監(jiān)測負載的動力需求，然后將負載的動力需求轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求；

當(dāng)主控制器檢測三套電樞繞組都處于健康狀態(tài)時，根據(jù)預(yù)置的效率特性信息，進行動力分配計算，并為三套電樞繞組分配最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩和電流指令并通過對應(yīng)的子控制器傳送指令；

由于電機具有三套具備獨立的容錯運行的能力的五相繞組，因此本發(fā)明電機具有切除故障繞組和切除整套繞組兩種容錯運行方式。當(dāng)主控制器檢測到某套電樞繞組處于故障狀態(tài)時，首先計算負載的動力需求是否在正常運行的電樞繞組的工作區(qū)之內(nèi)，若是，則切除故障相所在的整套繞組，在健康狀態(tài)的兩套繞組匯總根據(jù)正常運行的電樞繞組的效率特性信息，進行轉(zhuǎn)矩分配計算，并通過相應(yīng)的子控制器傳送指令；否則，只切除故障電樞繞組的故障相，將該套繞組中正常運行的電樞繞組相重構(gòu)，再按照效率特性信息分配最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩和電流指令并通過對應(yīng)的子控制器傳送指令。

本發(fā)明以具有三套繞組的電機為例進行了說明，在實際應(yīng)用中，電機的繞組也可以分為兩套、四套、五套或者更多套。