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1、(10)申请公布号 CN 102769368 A (43)申请公布日 2012.11.07 C N 1 0 2 7 6 9 3 6 8 A *CN102769368A* (21)申请号 201210269965.1 (22)申请日 2012.07.31 H02K 23/36(2006.01) (71)申请人上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人朱莉 江建中 (74)专利代理机构上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人郭国中 (54) 发明名称 闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速方法 (57) 摘要 本发明公开一种针对绕组闭合连接、永磁体 励磁、电子换。
2、向的闭合绕组永磁无刷直流电机的 扩速方法，该方法利用电力电子开关管的不同导 通方式，使部分线圈构成并联支路，且支路中有电 流流过，另一部分线圈则没有电流流过，有电流流 过的工作线圈满足：同一支路的线圈同在N极或S 极下，且N极下支路和S极下支路的感应电势总和 的数值相等，但符号相反；而不参与工作的线圈 则满足：串联线圈的感应电势和为零。因此，电机 能够正常运行，且由于串联绕组数的减少，电机速 度范围提高。本发明通过灵活改变电子电子开关 的导通状态，改变电机运行过程的工作线圈数，即 减少电机的串联绕组数，从而实现电机调速范围 的拓展，且方法易于实现。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明。
3、书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速方法，其特征在于：该方法针对闭合绕组永 磁无刷直流的绕组闭合连接、电力电子器件对每个线圈单独换向的结构，通过改变电力电 子开关管的导通状态，在每条支路中只让部分线圈中有电流流过，而另一部分线圈则没有 电流流过，使电机运行过程中有电流流过的工作线圈数减少，即减少电机的串联绕组数，从 而使电机的调速范围拓宽。其中，扩速运行时的等效电路特征是：对于工作线圈，同一支路 的线圈同在N极或S极下，且N极下支路和S极下支路的感应电。
4、势总和的数值相等，但符号 相反；而对于不参与工作的线圈，其串联线圈的感应电势和为零。 2.根据权利要求1所述的闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速方法，其特征是：所述感 应电势：N极下或S极下工作支路的感应电势总和的数值相等，但符号相反，使工作支路间 没有环流，不影响电机正常运行；不参与工作的串联线圈的感应电势和为零，线圈中没有电 流；只要满足该感应电势条件，可以不断减少工作线圈数，拓宽电机调速范围。 3.根据权利要求1或2所述的闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速方法，其特征是：所 述方法是针对闭合绕组永磁无刷直流电机,减少并联支路的线圈数。 4.根据权利要求1或2所述的闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速方。
5、法，其特征是：所 述方法只要改变电力电子开关管的导通状态就可实现调速范围的提高，无需额外硬件电路 和附加软件算法。 权 利 要 求 书CN 102769368 A 1/4页 3 闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速方法 技术领域 0001 本发明涉及一种电机的扩速方法，通过采用改变串联绕组数实现扩速，主要针对 既使用与直流电机相同的绕组闭合链接，又使用永磁体励磁和电子换向的闭合绕组永磁无 刷直流电机。 背景技术 0002 为了实现电机的扩速运行，传统直流电动机通过降低励磁电流实现弱磁扩速。永 磁电机或无刷直流电机则通过调节定子电流，增加电流的直轴去磁分量达到弱磁扩速。 0003 闭合绕组永磁无刷直流。
6、电机的永磁体在转子上，实现永磁体励磁；电枢绕组在定 子上，并且绕组闭合连接，与传统直流电机的线圈连接方式相同；在每个线圈的一端都并联 一对极性相反的电力电子开关，电力电子开关的另外一端分别与直流电源的正、负极相连， 实现电子换向，使磁极N极或S极下的线圈电流方向始终保持不变。 0004 由于闭合绕组永磁无刷直流电机采用了永磁体励磁，所以不能像直流电机一样通 过调节励磁来实现弱磁扩速。而且永磁电机的电磁气隙比较大（尤其是表面式永磁电机）， 特别在一些每极槽数较少的设计中，利用电枢反应的去磁进行弱磁扩速的效果有限。此外， 增加电流直轴去磁分量的弱磁扩速方法对控制硬件和算法软件有较高的要求。因此，调。
7、节 励磁或直轴去磁分量并不能良好地实现闭合绕组永磁无刷直流电机的扩速。 发明内容 0005 针对闭合绕组永磁无刷直流的绕组闭合连接、电力电子器件对每个线圈单独换向 的特殊结构，本发明提出利用电力电子开关管的不同导通方式，减小接入并联工作支路的 线圈数，使电机的串联绕组数减少，实现闭合绕组永磁无刷直流电机调速范围的拓宽。 0006 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：针对闭合绕组永磁无刷直流的绕组闭 合连接、电力电子器件对每个线圈单独换向的结构，通过改变电力电子开关管的导通状态， 在每条支路中只让部分线圈中有电流流过，而另一部分线圈则没有电流流过，使电机运行 过程中有电流流过的工作线圈数减少，。
8、即减少电机的串联绕组数，从而使电机的调速范围 拓宽，其中扩速运行时的等效电路特征是：对于工作线圈，同一支路的线圈同在N极或S极 下，且N极下支路和S极下支路的感应电势总和的数值相等，但符号相反；而对于不参与工 作的线圈，其串联线圈的感应电势和为零。 0007 本发明工作原理：闭合绕组永磁无刷直流电机的运行原理与直流电机完全相同， 运行过程中，控制电力电子开关管的导通状态，使N极或S极下的线圈电流方向保持不变， 并形成并联支路。为了使闭合绕组永磁无刷直流电机能够正常地运行，并联支路中不能有 环流，因此支路中线圈的感应电势满足：处于N极下的并联支路的线圈感应电势总和的绝 对值，与处于S极下的并联支。
9、路的线圈感应电势总和的绝对值相同，且符号相反，即N极下 支路和S极下支路的感应电势和为零。基于上述感应电势原则，利用电力电子开关管的不 同导通方式，在每条并联支路中只让部分线圈中有电流流过，而另一部分线圈则没有电流 说 明 书CN 102769368 A 2/4页 4 流过。只要有电流流过的线圈的感应电势仍满足：N极下支路的线圈感应电势总和与S极下 支路的线圈感应电势总和的绝对值相同，且符号相反。而没有电流流过的线圈的感应电势 只要满足：串联线圈的感应电势和为零。则闭合绕组永磁无刷直流电机仍能电机正常运行， 且由于有电流流过的线圈数减小，即支路的串联绕组数减少，电机的速度范围可以拓宽。 000。
10、8 由于本发明针对闭合绕组永磁无刷直流电机的减少工作线圈数的扩速方法，只需 改变开关管的导通状态就可以实现，无需附加硬件和软件算法，因此非常易于实现。而且减 少支路中的工作线圈数时，相应的串联绕组数的减少会更明显，因此电机的调速范围可以 有效地提高。如采用10极11槽结构的闭合绕组永磁无刷直流电机，除了全部11个线圈都 有电流流过的运行方式外，还可以实现8个、6个、甚至是4个线圈中有电流流过的运行方 式，可使电机的转速提高明显。 0009 所以，本发明针对闭合绕组永磁无刷直流电机，可以灵活地提高电机的转速范围， 而且控制方法易于实现，效果较明显。 附图说明 0010 下面结合附图和实施例对本发。
11、明进一步说明。 0011 图1是本发明所针对的闭合绕组永磁无刷直流电机。 0012 图2是图1的换向电路。 0013 图3是正常运行时，导通相应的开关管后图2的等效电路图。 0014 图4是对应图1和图3，若不考虑电枢反应，且等效为两极电机后的气隙磁场、导体 位置和导体中的电流方向。 0015 图5、6、7是针对图1的闭合绕组永磁无刷直流电机的本发明的几种实施方案。 0016 图中1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.线圈；1+.2+.3+.4+.5+.6+.7+.8+.9+.10+.11+ .线圈上层边；1-.2-.3-.4-.5-.6-.7-.8-.9-.10-.11-.线圈下层。
12、边；S1H.S2H.S3H.S4H. S5H.S6H.S7H.S8H.S9H.S10H.S11H.与电源正极相连的电力电子开关；S1L.S2L.S3L.S4L. S5L.S6L.S7L.S8L.S9L.S10L.S11L.与电源负极相连的电力电子开关，并对所有电力电子开 关管进行单独控制。 具体实施方式 0017 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实 施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 0018 图1为一台10极11槽闭合绕组永磁无刷直流电机，电机永磁体励磁，并在转子 上，线圈闭合连接，且每个线圈都有一对电力电子开关。
13、管实现电流换向。根据图1中各线圈 和电力电子开关管之间连接，得到其相应的换向等效电路为图2。当电机正常运行时，导通 电子开关管（S1H）和电子开关管（S2L），使N极下的线圈在同一电流支路，S极下的线圈在 另一条支路，根据图2，可得此时相应的等效电路为图3，11个线圈中都有电流流过。为了避 免支路内产生环流，对电机的运行产生影响，图3中的两条并联支路还满足感应电势值相 等或者非常接近。根据图4线圈在N极下和S极下的位置，线圈1、3、5、7、9、11的感应电势 总和与线圈2、4、6、8、10的感应电势总和的数值相等，且符号相反。若将线圈1、2、3、4、5、6、 7、8、9、11的感应电势分别记为。
14、e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7、e8、e9、e11，所满足的感应电势条 说 明 书CN 102769368 A 3/4页 5 件为： 0019 （e1+e3+e5+e7+e9+e11）-(e2+e4+e6+e8+e10) 0020 根据图4，线圈11的感应电势约为零，而线圈10和线圈1所处位置的气隙磁密大 小相等、方向相反。因此，线圈10和1的感应电势和为零。根据图4，线圈1、3、5、7、9都处 于S极下，其感应电势e1、e3、e5、e7、e9的符号相同，而处N极下的线圈2、4、6、8、10的感 应电势e2、e4、e6、e8、e10的符号也相同，因此，线圈感应电势还满足： 0021 。
15、（e3+e5+e7+e9）-(e2+e4+e6+e8) 0022 e110 0023 e1+e100 0024 可见线圈3、5、7、9的感应电势总和与线圈2、4、6、8的感应电势总和的数值相等， 且符号相反；线圈11支路、线圈1和10支路的感应电势和为零。因此，根据所满足的感应 电势，可灵活导通电子开关管（S10H、S2L、S3H、S11L），此时的等效电路如图5。线圈3、5、7、 9形成一条支路，线圈2、4、6、8形成另一条支路，这两条支路中有电流流过，线圈11支路、 线圈1和10的支路中没有电流流过。由于图5中，只有8个线圈中有电流流过，减少了串 联绕组数，使电机的转速提高。此外，根据图4。
16、，除了线圈1和10感应电势和为零外，线圈9 和2、线圈3和8的感应电势也为零： 0025 e2+e90 0026 e3+e80 0027 因此，各线圈的感应电势可满足： 0028 （e3+e5+e7）-(e4+e6+e8) 0029 e2+e9+e110 0030 e1+e100 0031 此时，导通电子开关管（S10H、S4L、S3H、S9L），此时的等效电路如图6。线圈3、5、7 形成一条支路，线圈4、6、8形成另一条支路，这两条支路中有电流流过，线圈2、9、11支路、 线圈1、10的支路中没有电流流过。此时，只有6个工作线圈，转速可进一步提高。此外，各 线圈的感应电势还可满足： 0032。
17、 （e5+e7）-(e4+e6) 0033 e2+e9+e110 0034 e1+e10+e3+e80 0035 此时，导通电子开关管（S8H、S4L、S5H、S9L），此时的等效电路如图7。线圈5、7形 成一条支路，线圈4、6形成另一条支路，这两条支路中有电流流过，线圈2、9、11支路、线圈 1、3、8、10的支路中没有电流流过。由于只有4个工作线圈，串联绕组数大大减少，转速提高 明显。 0036 由以上实施例可以知道，本发明针对绕组闭合连接、永磁体励磁、电子换向的闭合 绕组永磁无刷直流电机，通过灵活改变电子电子开关的导通状态，使部分线圈构成并联支 路，且支路中有电流流过，另一部分线圈则没有。
18、电流流过，有电流流过的工作线圈满足：同 一支路的线圈同在N极或S极下，且N极下支路和S极下支路的感应电势总和的数值相等， 但符号相反，使工作支路间没有环流，不影响电机正常运行；而不参与工作的线圈则满足： 串联线圈的感应电势和为零，线圈中没有电流。只要满足该感应电势条件，可以不断减少工 说 明 书CN 102769368 A 4/4页 6 作线圈数，拓宽电机调速范围。 0037 本发明针对闭合绕组永磁无刷直流电机,减少并联支路的线圈数，只要改变电力 电子开关管的导通状态就可实现调速范围的提高，无需额外硬件电路和附加软件算法，易 于实现。 0038 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 说 明 书CN 102769368 A 1/3页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102769368 A 2/3页 8 图3 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102769368 A 3/3页 9 图6 图7 说 明 书 附 图CN 102769368 A 。