一种开放式绕组变结构电机系统技术方案

本发明专利技术涉及一种开放式绕组变结构电机系统，包括主控制器、可变结构驱动器和开放式绕组电机，开放式绕组电机具有N组绕组，每组包括第一绕组、第二绕组，其中N≥2；主控制器接收控制指令和开放式绕组电机的反馈信息，并生成功率驱动和驱动拓扑变结构指令，可变结构驱动器根据驱动拓扑变结构指令将驱动拓扑结构进行变换，可以将开放式绕组电机的每组的两个绕组串联起来成为新的一相绕组，还可以变换为轻载模式或重载模式。本发明专利技术的开放式绕组变结构电机系统，充分利用可变结构驱动器和多相开放式绕组电机的结构可变、高功率密度、高可靠性优点，可满足不同的工况需求，能够有效地降低电机驱动系统重量和体积，并有效地提高功率密度和可靠性，消除机械噪声。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开放式绕组变结构电机系统，属于电机领域。
技术介绍
随着高功率密度磁铁和功率器件的发展，电机系统尤其是开放式绕组电机(永磁独立绕组电机)应用场合不断扩大，比如现在发展出来的全电汽车、全电坦克、全电舰船等，电机系统作为上述系统的关键动力机构和推进动力源，其工况需求往往比较复杂而且经常多变，比如经常会遇到高速、低速、轻载、超载、正常和故障等工况。现有技术中，为了使得电机系统满足不同的驱动工况要求，通常采用多台电机通过力或者速度综合器进行耦合，比如高速电机+低速电机通过离合器，根据不同的工况需求，切换相应的电机进行工作。该结构虽然能够提高不同的工况需求，但是由于两台电机不是同时工作，而且离合器为了满足多种工况，其体积和重量都非常大，从而造成系统功率密度非常低，而且由于离合器的存在，使得系统效率较低，另外也会产生较大的机械震动和噪声。电机系统作为机电能量转换系统的核心关键子系统，其性能和可靠性决定并影响着机电能量转换系统的性能和任务完成能力。如何从根本上解决上述矛盾，让电机系统既能够满足多工况需求又能够具有较高的可靠性，是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种充分利用可变结构驱动器和高功率密度的多相开放式绕组电机的结构可变、高功率密度、高可靠性优点的变结构电机系统。本专利技术目的通过如下技术方案予以实现：提供一种开放式绕组变结构电机系统，包括主控制器(10)、可变结构驱动器(20)、电流采集模块和开放式绕组电机(30)；所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每个绕组输出的电流并传输给主控制器(10)；开放式绕组电机(30)具有N组绕组，每组包括第一绕组(NW1)、第二绕组(NW2)，其中N≥2；所述可变结构驱动器(20)包括功率管驱动器(22)、开关驱动器(23)、功率管组(24)和电源开关组(25)；电源开关组(25)包括直流功率电源(61)和4×N个功率开关(51)；直流功率电源(61)具有正输出端子(i_Vs)和负输出端子(i_PGND)；4×N个功率开关(51)包括N组第一开关管(NT1)、第二开关管(NT2)、第三开关管(NT3)和第四开关管(NT4)，所述第一开关管(NT1)和第三开关管(NT3)的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，所述第二开关管(NT2)和第四开关管(NT4)的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)；功率管组(24)包括N个变换单元，每个变换单元包括第一H桥臂((2N-1)Q1，(2N-1)Q4)、第二H桥臂(2NQ1，2NQ4)、第三H桥臂((2N-1)Q3，(2N-1)Q2)和第四H桥臂(2NQ3，2NQ2)，每个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，作为绕组接入端；第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率管的漏极连接第一开关管(NT1)的源极，第二功率管的源极连接第二开关管(NT2)的漏极，第i个第一H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的一端，第i个第二H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的一端；第三H桥臂和第四H桥臂的第一功率管的漏极连接第三开关管(NT1)的源极，第二功率管的源极连接第四开关管(NT2)的漏极，第i个第三H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的另一端，第i个第四H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的另一端，其中1≤i≤N；所述功率管驱动器(22)，根据主控制器发送的控制命令驱动功率管组(24)中的第一功率管和第二功率管；开关驱动器(23)根据主控制器发送的控制命令驱动电源开关组(25)中的4N个功率开关(51)；所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变可变结构驱动器(20)的驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令转发给功率管驱动器(22)和开关驱动器(23)。优选的，所述可变结构驱动器(20)根据控制指令能够将驱动拓扑结构变为第一绕组、第二绕组串联成一相绕组，具体控制方法为：第三H桥臂和第四H桥臂的第一功率管开启，第二功率管断开，或者第三H桥臂和第四H桥臂的第一功率管断开，第二功率管开启；断开第三开关管和第四开关管，实现两个绕组右端串联；或者，第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率管开启，第二功率管断开，或者第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率管断开，第二功率管开启；断开第一开关管和第二开关管，实现两个绕组左端串联。优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：当拓扑结构为驱动第一绕组、第二绕组串联成一相绕组时，关闭故障所在绕组对应的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂；改变其他组绕组的输出电流的幅值和相位，保证总输出功率不变。优选的，所述主控制器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式或重载模式；当控制命令为轻载模式时，控制1组至K组绕组对应的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂工作，其他组绕组对应的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂关断，1≤K≤(N/2)；当控制命令为重载模式时，控制K组绕组对应的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂工作，其他组绕组对应的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂关断，(N/2)<K≤N。优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：电机系统工作模式为轻载模式或电机系统工作模式为重载模式且没有开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂，并开启另一组非工作状态的绕组的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂；电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂，提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。优选的，所述主控制器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式或重载模式；当控制命令为轻载模式时，控制K个第一绕组(NW1)对应的第一至第四开关管以及第一和第三H桥臂工作，控制K个第二绕组(NW1)对应的第一至第四开关管以及第二和第四H桥臂工作，其他绕组对应的第一至第四开关管以及H桥臂关断，其中1≤K≤(N/2)；当控制命令为重载模式时，控制K个第一绕组(NW1)对应的第一至第四开关管以及第一和第三H桥臂工作，控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开放式绕组变结构电机系统，其特征在于，包括主控制器(10)、可变结构驱动器(20)、电流采集模块和开放式绕组电机(30)；所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每个绕组输出的电流并传输给主控制器(10)；开放式绕组电机(30)具有N组绕组，每组包括第一绕组(NW1)、第二绕组(NW2)，其中N≥2；所述可变结构驱动器(20)包括功率管驱动器(22)、开关驱动器(23)、功率管组(24)和电源开关组(25)；电源开关组(25)包括直流功率电源(61)和4×N个功率开关(51)；直流功率电源(61)具有正输出端子(i_Vs)和负输出端子(i_PGND)；4×N个功率开关(51)包括N组第一开关管(NT1)、第二开关管(NT2)、第三开关管(NT3)和第四开关管(NT4)，所述第一开关管(NT1)和第三开关管(NT3)的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，所述第二开关管(NT2)和第四开关管(NT4)的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)；功率管组(24)包括N个变换单元，每个变换单元包括第一H桥臂((2N‑1)Q1，(2N‑1)Q4)、第二H桥臂(2NQ1，2NQ4)、第三H桥臂((2N‑1)Q3，(2N‑1)Q2)和第四H桥臂(2NQ3，2NQ2)，每个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，作为绕组接入端；第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率管的漏极连接第一开关管(NT1)的源极，第二功率管的源极连接第二开关管(NT2)的漏极，第i个第一H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的一端，第i个第二H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的一端；第三H桥臂和第四H桥臂的第一功率管的漏极连接第三开关管(NT1)的源极，第二功率管的源极连接第四开关管(NT2)的漏极，第i个第三H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的另一端，第i个第四H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的另一端，其中1≤i≤N；所述功率管驱动器(22)，根据主控制器发送的控制命令驱动功率管组(24)中的第一功率管和第二功率管；开关驱动器(23)根据主控制器发送的控制命令驱动电源开关组(25)中的4N个功率开关(51)；所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变可变结构驱动器(20)的驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令转发给功率管驱动器(22)和开关驱动器(23)。...

【技术特征摘要】
1.一种开放式绕组变结构电机系统，其特征在于，包括主控制器(10)、
可变结构驱动器(20)、电流采集模块和开放式绕组电机(30)；
所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每个绕组输出的电流并传
输给主控制器(10)；
开放式绕组电机(30)具有N组绕组，每组包括第一绕组(NW1)、
第二绕组(NW2)，其中N≥2；
所述可变结构驱动器(20)包括功率管驱动器(22)、开关驱动器(23)、
功率管组(24)和电源开关组(25)；
电源开关组(25)包括直流功率电源(61)和4×N个功率开关(51)；
直流功率电源(61)具有正输出端子(i_Vs)和负输出端子(i_PGND)；
4×N个功率开关(51)包括N组第一开关管(NT1)、第二开关管(NT2)、
第三开关管(NT3)和第四开关管(NT4)，所述第一开关管(NT1)和第
三开关管(NT3)的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，
所述第二开关管(NT2)和第四开关管(NT4)的源极连接直流功率电源(61)
的负输出端子(i_PGND)；
功率管组(24)包括N个变换单元，每个变换单元包括第一H桥臂
((2N-1)Q1，(2N-1)Q4)、第二H桥臂(2NQ1，2NQ4)、第三H
桥臂((2N-1)Q3，(2N-1)Q2)和第四H桥臂(2NQ3，2NQ2)，每
个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第
二功率管的漏极，作为绕组接入端；第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率
管的漏极连接第一开关管(NT1)的源极，第二功率管的源极连接第二开关
管(NT2)的漏极，第i个第一H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的
一端，第i个第二H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的一端；第三H
桥臂和第四H桥臂的第一功率管的漏极连接第三开关管(NT1)的源极，第
二功率管的源极连接第四开关管(NT2)的漏极，第i个第三H桥臂的绕组

\t接入端连接第i个第一绕组的另一端，第i个第四H桥臂的绕组接入端连接
第i个第二绕组的另一端，其中1≤i≤N；
所述功率管驱动器(22)，根据主控制器发送的控制命令驱动功率管组
(24)中的第一功率管和第二功率管；
开关驱动器(23)根据主控制器发送的控制命令驱动电源开关组(25)
中的4N个功率开关(51)；
所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否
发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变可变结
构驱动器(20)的驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，
并将控制命令转发给功率管驱动器(22)和开关驱动器(23)。
2.根据权利要求1所述的变结构电机系统，其特征在于，所述可变结
构驱动器(20)根据控制指令能够将驱动拓扑结构变为第一绕组、第二绕组
串联成一相绕组，具体控制方法为：第三H桥臂和第四H桥臂的第一功率
管开启，第二功率管断开，或者第三H桥臂和第四H桥臂的第一功率管断
开，第二功率管开启；断开第三开关管和第四开关管，实现两个绕组右端串
联；或者，第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率管开启，第二功率管断开，
或者第一H桥臂和第二H桥臂的第一功率管断开，第二功率管开启；断开
第一开关管和第二开关管，实现两个绕组左端串联。
3.根据权利要求2所述的变结构电机系统，其特征在于，通过改变驱
动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：当拓扑结构为驱动第一绕组、第二
绕组串联成一相绕组时，关闭故障所在绕组对应的第一至第四开关管以及第
一至第四H桥臂；改变其他组绕组的输出电流的幅值和相位，保证总输出
功率不变。
4.根据权利要求1所述的变结构电机系统，其特征在于，所述主控制
器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式或重
载模式；
当控制命令为轻载模式时，控制1组至K组绕组对应的第一至第四开
关管以及第一至第四H桥臂工作，其他组绕组对应的第一至第四开关管以
及第一至第四H桥臂关断，1≤K≤(N/2)；
当控制命令为重载模式时，控制K组绕组对应的第一至第四开关管以及
第一至第四H桥臂工作，其他组绕组对应的第一至第四开关管以及第一至
第四H桥臂关断，(N/2)<K≤N。
5.根据权利要求4所述的变结构电机系统，其特征在于，通过改变驱
动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：
电机系统工作模式为轻载模式或电机系统工作模式为重载模式且没有
开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一至第四开关管以及第一至第四H
桥臂，并开启另一组非工作状态的绕组的第一至第四开关管以及第一至第四
H桥臂；
电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的
第一至第四开关管以及第一至第四H桥臂，提高其他组绕组的输出电流，
保证总输出功率不...

【专利技术属性】
技术研发人员：司宾强，曾广商，黄玉平，朱成林，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11