開放式繞組變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種開放式繞組變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)，屬于電機領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高功率密度磁鐵和功率器件的發(fā)展，電機系統(tǒng)尤其是開放式繞組電機(永磁 獨立繞組電機)系統(tǒng)應(yīng)用場合不斷擴大，比如現(xiàn)在發(fā)展出來的全電汽車、全電坦克、全電艦 船等，電機系統(tǒng)作為上述系統(tǒng)的關(guān)鍵動力機構(gòu)和推進動力源，其工況需求往往比較復(fù)雜而 且經(jīng)常多變，比如經(jīng)常會遇到高速、低速、輕載、超載、正常和故障等工況。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，為了使得電機系統(tǒng)滿足不同的驅(qū)動工況要求，通常采用多臺電機通 過力或者速度綜合器進行耦合，比如高速電機+低速電機通過離合器，根據(jù)不同的工況需 求，切換相應(yīng)的電機進行工作。該結(jié)構(gòu)雖然能夠提高不同的工況需求，但是由于兩臺電機不 是同時工作，而且離合器為了滿足多種工況，其體積和重量都非常大，從而造成系統(tǒng)功率密 度非常低，而且由于離合器的存在，使得系統(tǒng)效率較低，另外也會產(chǎn)生較大的機械震動和噪 聲。
[0004] 電機系統(tǒng)作為機電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心關(guān)鍵子系統(tǒng)，其性能和可靠性決定并影響 著機電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和任務(wù)完成能力。如何從根本上解決上述矛盾，讓電機系統(tǒng)既 能夠滿足多工況需求又能夠具有較高的可靠性，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種充分利用可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動器和高 功率密度的多相開放式繞組電機的結(jié)構(gòu)可變、高功率密度、高可靠性優(yōu)點的變結(jié)構(gòu)電機系 統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] 提供一種開放式繞組變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)，包括主控制器（10)、可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動器(20)、 電流采集模塊和開放式繞組電機(30);
[0008] 所述電流采集模塊采集開放式繞組電機(30)每個繞組輸出的電流并傳輸給主控 制器(10);
[0009] 開放式繞組電機(30)具有3XN+3個繞組，其中N2 1，分為N+1組繞組，每組包括第 一繞組（（N+1)W1)、第二繞組（（N+1)W2)和第三繞組（（N+1)W3);
[0010] 所述可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動器（20)包括功率管驅(qū)動器（22)、開關(guān)驅(qū)動器（23)、功率管組 (24)和電源開關(guān)組(25);
[0011] 電源開關(guān)組(25)包括電源組(60)和4 X N+4個功率開關(guān)(51);電源組(60)包括直流 功率電源(61)，直流功率電源(61)具有正輸出端子(i_Vs)和負(fù)輸出端子(i_PGND)，分別與 所述功率電源接線端子（52)相連;4XN+4個功率開關(guān)（51)包括N+1組第一開關(guān)管（T(N+1) 1)、第二開關(guān)管(T(N+1)2)、第三開關(guān)管(T(N+1)3)和第四開關(guān)管(T(N+1)4);
[0012] 功率管組(24)包括N+1個第一變換單元和N+1個第二變換單元;每個第一變換單元 包括三組H橋臂（45)，分別為第一H橋臂（（3N+1)Q1，（3N+1)Q4)，第二H橋臂（（3N+2)Q1，（3N+ 2)Q4)和第三H橋臂（（3N+3)Ql，（3N+3)Q4)，每個H橋臂（45)包括第一功率管和第二功率管， 第一功率管的源極連接第二功率管的漏極，作為繞組接入端;每個所述第一 H橋臂的第一功 率管的漏極連接直流功率電源(61)的正輸出端子(i_Vs )，每個第二功率管的源極連接直流 功率電源(61)的負(fù)輸出端子（i_PGND)，第i個第一H橋臂的繞組接入端連接第i個第一繞組 ((N+1) Wl)的一端;第i個所述第二H橋臂的第一功率管的漏極與第i個所述第三H橋臂的第 一功率管的漏極相連后連接第i個第一開關(guān)管的源極，第i個第一開關(guān)管的漏極連接直流功 率電源(61)的正輸出端子(i_Vs)，第i個所述第二H橋臂的第二功率管的源極與第i個所述 第三H橋臂的第二功率管的源極相連后連接第i個第二開關(guān)管的漏極，第i個第二開關(guān)管的 源極連接直流功率電源(61)的負(fù)輸出端子(i_PGND)，第i個第二H橋臂的繞組接入端連接第 i個第二繞組的一端，第i個第三H橋臂的繞組接入端連接第i個第三繞組的一端;每個第二 變換單元包括三組H橋臂(45)，分別為第四H橋臂（（3N+1)Q3，（ 3N+1)Q2)，第五H橋臂（（3N+2) Q3，（ 3N+2) Q2)和第六H橋臂（（3N+3) Q3，（ 3N+3) Q2)，每個H橋臂(45)包括第一功率管和第二 功率管，第一功率管的源極連接第二功率管的漏極，作為繞組接入端;第i個所述第四H橋臂 的第一功率管的漏極與第i個所述第五H橋臂的第一功率管的漏極相連后連接第i個第三開 關(guān)管的源極，第i個第三開關(guān)管(T(N+1)3)的漏極連接直流功率電源(61)的正輸出端子（i_ Vs)，第i個所述第四H橋臂的第二功率管的源極與第i個所述第五H橋臂的第二功率管的源 極相連后連接第i個第四開關(guān)管(T(N+1)4)的漏極，每個第四開關(guān)管(T(N+1)4)的源極連接 直流功率電源(61)的負(fù)輸出端子（i_PGND)，第i個第四H橋臂的繞組接入端連接第i個第一 繞組的另一端，第i個第五H橋臂的繞組接入端連接第i個第二繞組的另一端;每個所述第六 H橋臂的第一功率管的漏極連接直流功率電源(61)的正輸出端子(i_Vs )，第二功率管的源 極連接直流功率電源(61)的負(fù)輸出端子(i_PGND)，第i個所述第六H橋臂繞組接入端連接第 三繞組的另一端;其中I < i < N+1;
[0013] 所述功率管驅(qū)動器(22)，根據(jù)主控制器發(fā)送的控制命令驅(qū)動功率管組(24)中的第 一功率管和第二功率管；
[0014] 開關(guān)驅(qū)動器(23)根據(jù)主控制器發(fā)送的控制命令驅(qū)動電源開關(guān)組（25)中的4XN+4 個功率開關(guān)(51);
[0015] 所述主控制器接收每個繞組輸出的電流，執(zhí)行故障診斷算法，判斷是否發(fā)生故障， 當(dāng)發(fā)生故障時，診斷出故障位置和故障類型，并通過改變驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)故障恢復(fù);接收 上位機發(fā)送的控制命令，并將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給功率管驅(qū)動器(22)和開關(guān)驅(qū)動器(23)。
[0016] 優(yōu)選的，所述可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動器(20)根據(jù)控制指令能夠?qū)⑼負(fù)浣Y(jié)構(gòu)變?yōu)榈谝焕@組、 第二繞組和第三繞組串聯(lián)成一相繞組，具體控制方法為:斷開第一開關(guān)管(T(N+1) 1 )、第二 開關(guān)管(T(N+1)2)、第三開關(guān)管(T(N+1)3)和第四開關(guān)管(T(N+1)4);斷開第二H橋臂、第三H 橋臂、第四H橋臂、第五H橋臂中的第一功率管，開啟第二功率管，或者開啟第二H橋臂、第三H 橋臂、第四H橋臂、第五H橋臂中的第一功率管，斷開第二功率管。
[0017]優(yōu)選的，通過改變驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)故障恢復(fù)的具體方法為：當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為驅(qū)動 第一繞組、第二繞組和第三繞組串聯(lián)成一相繞組時，關(guān)閉故障所在繞組的第一變換單元和 第二換單元和第一至第四開關(guān)管;改變其他組繞組的輸出電流的幅值和相位，保證總輸出 功率不變。
[0018] 優(yōu)選的，所述主控制器接收上位機發(fā)送的控制命令還包括電機系統(tǒng)工作模式，分 為輕載模式、中載模式和重載模式；
[0019] 當(dāng)控制命令為輕載模式時，控制K組繞組對應(yīng)的第一變換單元和第二變換單元和 第一至第四開關(guān)管導(dǎo)通，其他組繞組對應(yīng)的第一變換單元和第二變換單元和第一至第四開 關(guān)管關(guān)斷，ΚΚ<(Ν+1)/3;
[0020] 當(dāng)控制命令為中載模式時，控制K組繞組對應(yīng)的第一變換單元和第二變換單元和 第一至第四開關(guān)管導(dǎo)通，其他組繞組對應(yīng)的左變換單元和第二變換單元和第一至第四開關(guān) 管關(guān)斷，1/3(Ν+1)〈Κ<2(Ν+1)/3;
[0021] 當(dāng)控制命令為重載模式時，控制K組繞組對應(yīng)的第一變換單元和第二變換單元和 第一至第四開關(guān)管導(dǎo)通，其他組繞組對應(yīng)的左變換單元和第二變換單元和第一至第四開關(guān) 管關(guān)斷，其中 2(N+1)/3〈K<N+1。
[0022] 優(yōu)選的，通過改變驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)故障恢復(fù)的具體方法為：
[0023]電機系統(tǒng)工作模式為輕載模式、中載模式或重載模式且沒有開啟全部繞組時，關(guān) 閉故障所在繞組的第一變換單元和第二變換單元和第一至第四開關(guān)管，并開啟另一組非工 作狀態(tài)的繞組的第一變換單元和第二變換單元和第一至第四開關(guān)管；
[0024] 電機系統(tǒng)工作模式為重載模式且開啟全部繞組時，關(guān)閉故障所在繞組的第一變換 單元和第二變換單元和第一至第四開關(guān)管;提高其他組繞組的輸出電流，保證總輸出功率 不變。
[0025] 優(yōu)選的，所述主控制器接收上位機發(fā)送的控制命令還包括電機系統(tǒng)工作模式，分 為輕載模式、中載模式和重載模式；
[0026]當(dāng)控制命令為輕載模式時，控制K個第一繞組對應(yīng)的第一 H橋臂、第四H橋臂和第三 和第四開關(guān)管導(dǎo)通，控制K個第二繞組對應(yīng)的第二H橋臂、第五H橋臂和第一至第四開關(guān)管導(dǎo) 通，控制K個第三繞組對應(yīng)的第三H橋臂、第六H橋臂和第一和第二開關(guān)管導(dǎo)通，其他繞組對 應(yīng)第一至第六H橋臂的和第一至第四開關(guān)管關(guān)斷，其中ISKS (N+l)/3;
[0027] 當(dāng)控制命令為中載模式時，控制K個第一繞組對應(yīng)的第一 H橋臂、第四H橋臂和第三 和第四開關(guān)管導(dǎo)通，控制K個第二繞組對應(yīng)的第二H橋臂、第五H橋臂和第一至第四開關(guān)管導(dǎo) 通，控制K個第三繞組對應(yīng)的第三H橋臂、第六H橋臂和第一和第二開關(guān)管導(dǎo)通，其他繞組對 應(yīng)第一至第六H橋臂的和第一至第四開關(guān)管關(guān)斷，其中1/3(Ν+1)〈Κ<2(Ν+1)/3;
[0028] 當(dāng)控制命令為重載模式時，控制K個第一繞組對應(yīng)的第一 H橋臂、第四H橋臂和第三 和第四開關(guān)管導(dǎo)通，控制K個第二繞組對應(yīng)的第二H橋臂、第五H橋臂和第一至第四開關(guān)管導(dǎo) 通，控制K個第三繞組對應(yīng)的第三H橋臂、第六H橋臂和第一和第二開關(guān)管導(dǎo)通，其他繞組對 應(yīng)第一至第六H橋臂的和第一至第四開關(guān)管關(guān)斷，其中2(N+1 )/3〈K < N+1。
[0029] 優(yōu)選的，當(dāng)控制命令為輕載模式時工作的所有H橋輸出功率為50%額定功率以下； 當(dāng)控制命令為中載模式時工作的所有H橋輸出功率為50 %至100 %額定功率;當(dāng)控制命令為 重載模式時工作的所有H橋輸出功率為2-3倍額定功率以上。
[0030] 優(yōu)選的，通過改變驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)故障恢復(fù)的具體方法為：
[0031] 電機系統(tǒng)工作模式為輕載模式、中載模式