绕组的偶数相可并联结构及控制

绕组的偶数相可并联结构及控制

技术领域

机电。

背景技术

电机或其它电器设备的工作原理。

发明内容

通过构建绕组的偶数相可并联结构及控制，充分利用了电机或其它电器设备的构成资源，使电机或其它电器设备总体理论势能可以实现。从而提高了电机或其它电器设备的功率和效率、降低了生产成本、缩小了体积和重量。同时又提供了有利于电机或其它电器设备改善性能、开发功能的资源结构环境。

如：应用本发明的从属发明1“变换功率输出”能够生产出具有多种功率输出的电机或其它电器设备；从属发明2“接力式无间断换相法”可改善和提高电机或其它电器设备的性能和效率。

以直流无刷电动机为例，说明绕组的偶数相可并联结构及控制的构思和实现。

一、电机三相绕组结构存在的缺陷

缺陷1、电机构成资源利用率低

三相绕组结构在轮序工作时总会有某相 “闲置”，或“半负荷”状态工作。所对应的磁体资源也未得到充分利用。同时这种“闲置”也造成了功率器件的利用率过低。从而造成电机构成资源的“浪费”，降低了电机构成资源的利用率。

分析如下：

（1）如附图1（a）所示，假设每相绕组的绕数为1匝，工作电流为2安培。当U、V两相为流入电流时，W相为流出电流。根据基尔霍夫电流定律， 则W相电流为2安培。所产生的势能为2安匝；U相、V相电流各为1安培所产生的势能为1安匝+1安匝=2安匝，U、V、W三相绕组总势能为4安匝。

（2）如附图1（b）所示，假设条件同上。当U相为流入电流时，W相为流出电流。则U相电流为2安培，所产生的势能为2安匝；W相电流为2安培，所产生的势能也为2安匝；V相无势能，U、V、W三相绕组总势能为4安匝。

绕组的上述两种工作方式，从产生势能角度上讲效果是一样的。所以三相绕组结构有33%以上的构成资源未得到充分的利用。

缺陷2、电机总体势能实现率低

仍然假设每相绕组的绕数为1匝、绕组的最大工作电流为2 安培，则三相绕组结构的电机可容纳总匝数为3匝。所能产生的理论总势能为2安培×3匝＝6安匝。因三相绕组结构不能使全部绕组同时都有2安培的电流流过，所以电机实际可提供的总势能只有4安匝。约为电机资源所能提供的理论总势能的67%。

二、解决上述缺陷的构思及所采用的方法：

电机绕组采用偶数相可并联结构及控制。以“携手工作”的方式，构造出一个全绕组均电流、全磁体均利用的结构环境。从而提高电机构成资源的利用率并可以完全实现电机构成资源所能提供的理论总势能。

同时也有以下几个优点：

1、绕组是以“携手”的方式工作，其相应的控制器件也以“分担”的方式承载负荷。因此相对于总的功率量来讲对控制元件的承载能力也可以降低“级别”。因为控制器的主要成本是功率元件，所以又可以降低控制器的生产成本。这种“降低级别”的方式，也有助于突破超大功率电机的制造“瓶颈”。

2、在一个轮序周期所产生的电角度内，增加了转子移动的次数。“平滑”了转子的脉动，再加上下面将要提到的，“接力式无间断换相法”消除的输入功率空区和所产生的“前序力矩”以及抵消的反向制动力矩，电机的脉动问题可以得到很好的改善。

在偶数相可并联结构及控制的构思框架下，本实验设计的方案为 “二&四”方案。即：二相绕组可并联工作、四相绕组轮序控制。其原理如附图2 。

如附图2（a）所示，当A、B相同时流入电流时，C、D相同时流出电流。

如附图2（b）所示，当B、C相同时流入电流时，D、A相同时流出电流。

其它相如此类推。电机在工作中各相绕组同时都有相等的电流流过，消除了空闲的绕组。从而解决了三相绕组结构缺陷1的问题。

假设条件同上，电机绕组的可容纳总匝数为3 匝，则四相绕组结构时每相绕组可分配为0.75匝。每相绕组产生的势能为2安培*0.75匝=1.5安匝。电机可产生的理论总势能为1.5安匝*4相=6安匝。四相绕组结构为电机的各相绕组同时流过2安培的电流提供了条件，因此理论总势能可以得到实现。从而解决了三相绕组结构缺陷2的问题。

产生的效果如下：

   1、与参考的原电机相比，不改变电机的整体结构和其它硬件参数，不改变电机生产的用材规格和用量、不增加电机的生产成本（甚至略有下降），不改变电机的使用环境。仅改动绕组的分布结构和控制方法，就可使电机的额定输出功率提高33%。

   2、与参考的原电机相比，若其他资源条件许可（如槽容量、磁通量等）。只需用相同的线径增加25%的用线量和增加约30%的磁体量（能满足相应功率输出的磁体需求量），就可使电机的额定输出功率提高一倍。（由假设每相匝数0.75匝提高到1匝，则总势能为2安培×1匝×4相＝8安匝）。

按照“二&四”方案的思路，设计并制作出了绕组为4相，且可以2相并联结构的电动机进行实验。实验结果：实现了二相绕组可并联工作、四相绕组轮序控制，产生指向转动力矩的功能。同时在绕组硬件和连接方式上未做任何的改变，仅在控制方式上做调整的情况下又做了本发明的从属发明项目实验，证明了从属发明项目的可行性。

从属发明：

从属发明1、变换功率输出。

由偶数相可并联结构所提供的环境，可通过调整工作绕组的并联数使电机拥有变换输出功率的能力。本实验为由二相绕组并联工作的方式变为只有一相绕组工作的非并联方式，实现2变换功率输出。由更多相的并联方式则可产生更多种的功率输出。

这种功能有别于三相绕组电机的调整控制。三相绕组电机是靠改变“占空比”的方式来控制电机转速和力矩的，当速度和所需力矩成正比时此控制方式是必要的。但当速度和所需力矩成反比时（如高速轻负载时），问题就来了。在保证了高速的需要时也增加了力矩的损耗，出现了“大马拉小车”的现象。变换功率输出是对电机或其它电器设备单一功率输出的改进，其特征是适应需求变化的多功率输出功能。即可保证高速的需要又减小了力矩的消耗。此功能尤其适用于运行过程中所需适应不同功率输出的调整，可有明显的节能效果。

从属发明2、接力式无间断换相法。

由偶数相可并联结构所提供的环境，控制器可使用一种新的换相方法。且称之为“接力式无间断换相法”。即，当电路由A、B相并联工作转为Ｂ、Ｃ相并联工作时，Ｂ相控制不变动，而关闭Ａ相在上述分组中的有关元件，由上述分组中Ｃ相的有关元件接替工作。这样实现了力矩的无间断换相，可消除换相时 “无功率输入”的空区并产生了一个有益的“前序力矩”。

如附图3（a）所示：在正向轮序过程中，当轮序由A、B相并联欲转换为B、C相并联时A相关断，此时由A、B相并联所产生的复合磁极变为B相的单相磁极，所对应的磁路最短位置也发生了变化（至B的中心处）。且变化方向顺应于下序次B、C相复合磁极所产生方向。

如附图3（b）所示：在反向轮序过程中，当轮序由A、B相并联欲转换为A、D相并联时B相关断。此时由A、B相并联所产生的复合磁极变为A相的单相磁极，所对应的磁路最短位置也发生了变化（至A的中心处）。且变化方向顺应于下序次A、D相复合磁极所产生方向。

因此所产生的力矩也就充当了有益于下序次复合磁极所产生的力矩的“前序力矩”。前序力矩的产生和存在有助于提高电机效率和改善电机性能。

  同时，相电流关断时产生的反电势因与未关断相还处于“联手”的状态，所以得到了相互减缓和抵消，减少了因相续流而产生的制动力矩。从而提高电机的功率效率并改善了电机的转矩脉动现象。