[实用新型]一种用于电机宽速的切换系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及电机及其控制领域，具体地是涉及一种用于电机宽速的切换系统。

背景技术

众所周知，电机的最高效率转速区是有一范围的，当超出这个范围时，电机的效率急剧下降，多数情况下，电机只能按照工况中工作时间最长的某个转速下设计。而且传统单绕组的电机为了兼顾低速时的电机转矩和低速时的效率，往往都限制了最高速度。

而电机在低转速下的效率低是综合因素造成的，主要有以下几种原因：

1.现有的各种类型电机都是利用电流通过导电线圈产生磁场，并利用这个磁场和另一个磁场或磁路发生作用力，进而产生转矩来推动电机转动。

线圈产生的磁场强度H可以用以下公式表示

H＝N_C×I_n×u_fe

公式中N_C表示线圈的匝数，I_N表示流过线圈的电流，如果有铁芯的话，u_fe表示铁芯的磁导率。在磁导率是一个常数的情况下。决定磁场强度是电流与线圈匝数的乘积，既安匝数。虽然各种电机因磁场强度H产生的转矩的计算公式不同，但都与H的大小成正比。电流流过线圈会因电阻、涡流等原因的发热限制，其电流也是有限制的。所以一般电机的最大转矩也就是额定转矩的3到6倍。转矩受到限制，速度又很低，作为速度乘以转矩为电机的输出功率就很低，也造成了电机效率低。

2.电机在较低速度时，自感电动势E_φ较低，而电机的控制器或变频器的供电电压E_P是基本恒定的，流过电机线圈的电流I_n＝(E_P-E_φ)/R_f，公式中的R_f为线圈的等效阻抗。因E_φ很小，此时的电流I_N会很大，所以控制器中一般都采用了PWM调制的方式来控制电流，本质意义就是用断续的较强的脉冲电流在电机上产生同样的机械转矩效果，来替代连续的相对较弱的电流。(虽然由于线圈的电感作用和控制器的功率管的续流作用，加上PWM频率足够高，在线圈内流动的也是相对连续的电流，但续流的那部分能量也还是来自电源的脉冲能量)。这种方式来结果是当E_P-E_φ的电压差越大，R_f线圈的等效阻抗R_f越小时，其PWM占空比越小，也就是脉冲的时间越短，而脉冲的电流值越高。而此电流脉冲的能量除一部分转化为了有效的机械功外，其它的都转换为以下几种能量浪费掉：

A：高能量脉冲产生的各种机械和电磁谐波，以发热和辐射的形式消耗。

B：因电流在电阻上的热转换成平方倍的增长，电流脉冲的峰值越大，整个电流回路的发热量越高。

C：因电机转子是机械性的，转子有质量惯性，根据物理定律，这种断续性的能量推动本身就会随着能量的脉冲时间越小，传递效率越低。

D：对有硅钢片铁芯的线圈，电流脉冲越过一定幅值的情况下，磁场会饱和，电流的转作为在线圈的电阻上的热能浪费掉。

为了扩宽电机的转速范围，国内实用新型人做了很多努力和尝试。如国内专利文献中申请号为：201510508099.0，专利名称为“一种永磁同步电机绕组切换装置”和申请号为：201510508843.7，专利名称为“一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换策略”。两篇专利中均提到了一种永磁同步电机切换方法，即永磁同步电机绕组切换装置具有n套绕组，同时对应n个主回路单元，通过4n-4个开关共同作用，实现n套绕组的串并联切换。绕组串联运行，若转速达到切换条件，绕组由串联切换至并联；绕组并联运行，若转速达到切换条件，电压减小，直至满足电压切换条件，绕组由并联切换至串联。采用上述技术方案可以在一定程度上提高电机运行效率，扩展电机的调速范围，并且使主回路容量的需求减小。

但是上述技术方案存在如下不足：

1.需要n个独立的动力电源供电，这在现实应用中成本高且复杂。特别是在电池供电系统中，要用多个电池组，对充电和电池管理都是很大的麻烦。

2.电池组需要由开关进行并联切换，如果是电池供电的系统中，电池的电压因个体差异，电压不可能完全相等，而电池的内阻又很小，在并联的过程中有很大的冲击电流，很容易损坏切换开关，给系统造成不可靠性。