具有用于改变绕组匝数的开关的牵引电动机

摘要

本发明涉及一种用于机动车的具有开关磁阻电机的牵引电动机，包括：铁磁转子；具有定子极的定子，每个定子极的绕组具有至少一个绕组绞股，其中，定子极的至少两个绕组绞股(L1、L2)或布置于径向相对的定子极上的至少两个绕组绞股(L1、L2)与一个电机相相关联，其中，至少两个绕组绞股(L1、L2)布置于连接到直流电压源的第一供电线路(3)与连接到接地端的第二供电线路(4)之间，每个绕组绞股(L1、L2)与上方电子开关(Q1、Q3)和下方电子开关(Q2、Q4)相关联，每个电子开关均有并联的续流二极管(D1、D2、D3、D4)；以及控制装置，其根据转子的位置控制电路的电子开关(Q1、Q2、Q3、Q4)，其中，电机相的至少两个绕组绞股(L1、L2)在公共电路中通过分流支路(5)互连，使得电机相的至少两个绕组绞股(L1、L2)通过控制电子开关(Q1、Q2、Q3、Q4)而在并联与串联之间进行切换。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1前序部分所述特征的用于机动车的具有开关磁阻电机的牵引电动机以及一种具有权利要求9前序部分所述特征的控制牵引电动机的开关磁阻电机的电机相电路的方法。

背景技术

开关磁阻电机因使用成本低且运行稳健而通常用作电力驱动系统中的驱动机。在此情形下，通常采用具有不对称半桥的逆变器拓扑结构，该逆变器拓扑结构连接到电机的相位但无星形接点。还已公知，开关磁阻电机可应用于牵引电动机，特别是应用于诸如电动汽车或混合动力车等电动车辆中的电力驱动系统。

三相开关磁阻电机的经典逆变器拓扑结构由六个功率开关组成。它由三个独立的不对称H桥组成。每个H桥的上方功率开关连同下方二极管一起来调节所连接绕组绞股(Wicklungsstrang)中的电流。下方功率开关连同上方二极管一起来实现在电机从一相转变为另一相期间快速换向到全直流电源电压。

设计开关磁阻电机时，必须在低转速范围内的高转矩与最大转速之间做出折衷。然而，特别是在牵引电动机的情况下，希望在机动车在市内运行和高速公路运行时使电机在转速范围内得以优化。

专利文献DE 43 30 386 A1揭示了一种开关磁阻电机，其在相绕组中心具有抽头，该抽头一侧经由续流半开关连接到直流电压源的第一极而另一侧经由额外的开关晶体管连接到直流电压源的另一极。当达到预定转矩时，通过开关将半数的极绕组分开，从而可以获得更高的转矩。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有开关磁阻电机的牵引电动机，采取简单的方式同时优化到两个转速范围。

本发明用以达成上述目的的解决方案为具有权利要求1所述特征的牵引电动机以及具有权利要求9所述特征的控制牵引电动机的开关磁阻电机的电机相电路的方法。

根据本发明，提供了一种用于机动车的具有开关磁阻电机的牵引电动机，包括：

铁磁转子；

具有定子极(Statorpolen)的定子，其中每个定子极的绕组具有至少一个绕组绞股，其中定子极的至少两个绕组绞股或布置于径向相对的(diametral entgegensetzten)定子极上的至少两个绕组绞股与一个电机相相关联，其中至少两个绕组绞股布置于连接到直流电压源的第一供电线路与连接到接地端的第二供电线路之间，每个绕组绞股与上方电子开关(高侧)和下方电子开关(低侧)相关联，每个电子开关均有并联的续流二极管；以及

控制装置，该控制装置根据转子的位置来控制电路的电子开关，其中电机相的至少两个绕组绞股在公共电路中通过分流支路互连，使得电机相的至少两个绕组绞股能够通过控制电子开关而在并联与串联之间进行切换。

绕组绞股既可并联又可串联操作，仅需切换电子开关即可，电动机在市内运行和高速公路运行中都能得以优化。在每个绕组绞股的绕组匝数相同的情况下，绕组匝数可以双倍变化。但也可规定，每个绕组绞股的绕组匝数互不相同。

优选地，控制装置具有控制单元，尤其是微处理器或FPGA，在磁阻电机达到预定转速之后，该控制单元引发从串联到并联的切换。在高转速下，绕组绞股优选地并联运行。还可设想，根据磁阻电机的转矩或根据预定的转速梯度进行切换。

在一种实施方式中，电机相的两个绕组绞股对称连接。有利的是，电机相的每个绕组绞股布置于不对称半桥中。不对称半桥具有两个电子开关和两个续流二极管。分流支路连接两个不对称半桥，分流支路中布置有反向偏置的二极管。对于两个绕组绞股的连接，仅需单独一个附加二极管即可。该电路可任意扩展。每相有两个绕组绞股，仅提供总共四个电子开关，每绕组绞股两个电子开关。对于每相n个绕组绞股，电子开关数目增加到n*2。

优选地，分流支路从第一绕组绞股与下方电子开关和上方续流二极管的第一接点延伸到第二绕组绞股与上方电子开关的第二接点，其中下方续流二极管与下方电子开关并联布置于二极管和第二接点与第二供电线路之间。

在另一种实施方式中，电机相的两个绕组绞股不对称连接。有利的是，电机相的两个绕组绞股形成绕组绞股对，其中该绕组绞股对中的一个绕组绞股布置于具有两个电子开关和两个续流二极管的不对称半桥中，而第二绕组绞股布置于对称半桥中，就像在旋转场电机中使用的情况一样。换言之，与不对称半桥并联的上方第三电子开关和下方第四电子开关串联布置于两个供电线路之间，其中第三电子开关和第四电子开关各自与续流二极管相关联，其中第三电子开关和第四电子开关通过这些电子开关和这些续流二极管之间的中心抽头连接到续流二极管，其中如此形成的两个节点又通过分流支路连接到第一绕组绞股的下方电子开关与第一绕组绞股之间构成的第三节点，其中第二绕组绞股布置于分流支路中。通过控制电子开关，可以在绕组绞股的并联与串联之间进行切换。上述两个绕组绞股的联系意味着无需额外的电子元部件。该电路可任意扩展。每相有两个绕组绞股，仅提供总共四个电子开关，每绕组绞股两个电子开关。对于每相n个绕组绞股，电子开关数目增加到n+x，其中n>＝x>＝2。

一般而言，电子开关可以例如是MOSFET开关或双极晶体管，尤其是IGBT开关。

本发明还提出了一种具有至少一个上述牵引电动机的电动或混合动力驱动的机动车，该牵引电动机具有用于驱动机动车的至少两个车轮的开关磁阻电机。

牵引电动机可以通过变速箱和下游的差速器驱动车轮，或者也可以通过牵引电动机单独驱动每个车轮。

本发明还提出了一种控制牵引电动机的开关磁阻电机的电机相电路的方法，其中该开关磁阻电机包括：

铁磁转子；

具有定子极的定子，其中定子极各自的绕组具有至少一个绕组绞股，其中定子极的至少两个绕组绞股或布置于径向相对的定子极上的至少两个绕组绞股与一个电机相相关联，其中至少两个绕组绞股布置于连接到直流电压源的第一供电线路与连接到接地端的第二供电线路之间，每个绕组绞股与上方电子开关(高侧)和下方电子开关(低侧)相关联，每个电子开关均有并联的续流二极管；以及

控制装置，该控制装置根据转子的位置控制电路的电子开关，其中电机相的至少两个绕组绞股在公共电路中通过分流支路互连，上述方法包括如下步骤：

通过有针对性地接通和关断电子开关，来使电机相的至少两个绕组绞股的串联电路可选择地运行或使电机相的至少两个绕组绞股的并联电路可选择地运行。

这样，就能通过接通和关断H桥的电子开关来改变绕组匝数。每个绕组的匝数可以相同或不同，具体取决于应用情况。如果绕组绞股串联，则可以产生更高的感应磁通，从而实现更高的转矩。另一方面，在并联情况下，电感会降低，感应的反向电压也会降低。

在一实施例中，分流支路中布置有反向偏置的二极管。在此情况下，上述方法包括如下步骤：

通过关断公共电机相的第一绕组绞股的下方电子开关和第二绕组绞股的上方电子开关并接通另外两个电子开关来使串联电路可选择地运行，电流流经第一绕组绞股、分流支路和第二绕组绞股，使得两个串联绕组绞股的绕组电流增强；或者

通过接通电机相的至少两个绕组绞股的所有电子开关来使并联电路运行，电流并联流经两个绕组绞股。

在另一种实施方式中，电机相的两个绕组绞股形成绕组绞股对，其中该绕组绞股对中的一个绕组绞股布置于具有两个电子开关和两个续流二极管的不对称半桥中，而第二绕组绞股布置于对称半桥中。与不对称半桥并联的第三电子开关和第四电子开关串联布置于两个供电线路之间，其中第三电子开关和第四电子开关各自与续流二极管相关联，其中第三电子开关和第四电子开关通过这些电子开关和这些续流二极管之间的中心抽头连接到续流二极管，其中如此形成的两个节点又通过分流支路连接到第一绕组绞股的下电子开关与第一绕组绞股之间构成的第三节点，其中第二绕组绞股布置于分流支路中。在此情况下，上述方法包括如下步骤：

通过接通第一绕组绞股的上方电子开关和下方第四电子开关并关断其他两个电子开关来使串联电路可选择地运行，电流经过上方电子开关进入第一绕组绞股之后流经分流支路、第二绕组绞股和第四电子开关，使得两个串联绕组绞股的绕组电流增强；或者

通过接通两个上方电子开关和与第一绕组绞股相关联的下方电子开关并关断下方第四电子开关来使并联电路运行，使得电流并联流经两个上方电子开关、两个绕组绞股然后流经第一绕组绞股的下方电子开关。

优选地，控制装置具有控制单元，尤其是微处理器或FPGA，在磁阻电机达到预定转速之后，该控制单元引发从串联到并联的切换。在高转速下，绕组绞股优选地并联运行。还可设想，根据磁阻电机的转矩或根据预定的转速梯度进行切换。

附图说明

下面结合附图详述本发明的优选实施方式。相同或功能相同的部件在附图中标有相同的附图标记。图中：

图1示出牵引电动机的开关磁阻电机的一相对称连接的串联电路布置；

图2示出图1中连接的并联电路布置；

图3示出牵引电动机的开关磁阻电机的一相不对称连接的串联电路布置；以及

图4示出图3中连接的并联电路布置。

具体实施方式

图1至图4示出牵引电动机的多相磁阻电机的电路布置，为了清楚起见，本图仅示出单独一相。每相具有至少两个绕组绞股1、2。

图1和图2示出第一种实施方式。每个绕组绞股L1、L2的功率调节元件由具有两个电子开关Q1、Q2、Q3、Q4(特别是功率半导体开关)的不对称H桥组成，这些开关例如可以从直流电压中间电路馈电，该直流电压中间电路又可由直流电压源、例如电动车的牵引蓄电池以直流电压进行供电。第一供电线路3连接到直流电压源。第二供电线路4连接到接地端。

供电线路3、4之间布置有绕组绞股L1、L2。每个绕组绞股L1、L2与上方电子开关Q1、Q3(高侧)和下方电子开关Q2、Q4(低侧)相关联。每个电子开关Q1、Q2、Q3、Q4与续流二极管D1、D2、D3、D4相关联，这些续流二极管各自与相应的电子开关Q1、Q2、Q3、Q4并联，这样，当绕组绞股L1、L2的电子开关Q1、Q2、Q3、Q4关断时，使得电流流经两个续流二极管D1、D2、D3、D4。一相的至少两个不对称H桥相互连接。为此，两个不对称H桥之间设置有分流支路5，分流支路5中布置有二极管D5。二极管D5相对于直流电压源正向偏置，与续流二极管D1、D2、D3、D4相对。分流支路5从第一绕组绞股L2与下方电子开关Q4和上方续流二极管D3的第一接点6延伸到第二绕组绞股L1与上方电子开关Q1的第二接点7，其中下方续流二极管D1与下方电子开关Q2并联布置于二极管D5和第二接点7与第二供电线路4之间。

二极管D5允许借助电子开关Q1、Q2、Q3、Q4在绕组绞股L1、L2的串联与并联之间进行切换。

图1示出上述对称连接的绕组绞股L1、L2的串联，箭头表示电流。在此状态下，第一绕组绞股L2的下方电子开关Q4和第二绕组绞股L1的上方电子开关Q1关断，另外两个电子开关Q3、Q2接通。电流流经第一绕组绞股L2、分流支路5和第二绕组绞股L1，使得串联的两个绕组绞股L1、L2的绕组电流增强。相比之下，如果所有四个电子开关Q1、Q2、Q3、Q4都接通，如图2所示，电流并联流经两个绕组绞股L1、L2。

图3和图4示出不对称相连接的第二种实施方式。如上所述，第一绕组绞股L2在不对称半桥中介于供电线路3、4之间布置有两个电子开关Q3、Q4和两个续流二极管D3、D4。与此布置并联提供了具有第二绕组绞股L1的对称半桥。

在这个对称半桥中，第三电子开关Q1和第四电子开关Q2串联布置于供电线路3、4之间，其中这两个电子开关Q1、Q2中的每一个与一个续流二极管D1、D2相关联。第三电子开关Q1和第四电子开关Q2通过电子开关Q1、Q2和续流二极管D1、D2之间的中心抽头连接到续流二极管D1、D2。这样产生的两个节点8、9又通过分流支路5连接到第一绕组绞股L2的下方电子开关Q4与第一绕组绞股L2之间构成的第三节点10。第二绕组绞股L1布置于分流支路5中。

这样，两个绕组绞股L1、L2的不对称连接允许借助电子开关Q1、Q2、Q3、Q4在绕组绞股L1、L2的串联与并联之间进行切换。图3示出绕组绞股的串联。在此状态下，第一绕组绞股L2的上方电子开关Q3和下方第四电子开关Q2接通，另外两个电子开关Q1、Q4关断。电流经过上方电子开关Q3流入第一绕组绞股L2，然后流经分流支路5或第二绕组绞股L1和第四电子开关Q2，使得串联绕组绞股L1、L2的绕组电流增强。在另一种电路状态下，如图4所示，两个上方电子开关Q1、Q3和与第一绕组绞股L2相关联的下方电子开关Q4接通。下方第四电子开关Q2关断。电流并联流经两个上方电子开关Q1、Q3、两个绕组绞股L1、L2，然后流经第一绕组绞股L2的下方电子开关Q4。关于不对称布置而言，两个绕组绞股仅需总共四个二极管。

电机一绕组相具有两个或更多个绕定子圆周对称布置且缠绕到凸极上的绕组绞股。如上所述，组成相绕组的至少两个绕组绞股互连，使得它们可以串联或并联。

绕组绞股的绕组匝数可能有所不同。在本发明范围内，绕组绞股也可以是磁极绕组对，其中绕组绞股具有相同的绕组匝数。这里，每对相对定子极的定子极绕组对互联。

一般而言，电子开关可以例如是MOSFET开关或双极晶体管，尤其是IGBT开关。

当超过额定转速时，优选地从串联切换到并联，但这也可以取决于转速梯度或负载。

如果绕组绞股串联，则可以产生更高的感应磁通，从而实现更高的转矩。另一方面，在并联情况下，电感会降低，感应的反向电压也会降低。

在牵引电动机的情况下，需要宽转速范围和高启动转矩，通过这种方式可以改进转速范围、启动转矩和机器体积的比例。该电动机能够同时针对市内运行和高速公路运行的两个转速范围进行优化。此外，也会提高低转速范围内的效率，这在机动车行车周期中占两位数的比例。

在高功率水平下，电气开关加倍以提供所需的功率，电气开关可用于实现上述绕组绞股连接而无需额外的开关。

对称连接尤其适用于高安全要求的系统，因为它提供了高度冗余。如果某一绕组绞股发生故障，则可运行其余相，从而能够以一半的相功率进行紧急操作。另一方面，不对称连接的特点是效率更高且成本更低，因为能够省去额外的二极管。