一種變結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種變結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)，屬于電機(jī)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(jī)系統(tǒng)尤其是永磁電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合 不斷擴(kuò)大，比如現(xiàn)在發(fā)展出來(lái)的全電汽車、全電坦克、全電艦船等，電機(jī)系統(tǒng)作為上述系統(tǒng) 的關(guān)鍵動(dòng)力機(jī)構(gòu)和推進(jìn)動(dòng)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(huì)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(jī)系統(tǒng)滿足不同的驅(qū)動(dòng)工況要求，通常采用兩臺(tái)電機(jī)+ 離合器結(jié)構(gòu)，比如高速電機(jī)+低速電機(jī)通過(guò)離合器，根據(jù)不同的工況需求，切換相應(yīng)的電機(jī) 進(jìn)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(tái)電機(jī)不是同時(shí)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(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械震動(dòng)和噪聲。
[0004] 電機(jī)系統(tǒng)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核屯、關(guān)鍵子系統(tǒng)，其性能決定和影響著機(jī)電能 量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能。如何從根本上解決上述矛盾，讓電機(jī)系統(tǒng)既能夠滿足多工況需求是本 領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)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，提供一種結(jié)構(gòu)可變、功率密度高、具有容 錯(cuò)能力的高可靠變結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明目的通過(guò)如下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0007] 提供一種變結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)，包括主控制器、第一驅(qū)動(dòng)器、電流采集模塊和獨(dú)立繞組 電機(jī)；
[0008] 所述電流采集模塊采集獨(dú)立繞組電機(jī)每個(gè)繞組輸出的電流并傳輸給主控制器； W09] 獨(dú)立繞組電機(jī)具有2N個(gè)繞組，N > 2 ;
[0010] 所述第一驅(qū)動(dòng)器包括功率管驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、功率管組和電源開關(guān)組；
[0011] 功率管組包括4N個(gè)H橋臂；每個(gè)H橋臂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；
[0012] 電源開關(guān)組包括電源組和4N個(gè)功率開關(guān)；電源組包括N個(gè)直流功率電源，每個(gè)直 流功率電源具有正輸出端子和負(fù)輸出端子；
[0013] 第i個(gè)直流功率電源的正輸出端子連接第i個(gè)和第2N+i個(gè)功率開關(guān)的第一接入 端，第i個(gè)功率開關(guān)的第二接入端連接第iQl個(gè)和第Ql個(gè)第一功率管的漏極，第iQl個(gè)第一 功率管的源極與獨(dú)立繞組電機(jī)的第i個(gè)繞組的第一端相連，第（N+i)Ql個(gè)第一功率管的源 極與獨(dú)立繞組電機(jī)的第N+i個(gè)繞組的第一端相連；第i個(gè)直流功率電源的負(fù)輸出端子連接 第N+i個(gè)和第3N+i個(gè)功率開關(guān)的第一接入端，第N+i個(gè)功率開關(guān)的第二接入端連接第iQ4 個(gè)和第（N+i) Q4個(gè)第二功率管的源極，第3N+i個(gè)功率開關(guān)的第二接入端連接第iQ2個(gè)和第 (N+i)Q2個(gè)第二功率管的源極；第2N+i個(gè)功率開關(guān)巧I)的第二接入端連接第iQ3個(gè)和第 (N+i)Q3個(gè)第一功率管的漏極，第iQ3個(gè)第一功率管的源極與獨(dú)立繞組電機(jī)（30)的第i個(gè) 繞組的第二端相連，第（N+i) Q3個(gè)第一功率管的源極與獨(dú)立繞組電機(jī)的第N+i個(gè)繞組的第 二端相連；1《i《N-I ;
[0014] 所述功率管驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)主控制器發(fā)送的控制命令驅(qū)動(dòng)功率管組中的第一功率管 和第二功率管；
[0015] 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)主控制器發(fā)送的控制命令驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)組中的4N個(gè)功率開關(guān)；
[0016] 所述主控制器接收每個(gè)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(shí)，診斷出故障位置和故障類型，并通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)；接收 上位機(jī)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(dòng)器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。
[0017] 優(yōu)選的，所述第一驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制指令能夠構(gòu)成N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或2N個(gè)H 橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2N個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成方式為：開啟4N個(gè)功率開關(guān)W及全部第 一功率管和第二功率管；N個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成方式為：開啟iQl、iQ4、（N+i) Ql和 (N+U Q4 ;且開啟第I到N和第N+1到2N個(gè)功率開關(guān)，關(guān)閉第2N+1到3N和第3N+1到4N個(gè) 功率開關(guān)；并且關(guān)閉iQ3和（N+i)Q3,開啟iQ2和（N+i)Q2,或者開啟iQ3和（N+i)Q3,關(guān)閉 iQ2和（N+UQ2,實(shí)現(xiàn)第i個(gè)繞組和第N+i個(gè)繞組的串聯(lián)。
[001引優(yōu)選的，所述第一驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制指令能夠構(gòu)成N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或2N個(gè)H 橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2N個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成方式為：開啟4N個(gè)功率開關(guān)W及全部第 一功率管和第二功率管；N個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成方式為：開啟iQ2、iQ3、（N+i) Q2和 (N+i)Q3 ;并關(guān)閉第I到N和第N+1到2N個(gè)功率開關(guān)巧1)，開啟第2N+1到3N和第3N+1到 4N個(gè)功率開關(guān)巧l);并且關(guān)閉iQl和（N+i)Ql，開啟iQ4和（N+i)Q4，或者開啟iQl和（N+i) Q1，關(guān)閉iQ4和（N+i)Q4,實(shí)現(xiàn)第i個(gè)繞組和第N+i個(gè)繞組的串聯(lián)。
[0019] 優(yōu)選的，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)的方式為：當(dāng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為N個(gè)H 橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞組連接H橋臂和關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞 組連接功率開關(guān)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在的支路上繞組 連接的H橋臂。
[0020] 優(yōu)選的，所述第一驅(qū)動(dòng)器還包括過(guò)流保護(hù)模塊和可編程邏輯控制器，可編程邏輯 控制器接收主控制器發(fā)送的控制命令并發(fā)送給H橋臂和電源開關(guān)組；所述電流采集模塊采 集獨(dú)立繞組電機(jī)每相繞組輸出的電流還傳輸給第一驅(qū)動(dòng)器的過(guò)流保護(hù)模塊，當(dāng)某相某個(gè)繞 組輸出的電流超過(guò)設(shè)定電流闊值時(shí)，過(guò)流保護(hù)模塊將該繞組的過(guò)流信號(hào)輸出給可編程邏輯 控制器；當(dāng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞組連接H橋 臂和關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞組連接功率開關(guān)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，關(guān)閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂。
[0021] 優(yōu)選的，所述第一驅(qū)動(dòng)器還包括過(guò)熱保護(hù)模塊，過(guò)熱保護(hù)模塊采集獨(dú)立繞組電機(jī) 每相繞組的溫度，當(dāng)某相某個(gè)繞組輸出的溫度超過(guò)設(shè)定溫度闊值時(shí)，過(guò)熱保護(hù)模塊將該相 繞組的過(guò)熱信號(hào)輸出給可編程邏輯控制器，當(dāng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉 故障所在支路的兩個(gè)繞組連接H橋臂和關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞組連接功率開關(guān)；當(dāng)驅(qū) 動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂。
[0022] 優(yōu)選的，所述電流闊值為繞組額定輸出的電流值的2-5倍；優(yōu)選的，所述溫度闊值 為 150。~200。。
[0023] 優(yōu)選的，主控制器發(fā)送的控制指令包括N個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、H橋并聯(lián)輕載驅(qū)動(dòng) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、H橋并聯(lián)正常驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、H橋并聯(lián)重載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制指令為H橋并聯(lián) 輕載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開啟4N個(gè)功率開關(guān)，開啟繞組IW-NW兩端連接的H橋臂，或者開啟繞組 (N+DW-2NW兩端連接的H橋臂；控制指令為H橋并聯(lián)正常驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，開啟4N個(gè)功率 開關(guān)，開啟全部H橋臂，H橋臂的開啟時(shí)間為30% -60% ;控制指令為H橋并聯(lián)重載驅(qū)動(dòng)拓 撲結(jié)構(gòu)時(shí)，開啟4N個(gè)功率開關(guān)，開啟全部H橋臂，H橋臂的開啟時(shí)間為70% W上。
[0024] 優(yōu)選的，故障診斷算法具體步驟為：
[0025] 1)電流傳感器實(shí)時(shí)采集的各相電流，將各相電流進(jìn)行平方處理，并將相鄰兩相電 流平方進(jìn)行做差求得各相電流相互殘差；
[00%] 2)對(duì)正常時(shí)各相電流相互殘差進(jìn)行范數(shù)計(jì)算或數(shù)學(xué)期望計(jì)算，建立正常各相電流 相互殘差時(shí)范數(shù)值表或數(shù)學(xué)期望值表；
[0027] 3)對(duì)步驟1)得到的各相電流相互殘差進(jìn)行范數(shù)計(jì)算或數(shù)學(xué)期望計(jì)算，通過(guò)實(shí)時(shí) 對(duì)比各相電流相互殘差范數(shù)值或數(shù)學(xué)期望值與正常時(shí)各相電流相互殘差時(shí)范數(shù)值或數(shù)學(xué) 期望值，判定故障類型和發(fā)生故障的具體位置，并實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和隔離。
[0028] 優(yōu)選的，根據(jù)數(shù)學(xué)期望值判定故障類型和發(fā)生位置的具體方法為：
[00巧]若電流相數(shù)為奇數(shù)，
[0030]
[0031] 若電流相數(shù)為偶數(shù)，
[0032]
[0033] 優(yōu)選的，根據(jù)范數(shù)值判定故障類型和發(fā)生位置的具體方法為：
[0034] 若電流相數(shù)為奇數(shù)，
[0035]
[0036] 若電流相數(shù)為偶數(shù)，
[0037]
[0038] 優(yōu)選的，主控制器發(fā)現(xiàn)存在繞組或功率管組中的功率管故障后，如果為N個(gè)H橋驅(qū) 動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞組連接H橋臂和關(guān)閉故障所在支路的兩個(gè)繞組連 接功率開關(guān)，并采取保持故障前后磁動(dòng)勢(shì)不變的策略，調(diào)整非故障相的輸出電流幅值和相 位；如果為H橋并聯(lián)輕載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂，開啟另 一組中與該繞組功能相同繞組連接的H橋臂，或者將整組功率管關(guān)閉，開啟另外一組H橋 并聯(lián)輕載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；如果為H橋并聯(lián)正常驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在的支路上繞組 連接的H橋臂，調(diào)整與故障相功能相同的非故障相的輸出電流幅值加倍，相位不變；如果為 H橋并聯(lián)重載驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂，調(diào)整與故障相功能 相同的非故障相的輸出電流幅值加倍，相位不變。
[0039] 優(yōu)選的，當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)器的體積或重量超過(guò)設(shè)定闊值時(shí)，所述第一驅(qū)動(dòng)器替換為第 二驅(qū)動(dòng)器；
[0040] 所述第二驅(qū)動(dòng)器包括功率管驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、功率開關(guān)組和2N個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)單 元；
[0041] 每個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)單元連接一個(gè)繞組的第一連接端，提供繞組驅(qū)動(dòng)電流；
[0042] 所述功率開關(guān)組包括多個(gè)功率開關(guān)，構(gòu)成N-I個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元和一個(gè)獨(dú)立開關(guān)， 開關(guān)串聯(lián)單元包括依次串聯(lián)的第一開關(guān)、第二開關(guān)和第=開關(guān)，第一開關(guān)的一端作為第一 獨(dú)立端，第一開關(guān)另一端與第二開關(guān)一端連接，連接端作為第一公共端，第二開關(guān)的另一端 與第=開關(guān)的一端連接，連接端作為第二公共端，第=開關(guān)的另一端作為第二獨(dú)立端；第i 個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元的第一公共端連接第i+1個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元的第一獨(dú)立端和第i+1個(gè)繞組的 第二端；第i個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元的第二公共端連接第i+1個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元的第二獨(dú)立端和第 N+i+1個(gè)繞組的第二端；獨(dú)立開關(guān)的第一端連接第一個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元的第一獨(dú)立端和第1 個(gè)繞組的第二端，獨(dú)立開關(guān)的第二端連接第1個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元的第二獨(dú)立端和第N+1個(gè)繞 組的第二端；其中
[0043] 驅(qū)動(dòng)單元控制器，根據(jù)控制命令控制2N個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)單元是否提供繞組驅(qū)動(dòng)電流；
[0044] 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制命令控制功率開關(guān)組中的功率開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷。
[0045] 優(yōu)選的，所述繞組驅(qū)動(dòng)單元，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，第一功率管的漏極連接電源端，第二功率管的源極接地，第一功率管 和第二功率管的柵極作為控制端，第一功率管的源極還與獨(dú)立繞組電機(jī)的一個(gè)繞組的第一 端相連。
[0046] 優(yōu)選的，第二驅(qū)動(dòng)器還包括可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器接收主控制器 發(fā)送的控制命令并發(fā)送給功率管驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。
[0047] 優(yōu)選的，所述的功率開關(guān)組根據(jù)控制指令，能夠構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星形驅(qū)動(dòng) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法為：開啟一個(gè)獨(dú)立開關(guān)和每個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元中的 第二開關(guān)，關(guān)閉每個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元中的第一開關(guān)和第=開關(guān)；構(gòu)成星形驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方 法為：開啟每個(gè)開關(guān)串聯(lián)單元中的第一開關(guān)和/或第=開關(guān)，關(guān)閉一個(gè)獨(dú)立開關(guān)和每個(gè)開 關(guān)串聯(lián)單元中的第二開關(guān)