一种直流电机定子通电切换接线控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及直流电机技术领域，具体涉及一种直流电机定子通电切换接线控制系统及控制方法。


背景技术：

2.随着国家对节能减排的重视，越来越多节能高效的直流电机替代原本高耗低效的交流电机运用于各行各业。三相直流电机传统星型接法如图1和图2所示，u、v、w为电源输入端，u相包括线圈u1、u2、u3、u4，v相包括线圈v1、v2、v3、v4，w相包括线圈w1、w2、w3、w4，传统绕线通电分别为u1
→
u2
→
u3
→
u4，v1
→
v2
→
v3
→
v4,w1
→
w2
→
w3
→
w4顺序到达中性点，完成定子通电结构。
3.传统直流电机定子一旦成品性能也就确定，某些行业要求电机能高速或低速等切换运行，但当直流电机运行在差距较大工况转速时，电机无法同时维持高效状态，运行效率明显下降，运行不经济；甚至有些电机无法同时满足高速或低速等要求，需要更换不同电机。例如，洗衣机在洗涤时需要电机低速大扭矩，脱水时需要电机高速小扭矩，电机设计一般以洗涤条件优先，脱水时电机效率明显下降。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
5.一种直流电机定子通电切换接线控制系统，包括三相电机定子绕组，所述三相电机定子绕组包括u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组，所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组之间为星型连接，所述u相线圈绕组、所述v相线圈绕组和所述w相线圈绕组均包括i组等分的线圈绕组，所述u相线圈绕组的出线端、所述v相线圈绕组的出线端和所述w相线圈绕组的出线端与外部电源之间设置有第一切换回路，所述u相线圈绕组的中端、所述v相线圈绕组的中端和所述w相线圈绕组的中端与外部电源之间设置有第二切换回路，所述第一切换回路和所述第二切换回路上分别设置有切换开关。
6.本发明进一步设置为所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组上的线圈绕组均依次串联。
7.本发明进一步设置为所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组均被中端分为第一通电绕组和第二通电绕组，所述第一通电绕组上的线圈绕组之间对称设置，所述第二通电绕组上的线圈绕组之间对称设置。
8.本发明进一步设置为所述线圈绕组的组数i至少为2组，且组数i为2的整数倍。
9.本发明进一步设置为所述切换开关为继电器或接触器。
10.本发明进一步设置为所述第一切换回路和所述第二切换回路采用独立的切换开关，所述第一切换回路上的切换开关和所述第二切换回路上的切换开关互锁。
11.本发明进一步设置为所述第一切换回路和所述第二切换回路采用同一个切换开关，所述第一切换回路和所述第二切换回路分别连接切换开关的常开触点和常闭触点。
12.本发明进一步设置为还包括控制器、切换开关控制电路、信号采集电路和信号处理电路，所述信号采集电路的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述切换开关控制电路的输入端连接，所述切换开关控制电路的输出端连接所述切换开关来控制所述第一切换回路和所述第二切换回路的通断。
13.本发明进一步设置为所述信号采集电路采集电流信号、电压信号和电机转速信号中的至少一种。
14.一种直流电机定子通电切换接线控制方法，采用上述的直流电机定子通电切换接线控制系统，包括：
15.实时获取电机运行参数，根据电机运行参数得到当前电机运行效率；
16.根据电机运行效率控制第一切换回路和第二切换回路的通断，控制三相电机定子绕组的全线圈接入或等分线圈接入，提高当前电机运行效率。
17.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
18.本技术方案直流电机定子通电切换接线控制系统是对星型连接的三相电机定子绕组接线方式作了新设计，包括对u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组上全线圈绕组通电的第一切换回路以及对u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组上等分线圈绕组通电的第二切换回路，当电机使用要求在差距较大的不同性能转速下时，无需改变定子结构也无需更换电机，通过切换定子的通电位置，实现电机性能的切换，使其能同时满足不同工况下的高效运行状态，以此实现电机更大化利用，达到节能降成本效果。
19.本技术方案中u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组各相上的线圈绕组均依次串联，且u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组均被中端分为第一通电绕组和第二通电绕组，第一通电绕组上的线圈绕组之间对称设置，第二通电绕组上的线圈绕组之间对称设置，即每相上的线圈绕组采用跳跃回绕的接线顺序，使得无论第一切换回路导通还是第二切换回路导通，都能保持通电的线圈绕组的电磁场360
°
均匀分布，保证电机运行的可靠性和稳定性。
附图说明
20.图1为背景技术中12槽10极三相直流电机传统星型接法示意图。
21.图2为背景技术中12槽10极三相直流电机传统星型接法通电原理图。
22.图3为本发明实施例112槽10极三相直流电机星型接法示意图。
23.图4为本发明实施例112槽10极三相直流电机星型接法原理图。
24.图5为图3中全线圈通电时示意图。
25.图6为图3中等分线圈通电时示意图。
26.图7为本发明实施例224槽20极三相直流电机星型接法示意图。
27.图8为本发明实施例224槽20极三相直流电机星型接法原理图。
28.图9为图7中全线圈通电时示意图。
29.图10为图7中等分线圈通电时示意图。
具体实施方式
30.为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
33.实施例1
34.结合附图3至附图6，本发明技术方案是一种12槽10极直流电机定子通电切换接线控制系统，包括三相电机定子绕组，所述三相电机定子绕组包括u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组，所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组之间为星型连接，所述u相线圈绕组、所述v相线圈绕组和所述w相线圈绕组均包括4组等分的线圈绕组，所述u相线圈绕组的出线端uⅰ、所述v相线圈绕组的出线端vⅰ和所述w相线圈绕组的出线端wⅰ与外部的三相电源之间设置有第一切换回路，所述u相线圈绕组的中端uⅱ、所述v相线圈绕组的中端vⅱ和所述w相线圈绕组的中端wⅱ与外部电源之间设置有第二切换回路，所述第一切换回路和所述第二切换回路上分别设置有切换开关sa。
35.在本实施例中，三相的线圈绕组的中端并非为线圈绕组的中点，可以是线圈绕组出线端至中心点之间的任一点，以u相线圈绕组为例，中端可以是线圈绕组u2和线圈绕组u3之间的点，也可以是线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3或线圈绕组u4上的点，只要将u相线圈绕组分为两部分即可，至于这两部分的绕组圈数的多少并不进行限定，根据具体应用场景来确定中端的位置。
36.在本实施例中，所述u相线圈绕组包括线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3和线圈绕组u4，线圈绕组u1、线圈绕组u3、线圈绕组u2和线圈绕组u4依次串联；所述v相线圈绕组包括线圈绕组v1、线圈绕组v2、线圈绕组v3和线圈绕组v4，线圈绕组v1、线圈绕组v3、线圈绕组v2和线圈绕组v4依次串联；所述w相线圈绕组包括线圈绕组w1、线圈绕组w2、线圈绕组w3和线圈绕组w4，线圈绕组w1、线圈绕组w3、线圈绕组w2和线圈绕组w4依次串联。
37.在本实施例中，所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组均被中端分为第一通电绕组和第二通电绕组，所述第一通电绕组上的线圈绕组之间对称设置，所述第二通电绕组上的线圈绕组之间对称设置。
38.为了进一步说明本发明技术方案，在本实施例中以三相线圈绕组的中点为中端进行说明。
39.在上述实施例中，在u相线圈绕组中，线圈绕组u1和线圈绕组u3为第一通电绕组，线圈绕组u2和线圈绕组u4为第二通电绕组；在v相线圈绕组中，线圈绕组v1和线圈绕组v3为第一通电绕组，线圈绕组v2和线圈绕组v4为第二通电绕组；在w相线圈绕组中，线圈绕组w1和线圈绕组w3为第一通电绕组，线圈绕组w2和线圈绕组w4为第二通电绕组。
40.在上述实施例中，线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3和线圈绕组u4按顺序排布在定子铁芯上，线圈绕组v1、线圈绕组v2、线圈绕组v3和线圈绕组v4按顺序排布在定子铁芯
上，线圈绕组w1、线圈绕组w2、线圈绕组w3和线圈绕组w4按顺序排布在定子铁芯上。
41.以u相线圈绕组为例进行说明，结合附图3，线圈绕组在空间上以线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3和线圈绕组u4进行顺序排布，线圈绕组的电连接是以线圈绕组u1、线圈绕组u3、线圈绕组u2和线圈绕组u4依次串联。u相线圈绕组上的线圈绕组在实际接线时采用跳跃回绕的接线顺序，即外部电源u相连接到线圈绕组u1的进线端，线圈绕组u1的出线端连接到线圈绕组u3的进线端，线圈绕组u3的出线端连接到线圈绕组u2的进线端，线圈绕组u2的出线端连接到线圈绕组u4的进线端，线圈绕组u4的出线端连接到中心点。线圈绕组u1和线圈绕组u3在空间上对称设置，线圈绕组u2和线圈绕组u4在空间上对称设置；当第一切换回路导通时，第一通电绕组和第二通电绕组均通电，如图5所示，即线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3和线圈绕组u4均通电；当第二切换回路导通时，第一通电绕组不通电、第二通电绕组通电，如图6所示，即仅线圈绕组u2和线圈绕组u4通电；u相线圈绕组上的线圈绕组均对称导通。
42.v相线圈绕组和w相线圈绕组的导通方式同u相线圈绕组一致。因此无论第一切换回路导通还是第二切换回路导通，都能保持通电的线圈绕组的电磁场360
°
均匀分布，保证电机运行的可靠性和稳定性。
43.在本实施例中，所述切换开关为继电器或接触器；在另外的实施例中，所述切换开关还可以是其他大电流开关器件。
44.在本实施例中，所述第一切换回路和所述第二切换回路采用独立的切换开关sa，所述第一切换回路上的切换开关sa和所述第二切换回路上的切换开关sa互锁。
45.在本实施例中，所述第一切换回路和所述第二切换回路采用同一个切换开关sa，所述第一切换回路和所述第二切换回路分别连接切换开关sa的常开触点和常闭触点。
46.上述无论第一切换回路和第二切换回路采用独立且互锁的切换开关还是采用同一个切换开关，都能实现本发明对电极定子线圈绕组的切换，确保只有一个切换回路导通。
47.在本实施例中，还包括控制器、切换开关控制电路、信号采集电路和信号处理电路，所述信号采集电路的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述切换开关控制电路的输入端连接，所述切换开关控制电路的输出端连接所述切换开关来控制所述第一切换回路和所述第二切换回路的通断。
48.在本实施例中，所述信号采集电路采集电流信号、电压信号和电机转速信号中的至少一种。
49.在上述实施例中，控制器通过采集电机运行过程中的电流信号、电压信号和电机转速信号中的至少一种，进而判断电机运行效率。
50.在上述实施例中，电流信号的采样采用电流信号采集电路，电压信号的采样采用电压信号采集电路，电机转速信号的采样采用光电传感器、磁电传感器或霍尔传感器。
51.本实施例中，当第一切换回路的切换开关sa通电时，三相电机定子绕组为全线圈绕组接入，即线圈绕组u1～u4、线圈绕组v1～v4、线圈绕组w1～w4均通电；当第二切换回路的切换开关sa通电时，三相电机定子绕组为等分线圈绕组接入，即线圈绕组u2和u4、线圈绕组v2和v4、线圈绕组w2和w4通电。
52.本发明在电机使用要求在差距较大的不同性能转速下时，无需改变定子结构也无需更换电机，通过切换定子的通电位置，实现电机性能的切换，使其能同时满足不同工况下
的高效运行状态，以此实现电机更大化利用，达到节能降成本效果。
53.实施例2
54.结合附图7至附图10，本发明技术方案是一种24槽20极直流电机定子通电切换接线控制系统，包括三相电机定子绕组，所述三相电机定子绕组包括u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组，所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组之间为星型连接，所述u相线圈绕组、所述v相线圈绕组和所述w相线圈绕组均包括8组等分的线圈绕组，所述u相线圈绕组的出线端uⅰ、所述v相线圈绕组的出线端vⅰ和所述w相线圈绕组的出线端wⅰ与外部的三相电源之间设置有第一切换回路，所述u相线圈绕组的中端uⅱ、所述v相线圈绕组的中端vⅱ和所述w相线圈绕组的中端wⅱ与外部电源之间设置有第二切换回路，所述第一切换回路和所述第二切换回路上分别设置有切换开关sa。
55.在本实施例中，所述u相线圈绕组包括线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3、线圈绕组u4、线圈绕组u5、线圈绕组u6、线圈绕组u7和线圈绕组u8，线圈绕组u1、线圈绕组u3、线圈绕组u5、线圈绕组u7、线圈绕组u2、线圈绕组u4、线圈绕组u6和线圈绕组u8依次串联；所述v相线圈绕组包括线圈绕组v1、线圈绕组v2、线圈绕组v3、线圈绕组v4、线圈绕组v5、线圈绕组v6、线圈绕组v7和线圈绕组v8，线圈绕组v1、线圈绕组v3、线圈绕组v5、线圈绕组v7、线圈绕组v2、线圈绕组v4、线圈绕组v6和线圈绕组v8依次串联；所述w相线圈绕组包括线圈绕组w1、线圈绕组w2、线圈绕组w3、线圈绕组w4、线圈绕组w5、线圈绕组w6、线圈绕组w7和线圈绕组w8，线圈绕组w1、线圈绕组w3、线圈绕组w5、线圈绕组w7、线圈绕组w2、线圈绕组w4、线圈绕组w6和线圈绕组w8依次串联。
56.在本实施例中，所述u相线圈绕组、v相线圈绕组和w相线圈绕组均被中端分为第一通电绕组和第二通电绕组，所述第一通电绕组上的线圈绕组之间对称设置，所述第二通电绕组上的线圈绕组之间对称设置。
57.在上述实施例中，在u相线圈绕组中，线圈绕组u1、线圈绕组u3、线圈绕组u5和线圈绕组u7为第一通电绕组，线圈绕组u2、线圈绕组u4、线圈绕组u6和线圈绕组u8为第二通电绕组；在v相线圈绕组中，线圈绕组v1、线圈绕组v3、线圈绕组v5和线圈绕组v7为第一通电绕组，线圈绕组v2、线圈绕组v4、线圈绕组v6和线圈绕组v8为第二通电绕组；在w相线圈绕组中，线圈绕组w1、线圈绕组w3、线圈绕组w5和线圈绕组w7为第一通电绕组，线圈绕组w2、线圈绕组w4、线圈绕组w6和线圈绕组w8为第二通电绕组。
58.在上述实施例中，线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3、线圈绕组u4、线圈绕组u5、线圈绕组u6、线圈绕组u7和线圈绕组u8按顺序排布在定子铁芯上，线圈绕组v1、线圈绕组v2、线圈绕组v3、线圈绕组v4、线圈绕组v5、线圈绕组v6、线圈绕组v7和线圈绕组v8按顺序排布在定子铁芯上，线圈绕组w1、线圈绕组w2、线圈绕组w3、线圈绕组w4、线圈绕组w5、线圈绕组w6、线圈绕组w7和线圈绕组w8按顺序排布在定子铁芯上。
59.以u相线圈绕组为例进行说明，结合附图7，线圈绕组在空间上以线圈绕组u1、线圈绕组u2、线圈绕组u3、线圈绕组u4、线圈绕组u5、线圈绕组u6、线圈绕组u7和线圈绕组u8进行顺序排布，线圈绕组的电连接是以线圈绕组u1、线圈绕组u3、线圈绕组u5、线圈绕组u7、线圈绕组u2、线圈绕组u4、线圈绕组u6和线圈绕组u8依次串联。u相线圈绕组上的线圈绕组在实际接线时采用跳跃回绕的接线顺序，即外部电源u相连接到线圈绕组u1的进线端，线圈绕组u1的出线端连接到线圈绕组u3的进线端，线圈绕组u3的出线端连接到线圈绕组u5的进线端，线圈
绕组u5的出线端连接到线圈绕组u7的进线端，线圈绕组u7的出线端连接到线圈绕组u2的进线端,线圈绕组u2的出线端连接到线圈绕组u4的进线端,线圈绕组u4的出线端连接到线圈绕组u6的进线端,线圈绕组u6的出线端连接到线圈绕组u8的进线端,线圈绕组u8的出线端连接到中心点。线圈绕组u1和线圈绕组u5在空间上对称设置，线圈绕组u2和线圈绕组u6在空间上对称设置，线圈绕组u3和线圈绕组u7在空间上对称设置，线圈绕组u4和线圈绕组u8在空间上对称设置；当第一切换回路导通时，第一通电绕组和第二通电绕组均通电，如图9所示，即线圈绕组u1、线圈绕组u3、线圈绕组u5、线圈绕组u7、线圈绕组u2、线圈绕组u4、线圈绕组u6和线圈绕组u8均通电；当第二切换回路导通时，第一通电绕组不通电、第二通电绕组通电，如图10所示，即仅线圈绕组u2、线圈绕组u4、线圈绕组u6和线圈绕组u8通电；u相线圈绕组上的线圈绕组均对称导通。
60.v相线圈绕组和w相线圈绕组的导通方式同u相线圈绕组一致。因此无论第一切换回路导通还是第二切换回路导通，都能保持通电的线圈绕组的电磁场360
°
均匀分布，保证电机运行的可靠性和稳定性。
61.在本实施例中，所述切换开关为继电器或接触器；在另外的实施例中，所述切换开关还可以是其他大电流开关器件。
62.在本实施例中，所述第一切换回路和所述第二切换回路采用独立的切换开关sa，所述第一切换回路上的切换开关sa和所述第二切换回路上的切换开关sa互锁。
63.在本实施例中，所述第一切换回路和所述第二切换回路采用同一个切换开关sa，所述第一切换回路和所述第二切换回路分别连接切换开关sa的常开触点和常闭触点。
64.上述无论第一切换回路和第二切换回路采用独立且互锁的切换开关还是采用同一个切换开关，都能实现本发明对电极定子线圈绕组的切换，确保只有一个切换回路导通。
65.在本实施例中，还包括控制器、切换开关控制电路、信号采集电路和信号处理电路，所述信号采集电路的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述切换开关控制电路的输入端连接，所述切换开关控制电路的输出端连接所述切换开关来控制所述第一切换回路和所述第二切换回路的通断。
66.在本实施例中，所述信号采集电路采集电流信号、电压信号和电机转速信号中的至少一种。
67.在上述实施例中，控制器通过采集电机运行过程中的电流信号、电压信号和电机转速信号中的至少一种，进而判断电机运行效率。
68.在上述实施例中，电流信号的采样采用电流信号采集电路，电压信号的采样采用电压信号采集电路，电机转速信号的采样采用光电传感器、磁电传感器或霍尔传感器。
69.本实施例中，当第一切换回路的切换开关sa通电时，三相电机定子绕组为全线圈绕组接入，即线圈绕组u1～u8、线圈绕组v1～v8、线圈绕组w1～w8均通电；当第二切换回路的切换开关sa通电时，三相电机定子绕组为等分线圈绕组接入，即线圈绕组u2、u4、u6、u8、v2、v4、v6、v8、w2、w4、w6、w8通电。
70.在另外的实施例中，直流电机定子通电切换接线控制系统也适用于18槽直流电机，只要符合绕线通电等分结构都可适用本发明，实施例不再展开赘述。
71.实施例3
72.一种直流电机定子通电切换接线控制方法，采用实施例1或实施例2所述的直流电机定子通电切换接线控制系统，包括：
73.实时获取电机运行参数，根据电机运行参数得到当前电机运行效率；
74.根据电机运行效率控制第一切换回路和第二切换回路的通断，控制三相电机定子绕组的全线圈接入或等分线圈接入，提高当前电机运行效率。
75.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。