《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》是珠海格力電器股份有限公司於2012年2月20日申請的專利，該專利的公布號為CN102761300A，申請公布日為2012年10月31日，發明人是陳洪濤。
《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》所述電機包括定子三相繞組、轉子和變頻器，所述繞組預熱方法包括如下步驟：（1）通過所述變頻器使定子三相繞組的合成磁場F方向不變，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F方向平行，從而使所述轉子定位；（2）所述轉子定位後，所述變頻器輸出電流，使所述定子三相繞組預熱。該發明所提供的永磁同步電機繞組預熱的方法，在不增加外部輔助預熱裝置的前提下，實現在低溫環境下對電機繞組進行定位預熱，以確保電機在合適的繞組溫度下起動，降低了電機啟動失敗的機率，消除啟動時的過沖電流，可以更好地保護電機，提高其可靠性，延長使用壽命。
2020年11月，《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》獲得第六屆廣東專利獎金獎。
（概述圖為《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法
- 申請人：珠海格力電器股份有限公司
- 申請日：2012年2月20日
- 申請號：2012100387250
- 公布號：CN102761300A
- 公布日：2012年10月31日
- 發明人：陳洪濤
- 地址：廣東省珠海市前山金雞西路六號
- 分類號：H02P6/00(2006.01)I、H02P6/20(2006.01)I
- 代理機構：廣州華進聯合專利商標代理有限公司
- 代理人：王昕、李雙皓
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2012年前，有的空調散熱風機和壓縮機的電機為無位置感測器永磁同步電機，無位置感測器永磁同步電機在冬天低溫環境下（零下20℃）長期放置後，電機繞組線圈處於低溫凍結狀態，繞組參數出現變化。由於電機起動前，轉子位置是未知的，需要根據其繞組參數對轉子位置進行估算，如果繞組參數出現變化和轉子位置不固定時，開機後若強行啟動電機，容易檢測不到轉子位置，導致出現啟動失敗，甚至損壞電機。
2012年2月之前的技術對繞組的預熱採用外加輔助預熱裝置或者保溫裝置維持繞組溫度在可啟動溫度範圍，外加輔助預熱裝置增加電機的成本和體積，同時對繞組的預熱不可控制，影響電機的可靠啟動。採用繞組自預熱裝置的電機，在繞組預熱過程中，轉子出現抖動，損壞電機且繞組的預熱不均勻。
發明內容
專利目的
《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》所要解決的第一個技術問題在於，提供一種永磁同步電機繞組預熱的方法，其在不增加外部輔助預熱裝置的前提下，在低溫環境下保證電機三相繞組預熱均勻，防止在繞組預熱時轉子抖動影響電機，使電機在合適的繞組溫度下起動，提高電機轉子定位的可靠性，進而提高電機啟動的可靠性，更好地保護電機，延長其使用壽命。該發明所要解決的第二個技術問題在於，提供一種永磁同步電機的啟動方法，其在不增加外部輔助預熱裝置的前提下，在低溫環境下保證電機三相繞組預熱均勻，防止在繞組預熱時轉子抖動影響電機，使電機在合適的繞組溫度下起動，提高電機轉子定位的可靠性，進而提高電機啟動的可靠性，更好地保護電機，延長其使用壽命。
技術方案
《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》解決上述第一個技術問題採用的技術方案是：一種永磁同步電機繞組預熱的方法，所述電機包括定子三相繞組、轉子和變頻器，所述方法包括如下步驟：
（1）通過所述變頻器使所述定子三相繞組的合成磁場F1方向不變，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F1方向平行，從而使所述轉子定位；
（2）所述轉子定位後，所述變頻器輸出直流電流，對所述定子三相繞組進行第一次預熱；
（3）通過所述變頻器使所述定子三相繞組合成磁場F2方向在F1方向基礎上轉動120°，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F2方向平行，所述轉子定位後，所述變頻器輸出直流電流，對所述定子三相繞組進行第二次預熱；
（4）通過所述變頻器使所述定子三相繞組合成磁場F3方向在F2方向基礎上同向轉動120°，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F3方向平行，所述轉子定位後，所述變頻器輸出直流電流，對所述定子三相繞組進行第三次預熱。
優選的，所述步驟（1）中，所述變頻器輸出的轉矩的大小先變大再變小。=優選的，所述步驟（1）中，所述變頻器輸出的轉矩呈正弦半波變化。優選的，在對三相繞組預熱過程中，所述定子三相繞組的合成磁場的方向不變。
優選的，所述定子三相繞組包括第一相繞組、第二相繞組和第三相繞組，所述步驟（2）中，其中第一相繞組中的直流電流值為第二相繞組和第三相繞組中的直流電流值之和，且第二相繞組和第三相繞組中的直流電流大小相等。優選的，所述定子三相繞組包括第一相繞組、第二相繞組和第三相繞組，所述步驟（3）中，其中第二相繞組中的直流電流值為第一相繞組和第三相繞組中的直流電流值之和，且第一相繞組和第三相繞組中的直流電流大小相等。
優選的，所述定子三相繞組包括第一相繞組、第二相繞組和第三相繞組，所述步驟（4）中，其中第三相繞組中的直流電流值為第一相繞組和第二相繞組中的直流電流值之和，且第一相繞組和第二相繞組中的直流電流大小相等。優選的，步驟（2）、步驟（3）和步驟（4）中繞組的預熱時間相等。
該發明解決上述第二個技術問題採用的技術方案是：一種永磁同步電機的啟動方法，所述永磁同步電機的在啟動前採用上述的繞組預熱方法對繞組進行預熱，預熱T秒後啟動。
眾所周知，永磁同步電機的定子三相繞組在空間上相差120°，當定子三相繞組輸入三相對稱電流時，在三相定子繞組中就會產生合成磁場F（如圖1所示）。隨著時間的變化，合成磁場F也在旋轉，電流交變一周期，合成磁場F也旋轉一周，在旋轉的過程中，合成磁感應強度不變。由於永磁同步電機的轉子為永磁鐵，轉子磁場與定子旋轉磁場的相互作用，使轉子隨著定子旋轉磁場以相同的速度同步旋轉，從而控制永磁同步電機的運轉。
由上可知，可通過變頻器控制定子三相繞組中的電流，使合成磁場F方向不變（也即是旋轉磁場的轉速為零）。由於合成磁場F方向保持不變，可通過變頻器輸出轉矩，拖動轉子轉到合成磁場方向，使磁場F方向與轉子磁場方向平行（如圖2所示），這時，由於變頻器輸出的電流固定，合成磁場方向與轉子磁場方向平行，轉子所受力矩為零，因此轉子也不會轉動，從而可以避免轉子在繞組預熱的過程中出現反覆轉動。然後，再通過變頻器輸出電流給定子三相繞組預熱。
改善效果
《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》所提供的永磁同步電機繞組預熱的方法，在不增加外部輔助預熱裝置的前提下，實現在低溫環境下對電機繞組進行定位預熱，防止轉子在繞組預熱時的反覆轉動，使得三相繞組的預熱更均勻，確保電機在合適的繞組溫度下起動，降低了電機啟動失敗的機率，消除啟動時的過沖電流，可以更好地保護電機，提高其可靠性，延長使用壽命。
附圖說明
圖1是永磁同步電機ABC坐標系與轉子的關係；
圖2是定子三相繞組的合成磁場F方向與轉子磁場方向平行；
圖3是該發明永磁同步電機繞組預熱的方法單個周期繞組預熱過程；
圖4是該發明永磁同步電機繞組預熱的方法三相繞組預熱全過程；
圖5是電機控制電路圖。
權利要求
1.一種永磁同步電機的繞組預熱方法，所述電機包括定子三相繞組、轉子和變頻器，其特徵在於，所述方法包括如下步驟：
（1）通過所述變頻器使所述定子三相繞組的合成磁場F1方向不變，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F1方向平行，從而使所述轉子定位；
（2）所述轉子定位後，所述變頻器輸出直流電流，對所述定子三相繞組進行第一次預熱；
（3）通過所述變頻器使所述定子三相繞組合成磁場F2方向在F1方向基礎上轉動120°，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F2方向平行，所述轉子定位後，所述變頻器輸出直流電流，對所述定子三相繞組進行第二次預熱；
（4）通過所述變頻器使所述定子三相繞組合成磁場F3方向在F2方向基礎上同向轉動120°，再通過所述變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F3方向平行，所述轉子定位後，所述變頻器輸出直流電流，對所述定子三相繞組進行第三次預熱。
2.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，所述步驟（1）中，所述變頻器輸出的轉矩的大小先變大再變小。
3.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，所述步驟（1）中，所述變頻器輸出的轉矩呈正弦半波變化。
4.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，在對三相繞組預熱過程中，所述定子三相繞組的合成磁場的方向不變。
5.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，所述定子三相繞組包括第一相繞組、第二相繞組和第三相繞組，所述步驟（2）中，其中第一相繞組中的直流電流值為第二相繞組和第三相繞組中的直流電流值之和，且第二相繞組和第三相繞組中的直流電流大小相等。
6.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，所述定子三相繞組包括第一相繞組、第二相繞組和第三相繞組，所述步驟（3）中，其中第二相繞組中的直流電流值為第一相繞組和第三相繞組中的直流電流值之和，且第一相繞組和第三相繞組中的直流電流大小相等。
7.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，所述定子三相繞組包括第 一相繞組、第二相繞組和第三相繞組，所述步驟（4）中，其中第三相繞組中的直流電流值為第一相繞組和第二相繞組中的直流電流值之和，且第一相繞組和第二相繞組中的直流電流大小相等。
8.根據權利要求1所述的永磁同步電機的繞組預熱方法，其特徵在於，步驟（2）、步驟（3）和步驟（4）中繞組的預熱時間相等。
9.一種永磁同步電機的啟動方法，其特徵在於，所述永磁同步電機的在啟動前採用權利要求1至8任一項所述的繞組預熱方法對繞組進行預熱，預熱T秒後啟動。
實施方式
《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》所提供的永磁同步電機繞組預熱的方法，在不增加外部輔助預熱裝置的前提下，可以實現在低溫環境下對包括但不限於變頻壓縮機和變頻風機的繞組進行定位均勻預熱。預熱全過程分為轉子定位和繞組預熱兩部分，為了達到均勻預熱的效果，該實施例對轉子進行3次定位和3次預熱，因此，指定合成磁場F方向也為3個，分別為F1方向、F2方向和F3方向，以逆時針方向為正，合成磁場F1方向為0°，合成磁場F2方向為120°，合成磁場F3方向為240°。當流經第一相繞組的電流等於第二相繞組電流與第三相繞組電流之和時，此時，定義合成磁場的方向為0°，當流經第二相繞組的電流等於流經第一相繞組和第三相繞組的電流之和時，定位為合成磁場的方向為120°，當流經第三相繞組的電流等於流經第一相繞組電流和第二相電流之和時，定義合成磁場的方向為240°。參見圖3及圖4，該實施例的永磁同步電機繞組預熱的方法具體步驟如下：
一、第一次轉子定位和第一次繞組預熱
（1）第一次轉子定位：通過變頻器使定子三相繞組的合成磁場F1方向不變，再通過變頻器輸出轉矩拖動所述轉子轉動，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F1方向平行，從而使所述轉子第一次定位。優選的，所述變頻器輸出的轉矩的大小先逐漸變大再逐漸變小。進一步的，所述變頻器輸出的轉矩呈正弦半波變化。該發明中拖動轉子轉動的轉矩有多種實現方式，採用正弦變化的優點在於：轉子定位的輸出力矩大小按正弦半波變化，先緩慢增大，再緩慢減小，可以平緩力矩輸出，定位過程中電機不會產生突然抖動現象。
（2）第一次繞組預熱：轉子第一次定位後，變頻器輸出電流，使定子三相繞組預熱。優選的，預熱時，變頻器輸出的電流優選為直流電流，直流電流的大小和時間由繞組溫升決定。進一步優選的，預熱過程中，所述定子三相繞組的合成磁場F的大小不變，從而使流過定子三相繞組的電流只在繞組上產生熱量而不產生轉矩。該實施例中，為了便於說明該發明的內容，以U相繞組為第一相繞組，V相繞組為第二相繞組，W相繞組為第三相繞組；U相繞組中的電流為V相繞組和W繞組中的電流之和，且V相繞組和W相繞組中的電流的大小相等方向相同。根據電機的控制電路圖（如圖5所示），預熱時，控制晶片輸出PWM（脈寬調製）信號，開通IPM模組U相上橋臂的IGBT和V相、W相下橋臂的IGBT，即圖5中的a、b′和c′三個IGBT導通。此時流過電機U相繞組的電流等於V相和W相繞組的電流之和（IU＝IV+IW），而流過V相和W相的電流相等（IV＝IW）。由於控制的信號持續存在，流過繞組的電流的大小和方向是不變的，通過直流電流在繞組上產生的熱量實現繞組預熱。
按步驟（2）完成了第一次轉子定位和第一次繞組預熱後，由於流過U相繞組的電流為V相繞組和W相繞組的2倍，因此其溫度要高很多。
二、第二次轉子定位和第二次繞組預熱
（3）第二次轉子定位：通過變頻器使定子三相繞組的合成磁場F1方向沿逆時針方向旋轉120度（即合成磁場F2方向），再通過變頻器輸出正弦半波轉矩拖動轉子，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F2方向平行，使轉子第二次定位；
（4）第二次繞組預熱：轉子第二次定位後，變頻器輸出直流電流，使定子三相繞組預熱。該實施例中，控制晶片輸出PWM（脈寬調製）信號，開通IPM模組V相上橋臂的IGBT和U相、W相下橋臂的IGBT，即圖5中的b、a′和c′三個IGBT導通。此時流過電機V相繞組的電流等於U相和W相繞組的電流之和（IV＝IU+IW），而流過U相和W相的電流相等（IU＝IW）。
按步驟（4）完成了第二次轉子定位和第二次繞組預熱後，由於流過V相繞組的電流為U相繞組和W相繞組的2倍，此時U相和V相繞組溫度幾乎相等，且比W相繞組溫度高很多。
三、第三次轉子定位和第三次繞組預熱
（5）第三次轉子定位：通過變頻器使定子三相繞組的合成磁場F2方向沿逆時針方向旋轉120度（即合成磁場F3方向），再通過變頻器輸出正弦轉矩拖動轉子，使所述轉子的磁場方向與所述定子三相繞組的合成磁場F3方向平行，使轉子第三次定位；
（6）第三次繞組預熱：轉子第三次定位後，變頻器輸出直流電流，使定子三相繞組預熱。該實施例中，控制晶片輸出PWM（脈寬調製）信號，開通IPM模組W相上橋臂的IGBT和U相、V相下橋臂的IGBT，即圖5中的c、a′和b′三個IGBT導通。此時流過電機W相繞組的電流等於U相和V相繞組的電流之和（IW＝IU+IV），而流過U相和V相的電流相等（IU＝IW）。
經過上述過程的3次定位和3次繞組預熱後，繞組溫升效果如表一所示：
預熱前繞組溫度 | 預熱後繞組溫度 | 繞組溫升 | |
U相溫度 | 26.2℃ | 51.8℃ | 25.6℃ |
V相溫度 | 26.5℃ | 52.2℃ | 25.7℃ |
W相溫度 | 26.4℃ | 53.1℃ | 26.7℃ |
從表一可以看出，按步驟（6）完成了第三次轉子定位和第三次繞組預熱後，實現了三相繞組UVW的均勻預熱。
榮譽表彰
2020年11月，《永磁同步電機的繞組預熱及其啟動方法》獲得第六屆廣東專利獎金獎。
