基于锂电池供电短时大负载下永磁无刷直流电机及驱动设计_侯红胜

1、electricalautomation变流技术convertertechniques电气自动化 2015年第37卷第1期基于锂电池供电短时大负载下永磁无刷直流电机及驱动设计侯红胜 ，刘卫国 ，罗玲（ 西北工业大学自动化学院 ， 陕西西安710072）摘要：通过分析锂电池输出电压随着能量的输出而下降的规律， 根据实际的任务结束后的电压设计电机及驱动电路， 通过对其机械特性进行分析可以满足正常情况下的输出要求。当电压低于预期值时， 可以对无刷直流电机采用混合驱动的方式提高电机的输出转矩和转速 ， 在混合驱动模式能够实现低电压供电情况下与高电压情况下两两驱动方式相同的输出特性。在电机的设计时， 可

2、以适当提高电机的额定电压值， 从而减轻电机的体积和重量， 更适用于航空航天和户外等对电机体积、 重量和短时大负载有特殊要求的场合。仿真和实验表明无刷直流电机的额定电压能够根据锂电池的最低工作电压提高10% 以上。关键词 ：无刷直流电机 ； 锂电池 ； 导通角度 ； 混合驱动 ； 额定电压 ； 机械特性doi ： 10 3969/j issn 1000 3886 2015 01 003中图分类号 tm351文献标志码 a文章编号 1000 3886（ 2015） 01 0007 04design of a permanentmagnet brushless dc motor and its dr

3、ivebased on lithium battery with short- term heavy loadhou hong-sheng，liu wei-guo，luo ling（ college of automation，northwesternpolytechnic university，xian shaanxi 710072，china）abstract ： by analyzingthe rule that lithium batteryoutput voltagedecreaseswith energyconsumption ，wedesignthe motorand its d

4、rive circuitrywith referenceto the endvoltageof the mission by analyzingits mechanicalcharacters ，we can meetthe output requirementsundernormal conditionswhen the voltage lies under its expected value，we can use combination drive to raise the output torque androtational speedof the brushlessdc motor

5、 in the combination drive mode，wecan achievethe sameoutput characteristicsunder thelow and high-voltagesupply the motor can be designedwith a properly raised rated voltage value so as to reduce the volume andweight of the motor and adapt it to aerospaceand other outdoor applications where there are

6、special requirements on the volume，weight and short-term heavy load of the motor simulation and experimentsshowthat the rated voltageof the brushlessdc motor canbe raisedby more than 10% againstthe lowest working voltageof the lithium batterykeywords ： brushlessdc motor；lithium battery；conduction an

7、gle；combinationdrive；rated voltage ；mechanical character定稿日期 ：2014 04 060引言永磁无刷直流电机具有结构简单、 运行可靠 、 维护方便 、 功率密度高 、 控制灵活等优点。随着永磁材料、 电力电子技术和控制技术的发展 ， 永磁无刷直流电机在航空航天、 医疗器械 、 精密仪器、 工业自动化等方面的应用日益广泛1 2 。锂电池具有容量大， 工作电压高 ， 荷电保持能力强， 允许工作温度范围宽、 循环使用寿命长 ， 安全性高的优点， 且可安全快速充放电、 无污染 ， 无记忆效果 ， 体积小 ， 重量轻 ， 正逐步取代铅酸、 镍氢

8、、 镍铬等电池3。为了满足动力锂电池电压和电流要求， 可将电池组采用串联和并联的方式达到一定的电压等级和较高的容量。目前，锂电池已经在广泛应用在民用、 工业 、 航空航天和电动汽车领域4 5 。采用动力锂电池供电的无刷直流电机及驱动电路设计与恒定电压源供电系统不同， 需要考虑电压的变化和负载的变化等。文中首先分析了锂电池输出特性， 在实际的任务中测量电池的变化范围 ， 并根据任务完成后电池的电压对电机和驱动进行设计。同时 ， 当电池出现电压低于试验中预计电压， 接近极限电压低值时， 能够调整控制方式， 增加功率器件的导通角度， 采用混合驱动的方式短时提高电机的输出功率， 满足系统的要求 。1锂

9、电池的输出特性电池性能模型描述电池工作时的外特性， 是电池供电系统仿真试验中必不可少的环节， 也是系统建模中的难点之一6。动力电池的工作过程是一个与电流、 功率 、 温度和荷电状态（ state ofcharge ， soc ） 等多种因素密切相关的化学过程， 目前很难用一个完美的电池模型来精确地描述所有的电池性能7 。等效电路模型使用电阻 、 电容 、 恒压源等电路元件组成的网络， 模拟电池的动态特性 。图 1 是典型的电池电压和容量的关系曲线。放电电流越大，电压下降越快。图 1锂电池的放电曲线7electrical automation电气自动化 2015年第37卷第1期变流技术conve

10、rtertechniques从图 1 中可以看出 ， 充电完成后电池的电压为vfull， 在放电过程中 ， 电池电压迅速下降， 到达 vexp后， 电压随着能量的消耗缓慢下降 ， 此时电池电压保持在的额定值附近。当电压下降到vnon后， 此时可以认为电池的能量基本耗尽， soc= 0， 继续放电会使电池的电压迅速下降。采用动力锂电池驱动永磁无刷直流电机的系统中 ， 随着电池能量的消耗和输出电压下降， 电机的供电电源电压下降 ， 其输出能力受到限制。电池供电时输出电压变化较大， 一种方案是采用buck-boost电路使输出电压稳定， 这种方法在小功率电机中可以适用，但在大功率驱动中会有效率和体积

11、重量等的限制 ， 并不是合适 。同时 ， 无刷直流电机的体积、 重量以及效率等与电源电压有直接关系。另外一种方案是采用合适的电机和驱动电路设计， 使其在电池输出的变化电压范围内均能适应输出要求 。此时 ， 选择合适的额定功率点及驱动方法是整个系统体积 、 重量和效率优化的关键。电机的额定电压设计较高时， 电池工作后期电压低于额定电压会使输出不能满足要求。反之当电机额定电压设计较低时， 电池放电初始阶段电压高， 此时采用pwm 调制会有占空比值很低， 受 pwm调制频率限制会造成转矩脉动 、 损耗增加等造成电机效率偏低等8。2无刷直流电机的设计在本系统中 ， 动力锂电池的特性为： 充电后最高电压

12、vfull=119 v ， 额定电压 vn= 103 6 v ， 放电最低电压vnon= 84 v 。在电池的应用中 ， 通常不要放电至电池容量为零， 这样对电池的伤害较大 ， 考虑一定余量7， 且通过对电池的试验发现， 完成所需任务后电池的电压下降到95 v左右。为了充分利用电机，提高效率， 降低电机的体积和重量， 在本电机的设计中， 按照电压等于95 v 设计电机 。电机的负载为变负载形式， 工作初始阶段输出功率为 3 kw， 长期工作运行功率为6 kw， 工作结束阶段最大功率为 14 kw（ 短时 ， 15 s） ， 输出转速要求稳定在9 200 r/min。电机壳体采用双螺旋散热结构，

13、 液压油循环散热， 在最大功率时可以尽快散热 。预取电机的效率为85% ， 由式 1 计算电机的计算功率为：pi=1 + 34pmax= 14 62 kw（ 1）由于电机采用强制散热方式， 散热条件好 ， 所以在电机的设计中选择较高的电磁负荷。取长期工作电负荷as= 105 a/cm ，磁负荷 b= 0 75 t ， 极弧系数为= 0 8 ， 长径比 = 0 71 ， 最大负载时电负荷为：asmax= （ 14/6）130 = 245 a /cm（ 2）由于散热条件好，当工作时间很短，短时大电负荷不会造成电机损坏等 ， 能够保证电机正常工作。根据式 （ 1） 、 （ 2） 可求得电机电枢内径为

14、 ：di1=36 1pi asmaxb n槡n= 0 097 5 m（ 3）借用目前通用y系列异步电机硅钢片取电机内径为98 mm，外径为 155 mm。电机定子冲片采用36 槽结构 ， 定子槽采用利用率高 ， 冲模寿命长的梨形槽9 ， 绕组采用整距分布排列。转子采用表贴式 4 极结构 ， 采用耐高温的钐钴永磁材料， 其剩余磁密br1 0 t ， 利用紧固圈固定 。电机的结构图如图2 所示 。图 2无刷直流电机定转子结构图图 3 是空载时电机磁密分布云图和气隙磁密分布波形。从（ a） 图中看出电机最大磁密出现在电枢齿位置，达到 1 62 t。将（ b） 图中的数据处理求出空载气隙磁密平均值为

15、0 63 t。图 4 是长期工作状态输出功率为6 kw时磁密分布（ a）磁密分布云图（ b）气隙磁密分布波形图 3空载时磁密分布云图和气隙磁密分布波形（ a） 磁密分布云图（ b） 气隙磁密波形图 4输出功率 6 kw 时磁密分布云图和气隙磁密波形云图和气隙磁密分布波形。从 （ a） 图中可以看出最大磁密为8electricalautomation变流技术convertertechniques电气自动化 2015年第37卷第1期1 73 t， 同样出现在电枢齿位置。从（ b） 图中可以看出气隙磁密由于电枢反应使得在一个磁极下面波形发生畸变， 前半个周期磁密下降 ， 后半个周期磁密上升。此时气隙

16、磁密平均值为0 61 t。根据永磁无刷直流电机以上结构和参数设计， 电机在两两导通驱动方式下机械特性曲线如图5 所示 。图 5电机机械特性曲线从图 5 中可知 ， 当电池电压为95 v 时， 最大负载点电机的输出转速为 9 300 r /min， 能够满足转速要求。从而实现系统的正常工作 。无刷直流电机的机械特性呈现一定的非线性特性主要是由其周期性的换相造成10 。3无刷直流电机的驱动设计无刷直流电机及驱动电路等效图如图6 所示， 电机绕组通常采用星形连接方式。图中 a，b， c，laa， lbb，lcc分别为定子各相绕组电阻和自感， mab、mac、mbc为三相绕组之间互感，udc为直流母线

17、电压， ea，eb，ec分别对应三相反电势。假设三相电路对称 ， 则 a= b= c= ， la= lb= lc= l 。mab= mac=mbc= m 。图 6无刷直流电机及其驱动电路等效图无刷直流电机通常采用两两导通方式驱动， 在电压较高时采用 pwm 调压方式使电机输出转速稳定， 为了减小功率管的开关损耗 ， 在两相导通时采用一个功率管叠加pwm 控制 ， 为了使得器件的发热均匀， 利于散热 ， 六个功率管采用轮流斩波的方式控制， 如图 7 所示 ， 采用 pwm_on驱动方式 。每个功率管导通角度为 120 电角度 ， 在斩波控制中前60 电角度 pwm 斩波 ， 后 60 电角度常通

18、 。从图 5 中可以看出当电压大于95 v 时， 在任何工作负载情况下 ， 电机能够通过pwm 调制方式使输出转速稳定， 满足系统要求 。由式 （ 1） 中分析可知电机电池会随着容量的消耗造成电池的电压下降 ， 在任务的执行过程中当条件极其恶劣时， 电池的输出能量大于设计值时， 电池电压会低于95 v， 处于 84 v 95 v之间 ， 此时电池还具有一定能量， 但是由于电压偏低的缘故不能图 7驱动电路功率管导通示意图使得电机输出最大负载时满足转速要求。此时可以采用增加功率管的导通角度来实现转速的提高。在驱动过程中 ， 电机的绕组会处于两相 三相绕组交替导通的现象。以理想梯形波反电势为例 ，

19、反电势与功率器件导通角度的波形如图8 所示 。图中横坐标 为电角度 ， 纵坐标 e表示反电势 ， 功率器件的导通角度 120 电角度 ， 为三相绕组导通电角度。图 8反电势与导通角度关系图由图 6、 图 8 可知 ， 此时绕组的导通顺序为bc abc ababcacabcbcabcab abc ac abc， 两相绕组与三相绕组轮流导通。 图 9 是 84 v 电压时 ， 采用不同的功率管导通角度得到的电机机械特性。图984 v电压下不同的导通角度下机械特性从图 9 中可以看出 ， 随着导通角度的增加 ， 电机的输出转速增加 ， 在 最 大 输 出 功 率 点， 采 用 160 导 通 时 转

20、 速 为 9 260r /min， 能够达到转速稳定的需求。由此可见 ， 采用混合驱动能够提高永磁无刷直流电机的额定电压。通过现有的位置传感器可以计算得出转子的任意角度， 从而可以实现的变角度控制11。4实验分析图 10 是锂电池带动负载运行时电压波形、 电流 、 转子位置传感器信号 、 以及由转子位置传感器信号计算的无刷直流电机输出转速 。（ a） 图是开始阶段波形， （ b） 图是运行中途波形， （ c） 图是运行后期波形 。9electrical automation电气自动化 2015年第37卷第1期变流技术convertertechniques（ a）试验开始数据波形（ b） 试验运

21、行中数据波形（ c） 试验后期时数据波形图 10带负载运行不同阶段数据波形图 11试验后期相电流和母线电流波形从（ a） 图中看出 ， 电池的初始电压约为120 v， 电流约为30a， 输出转速稳定在9 200 r /min。 此时电机的输出功率约为3kw。（ b） 图中此时锂电池已经运行一段时间， 电压约为 108 v，电流约为 70 a， 输出转速稳定在9 200 r /min， 电机的输出功率约为 6 4 kw。（ c） 图是锂电池运行最后阶段的波形图， 此时电机的输出功率最大 ， 电压大约为95 v， 电流约为 180a ， 输出转速稳定在 9 200 r/min， 此时电机的输出功率

22、约为14 5 kw。图 11 是与图 10（ c） 相对应的任务后期电池电压等于95 v时， 输出功率约为14 5 kw 时相电流波形与母线电流波形。从图中可以看出 ， 相电流由于换相和反电势不恒定等原因， 电流周期变化 ， 最大值达到 225 a 左右 ， 母线电流与图10（ c） 一致 。5结束语通过对锂电池的输出特性进行分析可知其输出电压随着能量的消耗而下降， 无刷直流电机及其驱动电路的设计需要考虑供电电压以及最大输出负载， 论文中设计的电机能够满足任务要求， 同时通过对驱动进行一定的设计， 能够在电池运行处于非常低的电压点时采用混合驱动方式提高电机的输出能力， 满足系统的驱动要求 。参

23、考文献 ：1 张冉 ， 王秀和 ， 乔东伟 极弧系数选择对永磁无刷直流电机激振力波的影响 j 中国电机工程学报， 2010， 30（ 21） ： 79 852 guo hongsheng， wangwei ， xingwei ， et al design ofelectrical /mechanical hybrid 4 redundancy brushless dc torque motorj chinese journal of aeronautics，2010， 23（ 23） ：211 2153 黄可龙 ， 王兆翔 ， 刘素琴 锂离子电池原理与关键技术m 北京 ： 化学工业出版社， 2007 4卢东斌，欧阳明高，谷靖，等四轮驱动电动汽车永磁无刷轮毂电机转矩分配 j 清华大学学报： 自然科学版， 2012（ 52） 4： 451 4565 yimingao，meh dad ehsani parametric design of the tractionmotor and energy storage for series hybrid off-road and military