三相永磁无刷直流电动机的研究

三相永磁无刷直流电动机的研究

0多相永磁无刷直流电动机目前，永磁无刷直流电机（blsdm）主要采用三相y形接法。理想的工作状态是，相反的电势e是平方波，在120e上有一个。相电流i是相对于相反电势平额的矩形波。每个电机经过一个改变方向，电枢组有六个不同的电气状态。在这种工作状态下电动机的电磁转矩Te=2EΦIΦ/Ω是恒定的,其中,Ω是转子角速度。在理想工作状态下,三相永磁无刷直流电动机的功率(转矩)密度是最高的。实际上,由于相反电势平顶宽度达不到120°E,产生了原理性转矩波动,高功率密度的优势也受到影响。随着永磁无刷直流电动机的用途越来越广,输出功率越来越大,特别是由蓄电池供电的车、船和航空器等,要求大功率永磁无刷直流电动机在有限能源供给下的一次充电的续航里程越长越好。从文献研究的动向可见,采用多相永磁无刷直流电动机来代替三相永磁无刷直流电动机是有效出路之一。本文将针对多相电机较传统的三相电机的优势做如下分析。1反电势波形平顶六相电机相应的相(比如A、B、C与X、Y、Z)在空间两两相差30°E,如图1所示。这样第一套绕组其本身是对称的,第二套绕组其本身也是对称的。但是两组三相绕组之间的参数(如每相串联导体数)可以相同,也可以不同。每相串联导体数决定了Ke(反电势系数)和Kt(转矩系数)的值。Ke或Kt相同的称作对称的六相电机;Ke或Kt不同的称作不对称六相电机。文献针对不对称六相电机作出了详细分析和论证。不论是对称六相电机还是不对称六相电机,反电势波形平顶是否能达到理想的120°E都是电机产生转矩波动的原理性因素。对于三相永磁无刷直流电动机而言,其绕组相带宽是60°E,3K(K≥2的整数)相电机的相绕组相带宽是60°E/K,3K相反电势平顶宽度比三相电机展宽了60°(1-1/K)电角度。三相电机相反电势平顶宽度充其量只能达到110°E。然而对于六相电机,无论是对称的还是不对称的,其相反电势平顶宽度理论上都可以做到110°+60°(1-1/2)=140°E。受条件约束,实际上做不到140°E,但至少可以保证相反电势的波形平顶能达到与相电流波形平顶对齐的宽度。如图2所示,其中梯形波是反电势波形,矩形波是电流波形。永磁无刷直流电动机相反电势平顶宽不小于120°E,原理性转矩脉动就不存在了。决定BLDCM的转矩脉动有两个主要因素,一个是电枢反电势的平顶宽度应不小于120°E;另一个是电枢相电流应是和电枢反电势同相位的120°E电流方波。所以在相反电势平顶宽度满足理想条件之后,还需要通过控制手段使相电流波形尽量接近理想状态,这样转矩波动就可以减小到比较理想的范围,绕组铜耗就接近了理论值,电机的高功率密度的潜力才能被挖掘出来。2电池放电时间的延长文献对PWM移相做出了详细的论述,其主要内容可简要概括如下。蓄电池放电电流与放电时间的关系,可以用文献给出的Peukert方程来描述:Imt=K(1)式中,I为放电电流,t为在I放电电流下的放电时间;m、K是大于1的电池结构常数,m一般取1.35。永磁无刷直流电动机产生的电磁转矩与相电流成正比,即Te=KtI。如果是六相电机,输出转矩相同,即Te不变。这时Te=Kt·I/2+Kt·I/2,就是说,每个三相绕组中流过的相电流是三相电机相电流的一半,但是母线电流(即电池放电电流)却未变。如果把六相电机的一个三相绕组中的电流I/2与另一个三相绕组中对应相绕组中的电流I/2在时间上移开TPWM/2,如图3所示,其中TPWM是脉宽调制频率的周期,实线表示移相前直流母线电流峰值,虚线表示移相后直流母线电流峰值。当占空比δ≤0.5时(对应电动汽车中、低速工况),两个I/2电流是不叠加的,但视在占空比δ1=2δ2。利用Peakert方程(如式2所示)可以求出两个三相绕组电流相同,采用与不采用移相方法时电池放电时间的比。(I/2)1.35(I)1.35δ1⋅t1δ2⋅t2=1(Ι/2)1.35(Ι)1.35δ1⋅t1δ2⋅t2=1(2)其中,δ1=2δ2。由上式可得:t1t2=(12)1.35×2t1t2=1t1t2=(12)1.35×2t1t2=1由此可以计算出:t1t2=12×(12)1.35=12×0.392=1.275t1t2=12×(12)1.35=12×0.392=1.275这就是说,产生同样的电磁转矩、配备同样容量的蓄电池,采用六相电机并利用移相方法,比不采用移相方法的六相电机或3相电机,蓄电池的放电时间可以延长27.5%。如果再采取两个三相绕组不同的反电势系数的措施,续航里程会进一步延长。3多相萃取优势3.1永磁无刷直流电动机的数学模型文献对多相电机对于抑制换向转矩脉动的贡献是作出了详细的理论推导与仿真。多相(假设为n相,n=3k,k=2、3、4......)永磁无刷直流电动机可以看作是由k台三相电机集成而成的电机,在电机对外输出功率不变的前提下(假设输出功率为P),对于每一套三相绕组而言,其输出功率为P1=P/k,在电源电压U不变的前提下,相电流变为原来的1/k,由于转矩系数Kt不变,由Te=Kt·I可知,转矩脉动幅值将变为原来的1/k。就是说在不采取任何控制手段的前提下达到削弱换向转矩脉动的目的。3.2相电机比官人的最大电阻相同功率的永磁无刷直流电动机,做成六相电机比三相电机每相所占槽数面积减少了一半。这样一来,六相电机的每相电阻就比三相电机的每相电阻增加了一倍,但电感值L不发生变化。e=LRe=LR(3)由式(3)可知,六相电机比三相电机的电时间常数e减小了一半,即e(6)=12e(6)=12e(3)。这对于提高电机的最高工作转速,减小电流冲击都有很大的好处。3.3同功率的六相电机控制器igbt的均流措施若三相电机的控制器逆变桥是两器件并联使用,同功率的六相电机控制器的逆变桥就不需要两件并联,这就提高了功率器件(IGBT)的有效电流,可取消器件并联需要采取的均流措施。3.4电机5改性故障上述六相电机的本质是双三相电机,如果一组三相电机绕组或控制器出现故障,那么另一套三相电机绕组和控制器依然可以工作,不至于造成电机停转。这就是双裕度系统,对提升系统的可靠性十分有效。3.5相、十二不对称电机多相永磁无刷直流电动机不仅限于六相对称或不对称,还可以做成九相、十二相等对称或不对称电动机,这对于制造数百千瓦的大容量永磁无刷直流电动机特别有效。4相电流波形的消除多相BLDCM的优势已经得到了实践验证。如第1章分析,对于相反电势而言,由于定子斜槽减半,多相电机的相反电势平顶宽度可大于120°E,这样一来,原理性的转矩脉动就不存在了。图4对比了三相电机和六相电机的相反电势波形,其中横坐标表示时间,纵坐标表示幅值(下同)。可以清楚地看到,多相电机相反电势平顶宽度大于三相电机相反电势平顶宽度。对于以dsPICF5015为控制芯片的电动机控制系统而言,可采用相应的控制手段,消除相电流波形平顶部分的尖峰,如图5(b)所示,进而消除了因控制原因所引起的转矩脉动。由于本文主要内容是论述多相电机相对于传统三相电机的优势,故对于具体控制策略此处不再做出详细介绍。另外,还可以通过CPLD等可编程逻辑器件将两套绕组的相电流波形错开50%TPWM,如图6所示,用以减弱直流母线上的峰值电流,这对延长以蓄电池供电的BLDCM控制系统的电池续航里程特别有利。5消除了原理性的扭矩,并促使其性能得到提升与传统的三相永磁无刷直流电动机相比较,六相电机结构较为复杂,成本稍有所提高,但却换来了性能上的优势。(1)多相永磁无刷直流电动机拓宽了相反电势的平顶宽度,从而消除了原理性的转矩脉动,可以进一步发挥高功率密度的优势。(2)多相电机本质上是多台三相电机的集成,这对提高系统的可靠性,提升电机的性能及自然