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無刷雙機械端口電機繞組設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:5505

摘要:提出了一種機械端口電機的原理設想;創新點是取消了傳統雙機械端口電機中的電刷和滑環,簡化了電機的結構設計,提高了可靠性。提出了一種機械結構方案,研究了電機如何在一個磁路內實現兩套不同極對數繞組的設計方法。給出了一具設計實例。研究了系統的總體控制思想,并設計了一套以DSP為核心的控制電路,可滿足實際使用要求。

0  引  言

   本文所提出的無刷雙機械端口電機(BL-DMPM)原理上可等效成永磁同步發電機、繞線式異步電機和鼠籠式異步電機三個電機的有機組合。但是由于鼠籠電機和繞線式異步電機共用一套磁路,因而如何在一個定子鐵心和一個轉子鐵心中設計兩套定子繞組和兩套轉子繞組便成了該電機能否真正實用的關鍵。本文根據一個實例來說明如何進行電機的繞組設計。

1  BL—DMPM結構

   在設計無刷雙饋及類似電機時,可以用一套繞組“來復利用’’來實現兩套繞組甚至三套繞組的功能。這樣,將異步電機的口對極和鼠籠電機的r對極轉子繞組的功能用一套繞組實現,并與P對極轉子繞組在端部連接起來,就可得到BL—DMPM的一種機械結構,如圖1所示。

   圖1無刷雙機械端口電機機械結構

圖1中內轉子上的p對極永磁體和外轉子中的p對極轉子繞組耦合,形成一個磁路;而q+r對極外轉子繞組和q+r對極定子繞組共用另外一個磁路,兩個磁路在物理上可認為沒有聯系。雖然q+r對極外轉子繞組和兩套定子繞組共用一套磁路,但令q和r為偶數倍極比,可使兩套定轉子繞組形成的磁路正交,這樣如果不考慮飽和的影響,在分析時可認為q和r兩套繞組的磁路也縣獨立的。

2  BL—DMPM繞組設計

由原理分析可見,p和q的選擇可使電機實現減速齒輪的功能,因此可令p=2,g=4。則同步轉速為p·Ⅳ1/(p+q)=Ⅳ1/3。這樣當ICE的轉速在3 000 r/min的經濟轉速時,同步轉速為1 000 r/min,可滿足汽車時速的要求。鼠籠電機主要用于吸收不大的轉差功率,但轉矩要大,以滿足起動和倒車的要求,其極對數r和q要呈偶數倍極比??扇=2。下面以一個實例說明繞組設計。

2.1永磁電機轉子繞組設計

永磁電機設計成正弦波氣隙磁場。外轉子內側繞組開36槽,每極每相槽數為3,采用正規60°相帶,三相單層繞組。這樣電勢波形中的基波的分布系數為O.96,而3、5、7次諧波的分布系數分別為O.667、O.217、一O.177,使電勢波形能盡量接近正弦。

2.2外轉子外側槽轉子繞組設計

外轉子外側開48槽,采用單繞組設計,即同時用一套繞組實現8極繞線轉子和4極鼠籠轉子的功能。采用單層繞組。繞組展開圖如圖2所示。

    圖2 48槽單層繞組展開圖

其設計思路是:首先按每兩個導體在4極磁場中反相和8極磁場中同相的原則并聯,作為一個線圈,然后將這些線圈按8極磁場設計成對稱三相繞組。例如在圖2中,對4極磁場,1號和13號槽、2號和14號槽導體、7號和19號槽、8號和20號槽的電勢方向相反,各自并聯后組成A相繞組的4個線圈,然后按圖示方式各線圈頭尾相聯后組成

了8極磁場中的并聯支路數為2的線圈組。該線圈組在4極磁場中呈現為兩套獨立的錯開一個槽(15°電角度)的線圈,每個線圈由兩個兩個互差90°電角度的整距集中繞組構成。B相和C相繞組可類似設計,并和A相線圈組依次錯開4個槽(90°電角度)。  

   圖3 48槽4+8極運行單繞組接線法

根據電壓和轉矩等約束條件的不同,可以按圖2方法設計多套繞組并進行串并聯,以滿足實際系統的需要。

2.3定子繞組設計

定子取72槽。4極和8極繞組分別采用兩套繞組獨立設計。兩套繞組分層放在同一個定子中。其原因在于不同的定子繞組通過功率變換器共地(參見圖4)。因此兩種不同極數的繞組要絕緣。兩套繞組均可采用正規60。相帶,三相單層繞組。對4極繞組,每極每相槽6,極距18槽;對8極繞組,每極每相槽3,極距9槽。

3控制系統設計

BL-DMPM顯然需要一個復雜的電力電子變換器及相應的控制系統進行配套控制才能滿足實際系統的需求。圖4為一種典型的變換器及控制由路。

   圖4 BL—DMPM控制系統示意圖

在圖4中,三相電壓源逆變器1用于對繞線式異步電機M1功率的流向進行控制;三相電壓源逆變器2用于控制鼠籠式異步電機M2;斬波器用于對蓄電池進行充放電控制。另外主電路中還需要一個電阻放電回路,用于在直流母線電壓過高時放電,以保護主電路的安全。

通過采用不同的控制策略,逆變器1的工作模式有高頻整流模式和有源逆變模式。實際上一般來說,有源逆變模式用于本系統是很困難的。因為在頻率較低時從繞線電機M1輸出的電壓較小,對其相位的采樣將會變得很困難,在同步轉速點附近這個問題將會變得更加突出。因此在正向電動工況下,逆變器1應始終工作在整流模式,這樣當外轉子轉超過同步轉速時,系統自動進入制動狀態。整流模式可以用以下方法簡單實現:①逆變器1的上橋臂始終封鎖;②通過控制下橋臂的占空比(下橋臂3個功率管占空比相同)來控制M1電機的繞組最大電流,如圖5所示。圖5中繞組電流的幅值給定為M1電機的額定值,這樣可確保繞線電機M1始終可以輸出最大轉矩。當實際的負載轉矩小于永磁和繞線電機的額定電磁轉矩時,繞線電機的電流會小于額定值,繞線電機的轉速接近同步轉速。此時占空比為1,即逆變器1下橋臂的三個功率管始終導通,使逆變器1的效率最高。當實際的負載轉矩大于永磁和繞線電機的額定電磁轉矩時,繞線電機的電流會等于額定值,外轉子轉速Ⅳ2小于同步轉速。此時轉差功率流人母線直流電容,使母線電壓升高,需要控制逆變器2將該轉差功率送入鼠籠電機消耗掉。在圖5工作模式下,繞線電機的繞組電流為方波。

怠速停車或低速時,如果ICE不停車,其轉速較低時可輸出的最大轉矩也相應降低,因此繞組電流的幅值給定也要參照ICE的轉矩曲線來設計。

    圖5逆變器1的控制框圖(正向電動工況)

鼠籠電機轉矩的給定也和駕駛員踩油門信號有關,為簡單起見可以處理成線性關系??刂瓶驁D見圖6。

 圖6逆變器2的控制框圖

在低轉速下雖然鼠籠電機轉矩可以很大,但消耗功率并不大,因此可能發生直流母線電壓上升得很高的情況。此時可通過向蓄電池充電來吸收一部分能量。如果還控制不住,則需要通過制動電阻放電。為了避免這種情況發生,在檢測到直流母線電壓過高時,需要控制系統自動減小油門的輸油量直到使ICE怠速運轉。

制動時,油門要切斷,繞線式異步電機M1和鼠籠式異步電機M2的電流給定與駕駛員踩剎車信號有關。為簡單期間可以處理成線性關系。但當制動過程接近完成、車速已經很低時,應令M1繞組電流為0,以避免ICE因制動力矩過大而熄火。限于篇幅,其它工況下的控制方法略。

4  結  論    

本文提出了一種BL-DMPM的機械結構,研究了BL-DMPM的繞組設計方法,指出通過繞組復用技術采用一套繞組可以同時形成兩種不同極數的磁場,為BL—DMPM的實現奠定了基礎。所提出的DSP控制系統可以滿足實際需要。

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