1 前言
随着人类科技水平的日益提高,环境污染却越来越严重,全球变暖,雾霾天气等一系列的问题愈发引起人们的关注。同时,传统的化石能源(煤,石油等)越用越少,面临着枯竭的危机。为了解决以上两大问题,科学工作者们开始了对可再生清洁能源的研究,并将其投入到实际的应用当中,电动汽车因此应运而生。
传统汽车通常以汽油为燃料,燃烧产生的废气排放到空气当中,既消耗了化石能源,又污染了环境,是造成当今环境问题的魁首之一。近年来汽车的数量又与日俱增,使得这矛盾更加突出。而电动汽车在纯电动状态下具有零排放,高效,节能的特点,己成为世界汽车产业可持续发展的必然选择。
作为与人类生活密切相关的现代化交通工具,电动汽车的安全可靠性至关重要。它要求在电机本身或其驱动器发生故障时,汽车不能停止运行。这就要求电动汽车的驱动系统具有一定的容错能力。同时电动汽车还要求驱动系统有平稳的转矩输出,使乘客乘坐时不会感到不适。传统的三相电机系统容错能力较差,发生故障后电机系统性能大大下降,甚至不能工作。与传统的三相电机相比,多相电机具有:可以低压实现大功率;具有高可靠性和容错性;转矩脉动小;更多的控制资源等优点。因此,多相电机更适合被应用在电动汽车领域。
目前对于多相电机的研究主要针对感应电机和永磁同步电机展开。与感应电机相比,永磁同步电机主要有以下优点:
(1)电机体积较小,重量较轻,能量密度高;
(2)具有较小的转动惯量,快速响应能力好;
(3)永磁同步电动机的励磁磁通大小不变且与电枢电流有着固定的相位关系,因而控制比较简单;
(4)永磁同步电动机具有较硬的机械特性,对负载扰动有较强的鲁棒性。
由于多相电机和永磁同步电机各自的优点,将两者优点结合起来的多相永磁同步电机在电动汽车领域具有良好的应用前景。
本文研究的是用于电动汽车轮驱的六相外转子永磁容错电机的设计。该电机在能够输出平稳转矩的同时还要求具有一定的容错能力,在电机或驱动器发生开路或短路故障时通过合理的控制策略,将故障部件隔离开,使输出转矩尽可能不变。这样可以保障电动汽车的正常运行,防止抛锚事件的发生,为乘客提供良好的出行环境。
2 六相永磁容错电机的理论分析
2.1 永磁容错电机的基本设计原则
永磁容错电机的本体设计要求电机在发生故障时,故障相的电机绕组对正常相干扰尽可能地小。这就要求永磁容错电机相与相之间要进行物理隔离、热隔离、磁隔离和电气隔离。
2.1.1 物理隔离
永磁容错电机的定子绕组采用隔齿绕制方式,即电机的每个定子槽中只存在一相绕组的线圈。这样各个相的绕组就被隔离开了,未绕线的定子齿除了作为磁通回路以外还起到了相绕组物理隔离的作用,进而防止了相间短路故障的发生。
2.1.2 热隔离
由于永磁容错电机各相绕组间不存在物理接触,而每相绕组主要通过定子表面散热,使得故障相产生的热量很难传递到相邻或者其它正常相绕组的线圈边,从而实现了绕组间的热隔离。
2.1.3 磁隔离
选用合适的绕组排布方式,重点考虑集中绕组排布,可以极大地降低相间的磁耦合。同时适当增大电机的气隙长度,减弱电枢反应的影响也是一种提升相间磁隔离性能的有效办法。
2.1.4 电气隔离
传统的电机绕组一般采用星型接法,逆变电路采用全桥拓扑结构,这样各相绕组间存在中性点。当电机某相的驱动电路发生故障时,故障相的电流或母线电压就会通过中性点耦合到其他正常相,影响正常相的工作。而容错电机的每相绕组采用H桥单独供电,各相绕组没有中心点相连。这样就消除了各相绕组间的电气耦合。
2.2 基本电磁方案的确定
2.2.1 电机结构形式
从绕组与逆变器连接方式的角度来看,不同相绕组间的连接方式包括星型连接和三角型连接。本方案采用每相绕组由独立的H桥驱动,各相绕组没有中性点连接。这样当某相绕组发生故障时,故障相的电流不会通过连接点影响到正常相的工作。从而实现了电机相与相之间的电气隔离。
从绕组空间排布的角度来看,六相绕组有正六相和半十二相(不对称六相)两种排布方式。本文采用的是半十二相绕组排布方式。同正六相绕组排布方式相比,半十二相绕组的磁动势谐波含量仅为正六相的一半。这有利于减小电机损耗,减小电机的转矩波动。然而半十二相的槽数选择余地相对较小,每相绕组要同时存在一套正绕组和一套负绕组。因此半十二相电机的槽数只能选取12的整数倍。对于隔齿绕制的集中线圈,半十二相电机的槽数应当选择24的整数倍。本文中选择的定子槽数为48槽。电机的绕组排布如图2-1所示。
图2-1半十二相电机绕组空间排布
2.2.2 半十二相绕组排布的磁动势分析
首先对相数为m的电机进行磁动势分析。假设电机每对极有m个均匀的相带,空间上每个相带占2∏/m电角度,每相绕组占据一个相带,则相邻两个相绕组互差2∏/m空间电角度。当这m相绕组的电流依次在时间相位上互差2∏/m电角度时,以其中一个相绕组的轴线作为空间零点,通电的相位设为0,此时该相绕组产生的磁动势见公式1。式中:
公式1 磁动势
V=1,2,3·····
F1——一相绕组产生的极对数为v的磁动势;
Ⅳ——每相串联匝数;
I——每相电流有效值;
kNv——第V次谐波每相绕组系数。
类似地,我们能够得到其他m-l相绕组产生的磁动势为:
公式2 m-l相绕组产生的磁动势
利用积化和差公式,m相磁动势的合成磁动势1,次谐波为:
公式3 次谐波
在上式中,只有在km=v-l或是km=v+l时,即v=km±1才会存在F≠0,否则F就可以看成两组m个等大均匀辐射状分布的矢量合成后在某一方向上的投影的叠加,而在v≠km±1这种情况下这些矢量的合成恒为零矢量,故F也恒为零。当磁动势次数为v=km+1时,磁动势的旋转方向与绕组通电的顺序相同,旋转磁动势为正转波。当磁动势次数为v=km-1时,磁动势的旋转方向与绕组通电的顺序相反,旋转磁动势为反转波。
半十二相电机虽然只有六相绕组,但从磁动势的角度来看,它与十二相电机是相似的,只是磁动势的幅值减半。因此将m= 12代入式中,得到半十二相电机产生的磁动势谐波次数v=12k土1。其中1,13,25次谐波磁动势是正转波,11,23次谐波磁动势为反转波。对于48槽的半十二相电机,考虑到槽数与极数接近时绕组因数最大,此时能够获得较高的转矩密度,特别适合应用于需要直接提供转矩的电动汽车领域,因此23对极和25对极是比较理想的选择。本文采用48槽46极的极槽配合方案,电机具有较大的功率密度。同时,定子采用分数槽绕组能够削弱齿槽转矩,能够降低绕组的端部长度,减小电枢绕组的端部损耗。电机的槽电势星形图及相带划分如图2—2所示。
图2-2 48槽槽电势星形图及相带划分
2.3 容错方案分析
2.3.1 绕组开路故障分析
绕组开路故障是交流电机运行过程中十分常见的故障,半十二相电机发生绕组开路故障后将无法形成圆形旋转磁动势,电机的转矩波动必然大大增加,同时电机的输出转矩也会受到影响。若是担心发生开路故障后,故障相会影响正常相的工作而终止电机的运行,对于纯电动汽车而言将会失去其唯一的动力来源。这在某些情况下会威胁到司机和乘客的生命安全,是绝对不允许发生的。
本文设计的六相永磁容错电机遵循容错电机的设计原则,实现了电机相与相之间的物理隔离、热隔离、磁隔离和电气隔离,每相绕组由独立的H桥驱动,无中性点连接。发生绕组开路故障时,可以通过控制功率开关管的关断将故障相隔离,不用担心故障相会对正常相的工作产生影响。同时可以通过控制开关管对剩余相绕组中电流的幅值和相位进行控制,形成新的圆形旋转磁场,提高电机发生故障后的运行性能。
若要维持故障后的电机旋转磁动势幅值不变,势必要增加剩余相的电流激励,这必然会提高开关管的功率等级,提高电机的成本。但是故障状态属于非正常状态,若是为了保障电机在故障状态下的性能而提高开关管的功率等级则在平时是一种很大的浪费。因此在本文中采用的开路容错控制策略采用中的补偿策略,在不增加每相电流激励的情况下尽可能提高电机的输出转矩,减小转矩脉动。
(1)-相开路补偿策略
电机一相绕组开路后,将不能产生圆形旋转磁场,此时有两种磁动势补偿策略。一种是“5相补偿”控制策略,即同时改变剩余五相绕组电流激励的相位,形成新的圆形旋转磁动势。另一种是“3+2相补偿”控制策略,即将六相绕组看成两套对称三相绕组,无故障相的对称三相绕组正常工作产生旋转磁动势,有故障相的对称三相绕组改变剩余两相电流激励的相位,形成新的圆形旋转磁动势。这样总的旋转磁动势为对称三相绕组产生的磁动势和剩余两相产生的磁动势的叠加,所以称为“3+2相补偿”控制策略。
以F相绕组开路为例,“5相补偿”控制策略和“3+2相补偿”控制策略的电流激励如公式(2-6),(2-7)所示。
(2)两相开路补偿策略
电机两相绕组开路存在四种情况:互差300的相邻两相开路、互差900的相邻两相开路互差1200的不相邻两相开路和互差1500的不相邻两相开路。根据不同情况下的补偿激励值设置如下:
①互差300的相邻两相开路,以EF相开路为例,见公式(2-8)。
②互差900的相邻两相开路,以AF相开路为例,见公式(2-9)。
③互差1200的不相邻两相开路,以DF相开路为例,见公式(2-10)。
④互差1500的不相邻两相开路,以CF相开路为例,见公式(2-11)。
2.3.2 绕组端部短路故障分析
一相绕组端部短路时,端电压为零。此时的同步电机电压方程可以表示为U= Eo+IMRa+jIMX s=0,根据电压方程画出的一相绕组短路时的相量图如图2-3所示。
图2-3 绕组端部短路时的相量图
由相量图可以得知,电枢电流由具有去磁作用的直轴电流和产生负转矩的交轴电流合成。一般情况下,同步电抗X。远大于电枢电阻R,若忽略电枢电阻,则因短路产生的短路电流磁链将完全抵消绕组中的永磁磁链。不忽略电枢电阻时,短路电流中含有产生负转矩的交轴电流成分,因此一相短路故障时的电机转矩将低于一相开路故障时的电机转矩。
分析相量图还可以知道,发生一相短路故障后,短路电流的稳态值可由公式(2-12)得到。
显然同步电抗在很大成分上决定了短路电流的大小,同步电抗越大,短路电流越小。而同步电抗的主要成分是漏抗,通过电机优化,适当地调节电机的结构参数,改变电机的槽漏抗,可以有效地抑制短路电流。
3 六相永磁容错电机的有限元分析
这里采用ANSYS下的Maxwell模块对六相永磁容错电机进行仿真。
3.1 Maxwell 2D模型的建立
利用ANSYS Maxwell建立的电机2D仿真模型如图3-1所示:
图3-1 六相永磁电机的仿真模型
电机的主要结构参数如表3-1所示。
表3-1 电机主要结构参数
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本文标题:六相永磁同步电机的设计(一)