e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

六相永磁同步电机的设计(一)

2016/11/4    来源:互联网    作者:刘家琦      
关键字:多相电机  有限元分析  绕组开路  
多相永磁同步电机具有高可靠性和容错性,转矩波动小,功率密度高,特别适合应用于电动汽车领域。本文设计了一台12kW48槽46极的六相外转子永磁同步电机,并对其工作原理和容错性能进行了分析。

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

图2-1半十二相电机绕组空间排布

责任编辑:马倩
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐