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        環(huán)形繞組無刷直流電機的強迫換相

        2016-10-13 02:08:28賈喆武林黃達
        船電技術 2016年5期

        賈喆武,林黃達

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        環(huán)形繞組無刷直流電機的強迫換相

        賈喆武,林黃達

        (海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,武漢430033)

        環(huán)形繞組無刷直流電機(CWBLDC)本質上是一種特殊結構的永磁交流電機,其定子繞組采用與傳統(tǒng)直流電機電樞類似的環(huán)形結構繞組,在永磁轉子的旋轉磁場作用下,產生近似于梯形波的反電勢波形。這使得電機能夠更充分的利用梯形波反電勢,從而提高CWBLDC電機的轉矩密度。這種環(huán)形繞組結構需要相應的換相電路才能正常工作,本文闡述了一種強迫換相方式的基本原理和換相特點,包括強迫換相的分析,仿真和實驗。

        無刷直流電機 環(huán)形繞組 強迫換相

        0 引言

        隨著艦船全電力推進系統(tǒng)逐漸應用于大型遠洋船舶,大容量高轉矩密度電機推進電

        機的需求越來越強烈[1-2]。而現(xiàn)在推進場合主要應用的永磁同步電機(PMSM,or BLAC)雖然轉矩脈動低,但由于其氣隙磁密為正弦波,鐵心材料利用不充分,轉矩密度提高有限。傳統(tǒng)的常規(guī)無刷直流電機(BLDC)相較于BLAC電機,其氣隙磁密為梯形波,轉矩密度較高,但BLDC電機一般工作在電流120°導通模式,導致?lián)Q相轉矩脈動大[3-4],且難以完全消除,所以無法直接應用在大容量高性能領域。

        環(huán)形繞組無刷直流(CWBLDC)電機[5]是一種新型的電機,結構上與有刷永磁直流電機相似,通過開關器件實現(xiàn)電流的換向。這種環(huán)形的繞組結構,能夠提高反電勢梯形波的利用率,從而提高電機的轉矩密度。圖1為傳統(tǒng)直流電機和CWBLDC電機的結構對比圖。

        圖1(a)為傳統(tǒng)兩極12槽有刷直流電機,繞組首位連接成環(huán)形,每個繞組末端連接換向器,通過電刷實現(xiàn)繞組電流的換向。將電刷和換向器用可控開關器件代替,保留繞組的環(huán)形結構,并將磁極用永磁體替代,置于電機轉子位子,則得到CWBLDC電機的結構,如圖1(b)所示。

        CWBLDC能夠達到和PMSM同等水平的轉矩脈動,高頻振動也較小,因此在高轉矩密度,高振動特性的艦船推進應用中,有廣泛的應用前景。但CWBLDC電機的開關器件使用較多,驅動電路結構復雜,所以要用合適的換相方式來實現(xiàn)電流的轉換。而傳統(tǒng)的三相或者多相電路的換相方式不適應于CWDLDC電機。

        本文介紹了CWBLDC電機的強迫換相方式,在這種換相方式下,通過檢測轉子磁極中心位置,即繞組反電勢過零點,開通和關斷相應的開關器件,實現(xiàn)相電流方向的轉換。

        1 CWBLDC電機的強迫換相過程

        圖2為一個2極11槽的分數(shù)槽CWBLDC電機強迫換相電路原理圖。由于強迫換相時,流過換相繞組的電流不為0,所以需要在開關器件上并聯(lián)反向二極管,以實現(xiàn)開關器件關斷之后繞組的續(xù)流,而且由于快速關斷過程中電壓變化率很大,對電機繞組絕緣造成不良影響,所以需要在所有的換向繞組上并聯(lián)一個小電容,以減小電壓變化率。強迫換相的具體過程如圖3所示。

        1) 強迫換相開始前,如圖3(a)所示。此時驅動電路中強迫換相未開始,開關器件SH1和SL7導通。2) 換相繞組1兩端的開關器件SH1和SH2同時導通,如圖3(b)所示。繞組1被短路,此過程通常很短。3) 驅動電路中開關器件SH1被強制關斷,如圖3(c)所示。繞組1中電流在直流母線電壓作用下繼續(xù)換向。4) 繞組1強迫換相過程結束,如圖3(d)所示。

        2 強迫換相過程分析

        2.1反電勢波形基本假設

        以每對極11個繞組元件的CWBLDC電機為例,忽略定子電樞反應對氣隙磁密波形造成的畸變,氣隙磁密(電動勢)波形可以近似為圖4所示的梯形波,假設梯形波頂部的平頂部分寬度為,且不小于147.3°,且反電勢最大值為E。

        2.2強迫換相過程

        從上面的分析中可以看到,強迫換相大致可以分為4個步驟,下面以1號繞組換相為例分析強迫換相的具體過程。強迫換相發(fā)生在1號繞組反電勢過零的時刻,假設此時為=0,直流輸入電壓為,換相開始前流過兩并聯(lián)支路的電流分別為i(0)和i(0),則流過SH1的電流為[i(0)+i(0)],如圖3(a)所示。

        為了使強迫換相時開關器件SH1能夠順利關斷,需要提前將開關器件SH2開通,此時驅動電路如圖3(b)所示。SH1和SH2只需要同時導通很短一段時間,所以可以將繞組1的反電勢近似為0,且此時流過換相繞組1的i電流方向不變。

        在=0時刻,強制關斷SH1,強迫換相開始,此時驅動電路如圖3(c)所示。此時刻由于電容C1兩端的電壓U=0,所以續(xù)流二極管DL1處于負壓狀態(tài),未導通。繞組1電流通過C1續(xù)流,電容兩端電壓逐漸增加,直到電容C1兩端電壓為U=,這個過程的等效電路如圖5所示,此時:

        式中表示一相繞組的電阻,表示一相繞組的電感,e表示1號繞組的反電勢。

        由于C1主要起抑制的作用,容值很小,所以充電時間很短,可以近似認為在這個過程中i不變,則方程(1)和(2)可以簡化為方程(3)

        其中為電機轉速,單位為rad/s,則可以得到

        式中=為常數(shù)。且并聯(lián)支路1兩端電壓增大到,所以i逐漸增大,而并聯(lián)支路2兩端電壓逐漸減小到0,所以 i逐漸減小,忽略繞組1的影響,則有:

        上面兩式中e為第j相繞組的反電勢,由圖4可知e=E,為并聯(lián)支路1中連續(xù)5個繞組元件的總電感,為并聯(lián)支路2中連續(xù)5個繞組元件的總電感,且=,=并聯(lián)支路1和并聯(lián)支路2之間的互感。

        U=時,反并聯(lián)二極管DL1導通,為換相繞組1和并聯(lián)支路2續(xù)流,等效電路如圖6所示。此時在C1反向電壓的作用下,i逐漸減小到0且隨后電流反向,并聯(lián)支路2相當于短路。換相繞組1和并聯(lián)電容的電路方程如公式(3),并聯(lián)支路1所在電路方程如公式(8),i增大。而并聯(lián)支路2相當于短路,通過并聯(lián)的電容放電續(xù)流,所以i將逐漸減小。

        當流過換相繞組1的電流i增大到與并聯(lián)支路2電流i相等時,續(xù)流二極管DL1斷開,強迫換相結束。

        3 強迫換相仿真分析

        為了驗證前面對于CWBLDC電機的強迫換相過程的分析,建立8極46槽的CWBLDC電機的仿真模型,應用Ansys Simplorer + Maxwell進行場路耦合仿真。圖7為對CWBLDC電機模型的仿真結果。 圖7(a)為換相開關器件SH1和SH2在換相過程中的電流變化波形。可以看到在開通SH2,然后關斷SH1之后,流過SH1的電流迅速減小到0,流過SH2的電流迅速增加到與SH1關斷之前的電流大小,完成一次換相。

        圖7(b)為CWBLDC電機采用強迫換相時,繞組的電壓波形。從圖中可以看到,在每次換相時繞組兩端的會出現(xiàn)電壓尖峰。

        4 強迫換相實驗結果

        為了驗證前面的仿真分析,制造了一臺額定功率為10 kW,8極46槽的CWBLDC電機。圖8表示的是CWBLDC電機在轉速為670 rpm,功率為1.7 kW,強制換相的實驗結果波形。

        圖8(a)為強迫換相是開通開關期器件SH2,關斷SH1時流過SH1和SH2的實際電流波形,圖8(b)為強迫換相時繞組兩端的電壓波形,從圖中可以看出,實驗結果與仿真結果基本一致。

        5 結論

        本文從仿真和實驗兩個方面討論了CWBLDC電機的強迫換相方式,從上面的分析和實驗中,可以看到,對于CWBLDC電機,強迫換相可以快速的實現(xiàn)電流的關斷和導通,實現(xiàn)電機繞組的換相。

        [1] 芮江,由大偉. 艦船綜合電力推進技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 艦船科學技術,2010,32(4):3-6.

        [2] 范嘯平,王敏. 現(xiàn)代艦船綜合電力推進技術綜述[J]. 上海造船,2007,(4):34-37.

        [3] 索新巧,黃聲華. 無刷直流電動機轉矩脈動的分析和消除[J]. 船電技術. 2002,(01):5-8.

        [4] 冀溥,宋偉,楊玉波. 永磁無刷直流電動機應用概況[J]. 電機技術. 2003,(4):32-36.

        [5] L. Zhu, S. Z.“A new simplex wave winding permanent-magnet brushless DC machine”, Magnetics, IEEE Transactions on, 2011,47:252-259.


        Forced Commutation of Circular Winding Brushless DC Machine

        Jia Zhewu , Lin Huangda

        (National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

        TM351

        A

        1003-4862(2016)05-0001-04

        2015-11-09

        973項目(2013CB035601);國家自然科學基金 (51507181)

        賈喆武(1990-),男,碩士研究生。研究方向:永磁電機及其控制。

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