環(huán)形繞組無刷直流電機(jī)的強(qiáng)迫換相

賈喆武，林黃達(dá)

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環(huán)形繞組無刷直流電機(jī)的強(qiáng)迫換相

賈喆武，林黃達(dá)

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

環(huán)形繞組無刷直流電機(jī)（CWBLDC）本質(zhì)上是一種特殊結(jié)構(gòu)的永磁交流電機(jī)，其定子繞組采用與傳統(tǒng)直流電機(jī)電樞類似的環(huán)形結(jié)構(gòu)繞組，在永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生近似于梯形波的反電勢(shì)波形。這使得電機(jī)能夠更充分的利用梯形波反電勢(shì)，從而提高CWBLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。這種環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的換相電路才能正常工作，本文闡述了一種強(qiáng)迫換相方式的基本原理和換相特點(diǎn)，包括強(qiáng)迫換相的分析，仿真和實(shí)驗(yàn)。

無刷直流電機(jī) 環(huán)形繞組 強(qiáng)迫換相

0 引言

隨著艦船全電力推進(jìn)系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶，大容量高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)推進(jìn)電

機(jī)的需求越來越強(qiáng)烈[1-2]。而現(xiàn)在推進(jìn)場(chǎng)合主要應(yīng)用的永磁同步電機(jī)（PMSM，or BLAC）雖然轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低，但由于其氣隙磁密為正弦波，鐵心材料利用不充分，轉(zhuǎn)矩密度提高有限。傳統(tǒng)的常規(guī)無刷直流電機(jī)（BLDC）相較于BLAC電機(jī)，其氣隙磁密為梯形波，轉(zhuǎn)矩密度較高，但BLDC電機(jī)一般工作在電流120°導(dǎo)通模式，導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大[3-4]，且難以完全消除，所以無法直接應(yīng)用在大容量高性能領(lǐng)域。

環(huán)形繞組無刷直流（CWBLDC）電機(jī)[5]是一種新型的電機(jī)，結(jié)構(gòu)上與有刷永磁直流電機(jī)相似，通過開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電流的換向。這種環(huán)形的繞組結(jié)構(gòu)，能夠提高反電勢(shì)梯形波的利用率，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。圖1為傳統(tǒng)直流電機(jī)和CWBLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。

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

CWBLDC能夠達(dá)到和PMSM同等水平的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，高頻振動(dòng)也較小，因此在高轉(zhuǎn)矩密度，高振動(dòng)特性的艦船推進(jìn)應(yīng)用中，有廣泛的應(yīng)用前景。但CWBLDC電機(jī)的開關(guān)器件使用較多，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以要用合適的換相方式來實(shí)現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)換。而傳統(tǒng)的三相或者多相電路的換相方式不適應(yīng)于CWDLDC電機(jī)。

本文介紹了CWBLDC電機(jī)的強(qiáng)迫換相方式，在這種換相方式下，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極中心位置，即繞組反電勢(shì)過零點(diǎn)，開通和關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)相電流方向的轉(zhuǎn)換。

1 CWBLDC電機(jī)的強(qiáng)迫換相過程

圖2為一個(gè)2極11槽的分?jǐn)?shù)槽CWBLDC電機(jī)強(qiáng)迫換相電路原理圖。由于強(qiáng)迫換相時(shí)，流過換相繞組的電流不為0，所以需要在開關(guān)器件上并聯(lián)反向二極管，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件關(guān)斷之后繞組的續(xù)流，而且由于快速關(guān)斷過程中電壓變化率很大，對(duì)電機(jī)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(gè)小電容，以減小電壓變化率。強(qiáng)迫換相的具體過程如圖3所示。

1） 強(qiáng)迫換相開始前，如圖3(a)所示。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路中強(qiáng)迫換相未開始，開關(guān)器件SH1和SL7導(dǎo)通。2） 換相繞組1兩端的開關(guān)器件SH1和SH2同時(shí)導(dǎo)通，如圖3(b)所示。繞組1被短路，此過程通常很短。3） 驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)器件SH1被強(qiáng)制關(guān)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(qiáng)迫換相過程結(jié)束，如圖3(d)所示。

2 強(qiáng)迫換相過程分析

2.1反電勢(shì)波形基本假設(shè)

以每對(duì)極11個(gè)繞組元件的CWBLDC電機(jī)為例，忽略定子電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁密波形造成的畸變，氣隙磁密（電動(dòng)勢(shì)）波形可以近似為圖4所示的梯形波，假設(shè)梯形波頂部的平頂部分寬度為，且不小于147.3°，且反電勢(shì)最大值為E。

2.2強(qiáng)迫換相過程

從上面的分析中可以看到，強(qiáng)迫換相大致可以分為4個(gè)步驟，下面以1號(hào)繞組換相為例分析強(qiáng)迫換相的具體過程。強(qiáng)迫換相發(fā)生在1號(hào)繞組反電勢(shì)過零的時(shí)刻，假設(shè)此時(shí)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(qiáng)迫換相時(shí)開關(guān)器件SH1能夠順利關(guān)斷，需要提前將開關(guān)器件SH2開通，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路如圖3(b)所示。SH1和SH2只需要同時(shí)導(dǎo)通很短一段時(shí)間，所以可以將繞組1的反電勢(shì)近似為0，且此時(shí)流過換相繞組1的i電流方向不變。

在=0時(shí)刻，強(qiáng)制關(guān)斷SH1，強(qiáng)迫換相開始，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路如圖3(c)所示。此時(shí)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(fù)壓狀態(tài)，未導(dǎo)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(gè)過程的等效電路如圖5所示，此時(shí):

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(hào)繞組的反電勢(shì)。

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

其中為電機(jī)轉(zhuǎn)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(shì)，由圖4可知e=E，為并聯(lián)支路1中連續(xù)5個(gè)繞組元件的總電感，為并聯(lián)支路2中連續(xù)5個(gè)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。

當(dāng)U=時(shí)，反并聯(lián)二極管DL1導(dǎo)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(shí)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(shí)，續(xù)流二極管DL1斷開，強(qiáng)迫換相結(jié)束。

3 強(qiáng)迫換相仿真分析

為了驗(yàn)證前面對(duì)于CWBLDC電機(jī)的強(qiáng)迫換相過程的分析，建立8極46槽的CWBLDC電機(jī)的仿真模型，應(yīng)用Ansys Simplorer + Maxwell進(jìn)行場(chǎng)路耦合仿真。圖7為對(duì)CWBLDC電機(jī)模型的仿真結(jié)果。 圖7(a)為換相開關(guān)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(guān)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(guān)斷之前的電流大小，完成一次換相。

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

4 強(qiáng)迫換相實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證前面的仿真分析，制造了一臺(tái)額定功率為10 kW，8極46槽的CWBLDC電機(jī)。圖8表示的是CWBLDC電機(jī)在轉(zhuǎn)速為670 rpm，功率為1.7 kW，強(qiáng)制換相的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形。

圖8(a)為強(qiáng)迫換相是開通開關(guān)期器件SH2，關(guān)斷SH1時(shí)流過SH1和SH2的實(shí)際電流波形，圖8(b)為強(qiáng)迫換相時(shí)繞組兩端的電壓波形，從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面討論了CWBLDC電機(jī)的強(qiáng)迫換相方式，從上面的分析和實(shí)驗(yàn)中，可以看到，對(duì)于CWBLDC電機(jī)，強(qiáng)迫換相可以快速的實(shí)現(xiàn)電流的關(guān)斷和導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的換相。

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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(xiàng)目（2013CB035601）；國家自然科學(xué)基金 (51507181)

賈喆武(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：永磁電機(jī)及其控制。