雙繞組切換型輪轂電機的結構設計及控制*

孫振杰， 許東來， 萬 夢, 鄭 然

(北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124)

0 引 言

能源與環(huán)境問題已成為制約經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素，我國汽車工業(yè)的快速增長所產(chǎn)生的環(huán)境污染問題愈來愈嚴重，迫切需要發(fā)展新能源汽車。新能源汽車的驅動技術是目前研究熱點，其中輪轂電機技術具有較好的發(fā)展前景。輪轂電機是新能源汽車的一種動力驅動裝置，放在車輪內(nèi)部直接驅動車輪旋轉，其性能的好壞直接影響新能源汽車的性能[1]。

目前，國內(nèi)外對輪轂電機技術的研發(fā)已取得一定研究成果，已研發(fā)出裝備輪轂電機的電動汽車。電機結構受車輛車輪內(nèi)部空間的限制及電池技術的制約，仍存在一系列問題，如汽車的最大續(xù)駛里程問題、最大轉速問題、汽車的起動性能及爬坡性能等。這些問題會對汽車造成較大影響，要求電動汽車起步及低速時電機可提供較大的轉矩，從而改善汽車起動、爬坡和加速性能[2]。

市面上常用的普通電機，承載大扭矩時需要大電流，容易損壞電池及電機內(nèi)部的永磁體[3]。為使汽車有較好的動力性，電動機還須具有很寬的轉矩和轉速調節(jié)范圍，故要求輪轂電機具有轉速范圍大，低速大轉矩，輕載高速的軟特性[4]。

本設計中提出采用一種新型電機，即電機內(nèi)部設置兩套繞組，且可通過開關實現(xiàn)雙繞組串并聯(lián)切換，從而改善電機性能，實現(xiàn)較大幅度擴大電機的轉速范圍。通過串并聯(lián)換接可保證母線電流不變的情況下轉矩提升一倍，避免大電流損壞電機及電源系統(tǒng)，有效改善電動汽車的低速爬坡及起動加速能力。

1 輪轂電機的結構設計

1.1 電機本體的選型

輪轂電機按驅動形式主要分為減速驅動及直接驅動。減速驅動型輪轂電機采用電機與減速裝置相結合，該類型輪轂電機具有效率高、功率比高、輸出扭矩大、爬坡性能好等優(yōu)點；但需要較緊湊的結構來適應汽車空間，較好的潤滑來降低齒輪磨損及噪聲的產(chǎn)生。直接驅動式輪轂電機，多采用外轉子電機，由電機外轉子直接帶動輪轂旋轉，其結構簡單、軸向尺寸較小、響應速度變化較快，但對于起動和爬坡扭矩需求具有一定缺陷。由于受汽車底盤空間限制，要求在同等性能參數(shù)下減小輪轂電機的軸向尺寸。

目前，應用于電動輪轂的電機主要有永磁電機、異步電機、開關磁阻電機及橫向磁通電機。永磁電機與其他電動機相比，具有功率密度高、效率高、體積小、結構簡單、輸出轉矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點[5]，且可制造成扁平狀及盤式結構，故可作為輪轂電機的最佳選擇。本設計采用直接驅動型外轉子永磁無刷直流電動機。

1.2 電機槽極數(shù)的確定

本文研究的直驅型輪轂電機，采用外轉子永磁無刷直流電動機。轉子磁極采用釹鐵硼永磁材料，表面式結構。由于輪轂電機受車輪尺寸限制，當確定電機主要尺寸后，考慮運行性能及經(jīng)濟指標，選取較多極數(shù)，可使每極磁通減少，電樞軛及定子軛部減少，用銅用鐵量減少[6]。此外，關于電機繞組結構，分數(shù)槽繞組較整數(shù)槽繞組具有更突出的優(yōu)點，將其應用于無刷直流電動機有利于改善電機性能，可實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材、小型化、輕量化。分數(shù)槽集中繞組槽極數(shù)組合Z/2P=9/8有較高的LCM值[6]，意味著該組合有較低的齒槽轉矩。本設計中考慮8極9槽，16極18槽，24極27槽3種方案，并通過Ansys建模分析比較。幾種槽極數(shù)電機的磁力線圖如圖1所示。由圖知，只有當P=8時，齒部漏磁較少，定子受力均勻。綜上所述，本設計選取P=8，即16極18槽。

圖1 幾種槽極數(shù)電機的磁力線圖

2 雙繞組輪轂電機原理分析及串并聯(lián)切換電路設計

根據(jù)采用輪轂電機技術的汽車起動與爬坡對電機性能的要求，本設計中選用永磁無刷直流電動機。通過分析永磁無刷直流電機的電磁轉矩、電樞電流、反電動勢及轉速等特性，提出電機采用兩套定子繞組，并通過開關電路實現(xiàn)雙繞組的串并聯(lián)切換，以實現(xiàn)寬調速及大轉矩輸出時不產(chǎn)生過大電流，從而改善電機性能。

對于三相六狀態(tài)無刷直流電機，反電動勢為

(1)

式中：WΦ——電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；

P——極對數(shù)；

αi——計算極弧系數(shù)；

Φδ——每極磁通量；

n——電機轉速。

電機的電磁轉矩為

(2)

式中：Ia——每相繞組電流；

Ω——轉子的機械角速度，Ω=2πn/60。

由式(2)可知，增大電機輸出轉矩須增加電機繞組匝數(shù)或者增大繞組電流，而繞組電流過大不利于電源系統(tǒng)及電機本身，易造成電機及電路損壞。為減小繞組電流，須加大電機繞組匝數(shù)。當汽車運行在平滑路面，或高速道路上時，要求輪轂電機具有較高的轉速來適應汽車的高速運行。在較高繞組匝數(shù)運行情況下，某一速度運行時反電動勢變得很大，幾乎等于蓄電池的最高工作電壓，而此時的速度并沒有達到最高的轉速要求[5]。可知永磁無刷直流電動機星形連接時，為降低電機及蓄電池的工作電流可提高反電動勢，但提高反電動勢會給系統(tǒng)的高速運行段帶來了限制。輪轂電機繞組設計上須考慮該兩大問題，若能將兩問題結合起來，便可完善電機的性能要求。

本設計中提出電機采用兩套繞組。當汽車處于起動及爬坡狀態(tài)需要輸出大轉矩時，采用兩套繞組串聯(lián)，增大繞組匝數(shù)實現(xiàn)大轉矩小電流輸出；當汽車處于平穩(wěn)運行狀態(tài)時，通過外部電路開關切換，將兩套繞組由串聯(lián)改為并聯(lián)狀態(tài)從而實現(xiàn)汽車高速運行。本設計中雙繞組輪轂電機的外部繞組串并聯(lián)切換電路如圖2所示。圖中左半部分為無刷直流輪轂電機逆變電路，為常規(guī)六開關三相逆變器結構；右半部分為電機繞組串并聯(lián)切換電路，通過控制開關導通實現(xiàn)繞組串并聯(lián)切換。切換開關采用3個三相交流固態(tài)繼電器，分別為SSR1、SSR2、SSR3，其集3只單相交流固態(tài)繼電器于一體，輸入與輸出由光耦隔離，并以一組控制端對三相負載進行直接開關切換。控制端由DSP輸出邏輯信號控制。

圖2 雙繞組輪轂電機的外部繞組串并聯(lián)切換電路

3 雙繞組輪轂電機調速控制的實現(xiàn)

汽車輪轂電機根據(jù)駕駛人意圖工作在不同的工況，主要分為高速運行及低速運行。在較擁堵的城市道路須不斷起、停動作時，由于電機直接帶動車輪旋轉，故須電機不斷開起、關閉，易造成電機及電路的損壞。該階段電機宜采用低速運行模式。在路況較好的情況下，需要較高車速行駛時，電機處于高速運行模式。

無刷直流電機在這兩種工況下，三相繞組均采用星形連接，并工作在兩相導通120°三相六狀態(tài)方式[7]?？刂葡到y(tǒng)采用TMS320F2812 DSP作為核心控制器件。駕駛人對汽車操作后，由控制器負責處理采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。通過捕捉電機轉子位置傳感器上的脈沖信號，判斷轉子位置，輸出合適的驅動邏輯電平給MOSFET驅動器，再由MOSFET功率驅動電路驅動電機旋轉。控制器根據(jù)捕獲的位置傳感器脈沖信號，計算電機當前轉速與電機設定轉速比較后，利用不同模式下的轉速控制程序控制電機的轉速跟隨設定值?？刂破鹘?jīng)A/D轉換及電流檢測電路采集電機繞組中的電流，與電流設定值比較后，經(jīng)PID算法產(chǎn)生適合調制信號控制繞組中的電流。通過控制腳踏板的位置，可調節(jié)PWM占空比從而實現(xiàn)調速。另外，DSP根據(jù)操作規(guī)程和轉速設定值所處范圍自動尋找固態(tài)繼電器接通和分斷的切換點，對繞組切換主電路進行控制。需要注意，SSR1和SSR3同時接通和分斷，與SSR2狀態(tài)相反，須進行兩種模式切換時，有兩秒延時操作，先斷開再接合。DSP輸出切換信號通過三極管控制固態(tài)繼電器，可避免切換點出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。

當電機轉速范圍在0～300r/min，處于低速運行范圍時，位置傳感器向固態(tài)繼電器控制端發(fā)出信號，控制固態(tài)繼電器SSR2接通,SSR1、SSR3分斷。電機在該段時間內(nèi)處于兩套繞組串聯(lián)運行，通過增大繞組匝數(shù)避免電流過大造成電機損壞，并可提供汽車所需轉矩。當駕駛人操作電機不斷加速，當檢測到速度達到400r/min，SSR3斷開，2s后同時接合SSR1、SSR3。電機繼續(xù)運轉，此時電機以兩套繞組并聯(lián)運行，使得電機總繞組匝數(shù)減少，可迅速將速度提升。雙繞組輪轂電機控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 雙繞組輪轂電機控制系統(tǒng)框圖

4 仿真研究

根據(jù)繞組串并聯(lián)不同模式下無刷直流電機數(shù)學模型及輪轂電機系統(tǒng)的控制策略，在MATLAB/Simulink中建立該雙繞組切換輪轂電機系統(tǒng)仿真模型，包括無刷直流電機模塊、三相逆變橋模塊、邏輯換向模塊、繞組切換模塊和控制模塊，如圖4所示。電機模型采用Simulink的子系統(tǒng)封裝技術，將電機各個功能模塊集成在子模型中，并通過子系統(tǒng)封裝對話框輸入電機仿真的一些重要參數(shù)。另外，利用C MEX-S函數(shù)，結合各類數(shù)學邏輯、運算模塊和SimPowerSystem模塊實現(xiàn)整個系統(tǒng)的建模。

圖4 雙繞組無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真模型

DSP控制系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)數(shù)字串級控制，主環(huán)為速度環(huán)，副環(huán)為電流環(huán)。PWM信號和3個霍爾位置信號經(jīng)邏輯換向模塊后，輸出6路信號至三相逆變橋，用于電機換相和控制。通過速度計算反饋，DSP生成邏輯信號對3個固態(tài)繼電器進行開關控制，從而實現(xiàn)繞組串并聯(lián)切換。當兩套繞組串聯(lián)、并聯(lián)工作時，電機輸出轉速、轉矩與電流曲線，如圖5所示。

圖5 電機繞組串并聯(lián)切換時的輸出轉矩、轉速、電流曲線

由圖可知，同樣母線電流下，通過將繞組切換成串聯(lián)連接實現(xiàn)電機轉矩增大一倍，從而提高電動車的低速爬坡和起動加速能力；通過繞組切換成并聯(lián)連接，從而使電機高速運行。

5 結 語

本文研究了雙繞組串并聯(lián)切換輪轂電機系統(tǒng)。進行電機選擇及電機槽極數(shù)分析，借助有限元分析選出比較合適的極對數(shù)。充分考慮電動車輪轂電機運行條件，提出采用兩套定子繞組，通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)兩套繞組串并聯(lián)控制，從而滿足汽車低速運行大轉矩及高速運行的軟特性。通過仿真分析，驗證了雙繞組輪轂電機具有較好的機械特性，可為新能源汽車輪轂電機技術提供參考。

【參考文獻】

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