基于電動汽車驅動的雙定子永磁無刷直流電機繞組換接運行分析

王雅玲 徐衍亮

（山東大學電氣工程學院 濟南 250061）

1 引言

隨著環境污染及石油危機的加劇，電動汽車的研究開發日益得到重視，在目前蓄電池技術未得到突破的境況下，電動汽車的驅動系統是研究重點。現代電動汽車驅動系統應具有以下特性[1]：①高功率密度和高轉矩密度；②低速大轉矩和高速小轉矩的輸出能力；③寬廣的調速范圍，并在寬廣調速范圍內具有較高的運行效率；④高可靠性和低成本。電動汽車驅動系統基于驅動電機而實現，永磁無刷直流電機在目前常用的驅動電機中具有最高效率、最高功率密度和轉矩密度，但其難以弱磁擴速，難以實現較低逆變器容量下的低速大轉矩和高速小轉矩輸出。

為進一步完善永磁無刷直流電機的性能，使其更好地滿足電動汽車的驅動要求，眾多學者做了大量研究工作。其中，文獻[2-4]將永磁無刷直流電機的定子繞組設計成串并聯繞組，在低速大轉矩輸出時繞組采用串聯型式，在高速小轉矩運行時繞組采用并聯型式，在一定程度上滿足了電動汽車的驅動要求。文獻[5]將電機繞組設計成兩套繞組，這兩套繞組既可串聯也可單獨運行，具有與永磁無刷直流電機串并聯繞組相似的性能。顯然，這兩種方法并不能進一步提高永磁無刷直流電機的功率密度和轉矩密度。

雙定子永磁無刷直流電機是一種可看作在一臺內轉子永磁無刷直流電機內部又加裝了一臺外轉子永磁無刷直流電機的新型永磁無刷直流電機[6-8]，其充分利用了電機的內部空間，不但極大地提高了電機的功率密度和轉矩密度、降低了成本，而且內外電機具有獨立的定子繞組，既可串聯運行也可單獨運行，通過合理的切換內外定子繞組的連接方式，能夠使電機很好地滿足電動汽車低速大轉矩和高速小轉矩的性能要求。

本文首先介紹了雙定子永磁無刷直流電動機的結構原理，在此基礎上，專門設計了一臺電動汽車驅動用雙定子永磁無刷直流電機，通過繞組換接拓展了其調速范圍，給出了其整體轉矩轉速特性曲線；其次對樣機采用有限元仿真和實驗的方法，實現了雙定子永磁無刷直流電機的低速大轉矩和高速小轉矩運行，確定了能夠提高電機整體運行性能需要采用的繞組連接方式的選擇原則；最后給出了雙定子永磁無刷直流電機繞組換接的方法和換接電路，并對繞組換接過程進行了有限元仿真，結果表明，所采用的繞組換接開關和換接方法具有簡單可靠和沖擊小的特點。

2 雙定子永磁無刷直流電機的結構原理及其轉矩轉速特性曲線

圖1為雙定子永磁無刷直流電機的結構圖及空載磁力線分布圖，其由外定子、中間轉子及內定子構成，其中中間轉子的內外磁體具有相同的充磁方向，即中間轉子的軛部只有徑向磁場而無周向磁場，該軛部厚度只取決于材料的機械強度。中間轉子軛、轉子外磁體與外定子可看作一臺內轉子永磁無刷直流電機（外電機），中間轉子軛、轉子內磁體與內定子可看作一臺外轉子永磁無刷直流電機（內電機），即雙定子永磁無刷直流電機相當于在一臺內轉子永磁無刷直流電機的內部加裝了一臺外轉子永磁無刷直流電機，并且電機具有很小的轉子軛部，因此雙定子永磁無刷直流電機具有極高的功率密度和轉矩密度。

圖1 雙定子永磁無刷直流電機的結構圖及空載磁力線分布圖Fig.1 DSBLDC structure and magnetic line distribution at no load

顯然，相對于內定子繞組，外定子繞組具有較大的電壓容量和每相串聯匝數，考慮到內外定子繞組的串聯運行，兩套繞組設計為具有相同的電流容量。內外定子繞組的串聯運行和單獨運行可使雙定子永磁無刷直流電機產生不同的轉矩轉速特性，以本文專門設計的一臺用于電動汽車驅動的雙定子永磁無刷直流電機為例，分別分析了其內外定子繞組串聯運行和單獨運行所產生的轉矩轉速特性，從而得到適合電動汽車驅動的整體轉矩轉速特性。

以雙定子永磁無刷直流電機內外定子繞組串聯運行滿足電動汽車的低速爬坡和起動加速為標準設計該電機，該電機內外定子繞組串聯運行時的額定性能為3.9kW、DC98V、2 050r/min，經過分析設計得到該電機的主要結構參數見表 1。該電機采用 3相10極12槽結構，以降低內外定子鐵心軛部厚度、縮短內外定子繞組端部長度，從而進一步降低電機的體積和重量，提高電機的功率密度、轉矩密度和運行效率。

表1 雙定子永磁無刷直流電機主要結構參數Tab.1 The main structural parameters of DSBLDC

采用電磁場有限元法對該樣機內外定子繞組串聯運行、外定子繞組單獨運行和內定子繞組單獨運行進行額定性能（轉折轉速工作點）的仿真分析，所得結果見表 2。在仿真時，外加直流電壓為DC98V，要求三種運行方式下具有相同的直流母線電流，因而具有相近的相電流有效值。圖2為該樣機所具有的轉矩轉速特性曲線。

表2 不同繞組連接方式下電機的額定性能Tab.2 The rated performance of DSBLDC with different winding connection modes

圖2 樣機轉矩轉速特性曲線Fig.2 DSBLDC torque speed curve

由表2和圖2可知，在內外定子繞組串聯運行、外定子繞組單獨運行和內定子繞組單獨運行時電機的轉矩轉速范圍分別由矩形區域 OABIO、OKDHO和 OJFGO表示，即通過繞組換接拓展了電機的轉速范圍，使轉矩轉速特性包絡線由 AB拓展為ABCDEFG，很好地適應了電動汽車低速大轉矩、高速小轉矩的驅動性能要求；同時，在各不同轉折轉速點B、D、F上，電機具有相近的輸出功率和效率，即B、D、F三點相當于恒功率點。

3 雙定子永磁無刷直流電機繞組換接運行狀態確定

將該樣機的轉矩轉速區域進行細分，如圖2所示，可以看出，區域1、4、6分別可通過三種繞組連接方式單獨實現；區域2既可通過內外定子繞組串聯運行實現，也可通過外定子繞組單獨運行實現；區域5可通過外定子繞組和內定子繞組單獨運行實現；而區域3三種繞組連接方式均可實現。

圖3a和圖3b分別為 800r/min、1 500r/min兩個轉速、不同繞組連接方式下樣機的運行效率和直流母線電流隨輸出轉矩的變化曲線。對照圖2可以看出，盡管區域3可通過三種繞組連接方式實現，但內外定子繞組串聯運行使電機具有最高的運行效率并需要最低的直流母線電流。而區域2可通過內外定子繞組串聯運行和外定子繞組單獨運行實現，但顯然前者使電機具有更好的性能。同樣，由圖3c和圖3d所給出的2 400r/min、2 800r/min轉速下電機內定子繞組單獨運行和外定子單獨運行時電機的性能曲線可以看出，在區域5內，外定子繞組單獨運行時電機的性能優于內定子繞組單獨運行的性能。

圖3 不同轉速、不同繞組連接方式下樣機性能曲線Fig.3 DSBLDC performance curves with different winding connection modes at different speeds

圖4為這一樣機的實物圖，對該電機進行了內外定子繞組串聯運行和外定子繞組的單獨運行的實驗，圖5給出了兩種連接方式均可實現的部分區域實驗曲線。由圖5可以看出，在內外定子繞組串聯運行及外定子繞組單獨運行均可實現的功率范圍內，前者使電機具有更好的性能。

圖4 樣機實物圖Fig.4 DSBLDC prototype

圖5 樣機實驗曲線Fig.5 DSBLDC prototype experiment curves

為實現雙定子永磁無刷直流電機寬廣的轉矩轉速運行范圍，同時具有較高的綜合運行效率，需要合理的切換內外定子繞組的連接方式。由上述仿真分析和實驗結果可知，在由兩種及兩種以上繞組連接方式均可實現的區域內，電機性能的優劣順序為：內外定子繞組串聯運行＞外定子繞組單獨運行＞內定子繞組單獨運行。因此，在電機運行過程中，繞組連接方式也應依上述順序選擇確定。

4 繞組換接的實現

4.1 繞組換接電路及換接開關

圖6為雙定子永磁無刷直流電機繞組換接電路示意圖，每相繞組采用3個開關來實現外定子繞組（用out-out表示）和內定子繞組（用in-in表示）串聯、單獨運行狀態之間的切換。以A相繞組為例，當KA2、KA3斷開，KA1閉合時，內外定子繞組串聯運行；當KA1、KA2斷開，KA3閉合時，外定子繞組單獨運行；當KA1、KA3斷開，KA2閉合時，內定子繞組單獨運行。

圖6 繞組換接電路示意圖Fig.6 Winding switching circuit schematic diagram

繞組換接開關元件可以是接觸器等有機械觸點的開關，也可以是無觸點的電力電子開關元件，相對于前者，后者具有動作快、無通斷火花和體積小的優點，是電機繞組換接的理想選擇。由于換接開關位于逆變器與電機繞組之間，開關閉合后流過交變電流，從降低成本及降低控制復雜度考慮，選用雙向晶閘管作為繞組換接開關元件。

4.2 繞組換接過程分析及其仿真

由于雙向晶閘管是半控器件，其開通可控關斷不可控，電流過零時自然關斷，因此為避免繞組換接時出現短路，需要在繞組電流過零點時進行換接，即在各相電流過零時依此進行繞組換接。

以內外定子繞組串聯運行換接至外定子繞組單獨運行為例分析繞組換接過程，如圖7所示。繞組換接前內外定子繞組串聯，KA1、KB1和KC1閉合，其他開關元件斷開。假設此時AB相導通如圖7a所示；待B相電流過零后，KB1斷開，KB3閉合，此時AC相導通如圖7b所示；待A相電流過零后，KA1斷開，KA3閉合，此時 BC相導通如圖7c所示，其中C相繞組仍是內外定子繞組串聯，而B相繞組僅外定子繞組接入電路；待C相電流過零后，KC1斷開，KC3閉合，此時AB相導通如圖7d所示，繞組換接過程結束，之后各相繞組的外定子繞組單獨運行。整個換接過程在半個電周期內即可完成。其他繞組連接方式的換接過程與由內外定子串聯運行換接至外定子繞組單獨運行過程同理，在此不再贅述。

圖7 繞組換接過程（串→外）Fig.7 Winding switching process

另外，整個換接過程中電機繞組是依次換接的，存在電機不對稱運行的狀態，但是由于整個換接過程時間很短，且永磁電機電感較小，電流跟蹤速度快，可避免電流產生較大的波動。在繞組換接完成時，由于換接后接入逆變器的繞組變化使得電機的運行狀態改變，需要通過控制器調節電流，從而使電機可以迅速達到換接后所需的穩定狀態。

對繞組的換接過程進行了有限元仿真，圖8為基于雙向晶閘管的雙定子永磁無刷直流電機繞組換接仿真主電路。整個仿真過程設置如下：在0時刻電機內外定子串聯運行，給定800r/min轉速，帶負載 12.1N·m從靜止開始起動加速；從 75ms開始依次切斷各相內定子繞組，換接至外定子繞組單獨運行；在110ms時將負載降至5.8N·m（考慮到下一步換接至內定子繞組單獨運行而將負載調小，以保證內定子繞組單獨運行時電流不至于過大）；然后從135ms開始依次將各相由外定子繞組單獨運行換接至內定子繞組單獨運行。圖9為該樣機繞組換接過程的內、外定子繞組相電流、電磁轉矩及轉速仿真波形，可以看出，換接過程中電機運行狀態調節速度很快，電磁轉矩和轉速均無明顯波動，電流也沒有出現沖擊現象。

圖8 繞組換接仿真主電路圖Fig.8 The main circuit of winding switching simulation

圖9 樣機繞組換接過程有限元仿真波形Fig.9 The FEA waveforms of winding switching process

5 結論

本文對基于電動汽車驅動的雙定子永磁無刷直流電機的性能進行了理論分析、有限元仿真和實驗驗證，得出以下主要結論：

（1）雙定子永磁無刷直流電機因其特殊的雙定子結構使其具有極高功率密度和轉矩密度，并能通過內外定子繞組連接方式的切換實現電機的低速大轉矩和高速小轉矩運行，使該種電機極適合于電動汽車的驅動。

（2）為實現雙定子永磁無刷直流電機寬廣的運行范圍，且同時具有較高的綜合運行效率，需要合理的切換電機繞組的連接方式。而在相同的運行條件下，電機性能的優劣順序為：內外定子繞組串聯運行＞外定子繞組單獨運行＞內定子繞組單獨運行，因此，繞組連接方式也應依上述順序選擇確定。

（3）每相采用3個雙向晶閘管作為繞組換接開關，并在每相繞組電流過零時依次進行換接開關的動作，可以很好地實現雙定子永磁無刷直流電機的繞組換接。

[1] 鄒國棠,程明.電動汽車的新型驅動技術[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2] Nipp E,Norberg E.On the feasibility of switched stator windings in permanent magnet motors for traction drives[C].Proceedings of the ASME/IEEE Joint,Railroad Conference,1998: 33-39.

[3] Huang Hong,Chang Liuchen.Electrical two-speed propulsion by motor winding switching and its control strategies for electric vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,1999,48(2): 607-619.

[4] 徐衍亮,許家群,唐任遠.電動汽車用永磁同步電動機的繞組換接運行分析[J].電工技術學報,2002,17(5): 21-25.Xu Yanliang,Xu Jiaqun,Tang Renyuan.Study on winding switching of permanent magnet synchronous motor in EV application[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2002,17(5): 21-25.

[5] 馬瑞卿,劉衛國,李鐘明.雙繞組切換型洗衣機用無刷直流電動機控制系統[J].微電機,2006,39(2):35-38,99.Ma Ruiqing,Liu Weiguo,Li Zhongming.A dualwinding switched-type control system of BLDCM used in washer[J].Micromotors,2006,39(2): 35-38,99.

[6] 王玉彬,程明,樊英,等.功率分配用雙定子永磁無刷電機設計與電磁特性分析[J].電工技術學報,2010,25(10): 37-43.Wang Yubin,Cheng Ming,Fan Ying,et al.Design and electromagnetic performance analysis of double stator permanent magnet brushless machine for power splitting[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(10): 37-43.

[7] Niu Shuangxia,Chau K T,Jiang J Z,et al.Design and control of a new double-stator cup-rotor permanentmagnet machine for wind power generation[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(6): 2051-2053.

[8] 程樹康,蔡鶴皋.新型電驅動控制系統及其相關技術[M].北京: 機械工業出版社,2005.