一種抑制三次諧波轉矩脈動的雙繞組電機結構

周子莘,王心堅,王穎飛

(同濟大學 汽車學院,上海201804)

0 引 言

蓄電池是制約電動汽車(以下簡稱EV)發展的關鍵因素[1]。蓄電池的充電技術越來越受到國內外學者和工程師的重視,其主要影響蓄電池充電時間和使用壽命,成為制約EV發展的主要因素之一[2]。EV充電系統總體上可分為車載型充電系統和獨立型充電系統兩種。其中獨立型充電系統由位于車內的電機、蓄電池組、驅動變流器以及安裝于車外地面的獨立型充電變流器構成,一般充電電流較大以實現快充;車載型充電系統包括位于車內的蓄電池組、驅動變流器、充電變流器和電機,可直接連接到家用插座上進行充電,能有效利用用電低谷期富余電力[3]。

目前,獨立型充電樁還未大規模普及使用,車載型充電系統結構簡單、無需配備地面充電樁,逐漸成為汽車廠商和消費者的選擇,也是學術界和工業界的研究熱點。但車載型充電系統還有諸多問題,國內外研究人員針對其成本高、體積大、質量大、功率等級低的缺點,提出了驅動系統與蓄電池充電集成化拓撲[4-5],即把電機的電感作為Boost/Buck電路的儲能電感使用,將牽引驅動系統的逆變器硬件結構整合為充電系統的整流器結構給蓄電池充電,并且通過優化拓撲結構和相應的控制策略,使變流器分別完成逆變、整流和功率因數校正,扭轉車載充電系統在質量、體積、成本和充電質量等方面的劣勢。

國內外學者已提出諸多不同類型的電機驅動和電池充電一體化拓撲結構[6-10]。文獻[7]是基于感應電機的電機驅動和電池充電一體化系統,通過使用繼電器實現驅動模式和充電模式的轉換,在充電系統中電機繞組充當儲能電感來重構整流器。但使用三相交流充電時會產生電磁轉矩問題。文獻[7]和文獻[8]提出適用于多電機驅動電動汽車一體化混合拓撲結構,牽引模式下電機中性點懸空,蓄電池通過4個逆變器分別驅動4個電機;充電模式下單相電流連接至2個電機的中性點之間,因每個電機繞組中流過的電流均相等而不存在電磁轉矩。但該結構成本高且只適用于四輪驅動。文獻[9]提出具有功率因數校正的一體化拓撲結構,如圖1所示。電機繞組作為3個并聯電感重構三相全橋驅動拓撲用作充電模式的DC/DC升壓變換電路,因此通過電機的電流為單相,電機不存在電磁轉矩,保持靜止。文獻[10]提出基于嵌入式永磁同步電動機的具有隔離作用的電機驅動和蓄電池充電雙向一體化拓撲結構,該結構中的嵌入式永磁同步電動機采用雙定子繞組結構,牽引模式下雙繞組電路等效為典型的三相全橋逆變電路,充電模式下電路等效為隔離型三相PWM整流電路,每個繞組流過的電流相等,不存在電磁轉矩。

圖1 一體化拓撲結構圖

綜上國內外文獻所述,不同類型的電機驅動與電池充電集成化拓撲結構在充電模式都應滿足無電磁轉矩、轉子保持相對靜止的要求。文獻[11]針對集成化拓撲結構的牽引模式和充電模式,提出了差模模型和共模模型,如圖2所示。電機三相繞組電流之和恒為零即為差模,驅動電機產生電磁轉矩;三相繞組之和非零為共模,蓄電池充電。共模電流也稱作零序電流,為單相電流,通過三相并聯電感,所以不產生電磁轉矩。但事實上,電機為非線性模式,零序電流雖然不產生電磁轉矩,但會影響電機的飽和情況,產生轉矩脈動。因而在充電模式下,電機受共模電流激勵會產生轉矩脈動,轉子只有停靠在相對于定子繞組的特定位置時才沒有轉矩,保持相對靜止,而在大多數位置上有明顯受力傾向,產生機械沖擊,影響系統的壽命。此外,零序電流產生的轉矩脈動也會影響牽引模式下驅動電機的工作性能。

圖2 共模模型和差模模型

1 永磁同步電動機dq0模型

為分析共模模式下零序電流產生的轉矩脈動情況,建立正弦波永磁同步電動機dq0坐標數學模型。

永磁同步電動機轉子磁鏈由基波和三次諧波構成[12],幅值分別用φf,φ3f表示。永磁同步電動機在abc軸系的磁鏈方程:

式中:LS,MS分別表示三相繞組的自感和互感;θe表示電角度。

abc坐標到dq0坐標系的變換公式如下:

式(2)代入式(1)得到dq0坐標系的磁鏈方程:

dq0坐標系下的電壓方程為:

式中:R表示相電阻。

電機電磁轉矩方程:

式中:p為電機極對數。

由式(5)可知,永磁同步電動機三相繞組中的零序電流i0與3n(n=1,2,…)次的永磁磁鏈相互作用產生轉矩脈動。零序電流方程:

由零序電流激勵產生的轉矩脈動為3n次脈動分量,影響驅動模式下電機的穩定運行以及在充電模式下造成轉子機械沖擊。因此,電機驅動與蓄電池充電集成化拓撲結構中應當最大程度消除由零序電流產生的轉矩脈動。

本文研究對象為8極48槽永磁同步電動機,雙層分布式繞組,繞組跨距為5,額定輸出轉矩為48 N·m,如圖3所示。

圖3 1/4電機模型圖

圖4 為電機在id=-61.37 A,iq=125.83 A電流激勵條件下有無零序電流(i0=300 A)時電機轉矩脈動對比圖,圖5為轉矩諧波分布圖。從圖5可知,電流激勵中的零序電流產生轉矩脈動,且該脈動以3次和9次諧波為主。仿真結果與dq0模型分析結果相一致。

圖4 轉矩曲線

圖5 轉矩FFT分布圖

2 雙繞組電機結構

由永磁同步電動機dq0坐標數學模型可知,本質上,零序電流產生轉矩脈動是由永磁磁鏈的非正弦化引起的,優化電機結構,減小永磁磁鏈畸變,是減小零序電流影響的有效方法之一。根據文獻[13]提出雙繞組永磁同步電動機雙dq數學模型,將dq0模型拓展為雙dq0模型,得到電磁轉矩方程:

式中:下標1和2分別代表第一套和第二套三相繞組。由式(7)可推知,完全對稱的兩套繞組中的零序電流相反,即可消除3次諧波。

根據此思想,本文提出一種特殊的嵌入式永磁同步電動機,采用雙定子繞組結構,兩套三相繞組空間對稱。采用合適的控制策略,使一體化拓撲結構中電機的雙定子繞組流過的零序電流相反,即可抑制由零序電流激勵產生的3次和9次諧波轉矩脈動。

下文將對比分析兩種不同的雙定子繞組分布方式對脈動諧波的抑制作用。

方案①:永磁同步電動機定子中有兩套旋轉對稱的三相繞組,三相繞組間相隔120°電角度,兩套繞組錯開30°電角度。圖6為兩套三相繞組的矢量圖。繞組一和繞組二中的零序電流相反。

圖6 方案①繞組結構圖

方案②:將8極48槽電機繞組分割為空間上相隔180°的兩套繞組,整體等效為兩個相互耦合的4極24槽電機,如圖7所示,虛線上半部為繞組一、下半部繞組為繞組二。

圖7 方案②繞組結構圖

3 仿真結果

為了驗證以上分析結果,借助ANASYS Maxwell軟件對兩種雙繞組方案進行仿真分析。電機電流激勵參數如下:

圖8為在電流激勵(a)條件下,單繞組電機和兩種雙繞組電機的轉矩仿真曲線。由圖8可知,三種電機模型得到的轉矩曲線完全重合,說明雙繞組電機在無零序電流激勵時與普通永磁同步電動機完全等效,即該雙繞組結構不影響電機驅動性能。

圖8 i0=0時的轉矩曲線

圖9 為在電流激勵(b)下,兩種雙繞組方案的轉矩仿真曲線,圖10為兩條轉矩曲線的傅里葉諧波分布圖。對比圖5和圖10,雙定子繞組結構能消除由零序電流激勵產生的3次和9次諧波轉矩脈動,降低電機的諧波轉矩,但會產生少量偶數次諧波。其中方案②的雙繞組結構中的諧波幅值小,抑制效果更佳。

圖9 i0=300 A時的轉矩曲線

圖10 i0=300 A時的轉矩FFT分布圖

4 結 語

針對電機驅動和蓄電池充電一體化拓撲結構中存在零序電流引起的3次和9次諧波轉矩脈動問題,本文研究了一種雙定子繞組永磁同步電動機結構,經對該電機結構進行理論分析及仿真計算,得到如下結論:雙定子繞組電機能抑制3次和9次轉矩諧波,有效降低電機的轉矩脈動。并對比兩種雙繞組結構,分析得出空間相隔180°的雙繞組結構更優。