環形繞組無刷直流電機的強迫換相

賈喆武，林黃達

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環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直流電機電樞類似的環形結構繞組，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 環形繞組 強迫換相

0 引言

隨著艦船全電力推進系統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。傳統的常規無刷直流電機（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，導致換相轉矩脈動大[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，通過開關器件實現電流的換向。這種環形的繞組結構，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為傳統直流電機和CWBLDC電機的結構對比圖。

圖1(a)為傳統兩極12槽有刷直流電機，繞組首位連接成環形，每個繞組末端連接換向器，通過電刷實現繞組電流的換向。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電流的轉換。而傳統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反向二極管，以實現開關器件關斷之后繞組的續流，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，所以續流二極管DL1處于負壓狀態，未導通。繞組1電流通過C1續流，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。且并聯支路1兩端電壓增大到，所以i逐漸增大，而并聯支路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，為并聯支路1中連續5個繞組元件的總電感，為并聯支路2中連續5個繞組元件的總電感，且=，=并聯支路1和并聯支路2之間的互感。

當U=時，反并聯二極管DL1導通，為換相繞組1和并聯支路2續流，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，并聯支路2相當于短路。換相繞組1和并聯電容的電路方程如公式(3)，并聯支路1所在電路方程如公式(8)，i增大。而并聯支路2相當于短路，通過并聯的電容放電續流，所以i將逐漸減小。

當流過換相繞組1的電流i增大到與并聯支路2電流i相等時，續流二極管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電流的關斷和導通，實現電機繞組的換相。

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

[2] 范嘯平，王敏. 現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。