一種抑制三次諧波轉(zhuǎn)矩脈動的雙繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)

周子莘,王心堅,王穎飛

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海201804)

0 引 言

蓄電池是制約電動汽車(以下簡稱EV)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。蓄電池的充電技術(shù)越來越受到國內(nèi)外學(xué)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(fā)展的主要因素之一[2]。EV充電系統(tǒng)總體上可分為車載型充電系統(tǒng)和獨立型充電系統(tǒng)兩種。其中獨立型充電系統(tǒng)由位于車內(nèi)的電機(jī)、蓄電池組、驅(qū)動變流器以及安裝于車外地面的獨立型充電變流器構(gòu)成,一般充電電流較大以實現(xiàn)快充;車載型充電系統(tǒng)包括位于車內(nèi)的蓄電池組、驅(qū)動變流器、充電變流器和電機(jī),可直接連接到家用插座上進(jìn)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(guī)模普及使用,車載型充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。但車載型充電系統(tǒng)還有諸多問題,國內(nèi)外研究人員針對其成本高、體積大、質(zhì)量大、功率等級低的缺點,提出了驅(qū)動系統(tǒng)與蓄電池充電集成化拓?fù)鋄4-5],即把電機(jī)的電感作為Boost/Buck電路的儲能電感使用,將牽引驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器硬件結(jié)構(gòu)整合為充電系統(tǒng)的整流器結(jié)構(gòu)給蓄電池充電,并且通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制策略,使變流器分別完成逆變、整流和功率因數(shù)校正,扭轉(zhuǎn)車載充電系統(tǒng)在質(zhì)量、體積、成本和充電質(zhì)量等方面的劣勢。

國內(nèi)外學(xué)者已提出諸多不同類型的電機(jī)驅(qū)動和電池充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-10]。文獻(xiàn)[7]是基于感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動和電池充電一體化系統(tǒng),通過使用繼電器實現(xiàn)驅(qū)動模式和充電模式的轉(zhuǎn)換,在充電系統(tǒng)中電機(jī)繞組充當(dāng)儲能電感來重構(gòu)整流器。但使用三相交流充電時會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩問題。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]提出適用于多電機(jī)驅(qū)動電動汽車一體化混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),牽引模式下電機(jī)中性點懸空,蓄電池通過4個逆變器分別驅(qū)動4個電機(jī);充電模式下單相電流連接至2個電機(jī)的中性點之間,因每個電機(jī)繞組中流過的電流均相等而不存在電磁轉(zhuǎn)矩。但該結(jié)構(gòu)成本高且只適用于四輪驅(qū)動。文獻(xiàn)[9]提出具有功率因數(shù)校正的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。電機(jī)繞組作為3個并聯(lián)電感重構(gòu)三相全橋驅(qū)動拓?fù)溆米鞒潆娔Ｊ降腄C/DC升壓變換電路,因此通過電機(jī)的電流為單相,電機(jī)不存在電磁轉(zhuǎn)矩,保持靜止。文獻(xiàn)[10]提出基于嵌入式永磁同步電動機(jī)的具有隔離作用的電機(jī)驅(qū)動和蓄電池充電雙向一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)中的嵌入式永磁同步電動機(jī)采用雙定子繞組結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)矩。

圖1 一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

綜上國內(nèi)外文獻(xiàn)所述,不同類型的電機(jī)驅(qū)動與電池充電集成化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在充電模式都應(yīng)滿足無電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子保持相對靜止的要求。文獻(xiàn)[11]針對集成化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)三相繞組電流之和恒為零即為差模,驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)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(lián)電感,所以不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。但事實上,電機(jī)為非線性模式,零序電流雖然不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,但會影響電機(jī)的飽和情況,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。因而在充電模式下,電機(jī)受共模電流激勵會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動,轉(zhuǎn)子只有?？吭谙鄬τ诙ㄗ永@組的特定位置時才沒有轉(zhuǎn)矩,保持相對靜止,而在大多數(shù)位置上有明顯受力傾向,產(chǎn)生機(jī)械沖擊,影響系統(tǒng)的壽命。此外,零序電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動也會影響牽引模式下驅(qū)動電機(jī)的工作性能。

圖2 共模模型和差模模型

1 永磁同步電動機(jī)dq0模型

為分析共模模式下零序電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動情況,建立正弦波永磁同步電動機(jī)dq0坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型。

永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈由基波和三次諧波構(gòu)成[12],幅值分別用φf,φ3f表示。永磁同步電動機(jī)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(biāo)到dq0坐標(biāo)系的變換公式如下:

式(2)代入式(1)得到dq0坐標(biāo)系的磁鏈方程:

dq0坐標(biāo)系下的電壓方程為:

式中:R表示相電阻。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程:

式中:p為電機(jī)極對數(shù)。

由式(5)可知,永磁同步電動機(jī)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。零序電流方程:

由零序電流激勵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動為3n次脈動分量,影響驅(qū)動模式下電機(jī)的穩(wěn)定運行以及在充電模式下造成轉(zhuǎn)子機(jī)械沖擊。因此,電機(jī)驅(qū)動與蓄電池充電集成化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)最大程度消除由零序電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。

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

圖3 1/4電機(jī)模型圖

圖4 為電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩脈動對比圖,圖5為轉(zhuǎn)矩諧波分布圖。從圖5可知,電流激勵中的零序電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動,且該脈動以3次和9次諧波為主。仿真結(jié)果與dq0模型分析結(jié)果相一致。

圖4 轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 轉(zhuǎn)矩FFT分布圖

2 雙繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)

由永磁同步電動機(jī)dq0坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型可知,本質(zhì)上,零序電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動是由永磁磁鏈的非正弦化引起的,優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu),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(jù)文獻(xiàn)[13]提出雙繞組永磁同步電動機(jī)雙dq數(shù)學(xué)模型,將dq0模型拓展為雙dq0模型,得到電磁轉(zhuǎn)矩方程:

式中:下標(biāo)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(jù)此思想,本文提出一種特殊的嵌入式永磁同步電動機(jī),采用雙定子繞組結(jié)構(gòu),兩套三相繞組空間對稱。采用合適的控制策略,使一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電機(jī)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(chǎn)生的3次和9次諧波轉(zhuǎn)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(jī)定子中有兩套旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖

方案②:將8極48槽電機(jī)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(jī),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(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果

為了驗證以上分析結(jié)果,借助ANASYS Maxwell軟件對兩種雙繞組方案進(jìn)行仿真分析。電機(jī)電流激勵參數(shù)如下:

圖8為在電流激勵(a)條件下,單繞組電機(jī)和兩種雙繞組電機(jī)的轉(zhuǎn)矩仿真曲線。由圖8可知,三種電機(jī)模型得到的轉(zhuǎn)矩曲線完全重合,說明雙繞組電機(jī)在無零序電流激勵時與普通永磁同步電動機(jī)完全等效,即該雙繞組結(jié)構(gòu)不影響電機(jī)驅(qū)動性能。

圖8 i0=0時的轉(zhuǎn)矩曲線

圖9 為在電流激勵(b)下,兩種雙繞組方案的轉(zhuǎn)矩仿真曲線,圖10為兩條轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)能消除由零序電流激勵產(chǎn)生的3次和9次諧波轉(zhuǎn)矩脈動,降低電機(jī)的諧波轉(zhuǎn)矩,但會產(chǎn)生少量偶數(shù)次諧波。其中方案②的雙繞組結(jié)構(gòu)中的諧波幅值小,抑制效果更佳。

圖9 i0=300 A時的轉(zhuǎn)矩曲線

圖10 i0=300 A時的轉(zhuǎn)矩FFT分布圖

4 結(jié) 語

針對電機(jī)驅(qū)動和蓄電池充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在零序電流引起的3次和9次諧波轉(zhuǎn)矩脈動問題,本文研究了一種雙定子繞組永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu),經(jīng)對該電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析及仿真計算,得到如下結(jié)論:雙定子繞組電機(jī)能抑制3次和9次轉(zhuǎn)矩諧波,有效降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。并對比兩種雙繞組結(jié)構(gòu),分析得出空間相隔180°的雙繞組結(jié)構(gòu)更優(yōu)。