基于电动汽车驱动的双定子永磁无刷直流电机绕组换接运行分析

王雅玲 徐衍亮

（山东大学电气工程学院 济南 250061）

1 引言

随着环境污染及石油危机的加剧，电动汽车的研究开发日益得到重视，在目前蓄电池技术未得到突破的境况下，电动汽车的驱动系统是研究重点。现代电动汽车驱动系统应具有以下特性[1]：①高功率密度和高转矩密度；②低速大转矩和高速小转矩的输出能力；③宽广的调速范围，并在宽广调速范围内具有较高的运行效率；④高可靠性和低成本。电动汽车驱动系统基于驱动电机而实现，永磁无刷直流电机在目前常用的驱动电机中具有最高效率、最高功率密度和转矩密度，但其难以弱磁扩速，难以实现较低逆变器容量下的低速大转矩和高速小转矩输出。

为进一步完善永磁无刷直流电机的性能，使其更好地满足电动汽车的驱动要求，众多学者做了大量研究工作。其中，文献[2-4]将永磁无刷直流电机的定子绕组设计成串并联绕组，在低速大转矩输出时绕组采用串联型式，在高速小转矩运行时绕组采用并联型式，在一定程度上满足了电动汽车的驱动要求。文献[5]将电机绕组设计成两套绕组，这两套绕组既可串联也可单独运行，具有与永磁无刷直流电机串并联绕组相似的性能。显然，这两种方法并不能进一步提高永磁无刷直流电机的功率密度和转矩密度。

双定子永磁无刷直流电机是一种可看作在一台内转子永磁无刷直流电机内部又加装了一台外转子永磁无刷直流电机的新型永磁无刷直流电机[6-8]，其充分利用了电机的内部空间，不但极大地提高了电机的功率密度和转矩密度、降低了成本，而且内外电机具有独立的定子绕组，既可串联运行也可单独运行，通过合理的切换内外定子绕组的连接方式，能够使电机很好地满足电动汽车低速大转矩和高速小转矩的性能要求。

本文首先介绍了双定子永磁无刷直流电动机的结构原理，在此基础上，专门设计了一台电动汽车驱动用双定子永磁无刷直流电机，通过绕组换接拓展了其调速范围，给出了其整体转矩转速特性曲线；其次对样机采用有限元仿真和实验的方法，实现了双定子永磁无刷直流电机的低速大转矩和高速小转矩运行，确定了能够提高电机整体运行性能需要采用的绕组连接方式的选择原则；最后给出了双定子永磁无刷直流电机绕组换接的方法和换接电路，并对绕组换接过程进行了有限元仿真，结果表明，所采用的绕组换接开关和换接方法具有简单可靠和冲击小的特点。

2 双定子永磁无刷直流电机的结构原理及其转矩转速特性曲线

图1为双定子永磁无刷直流电机的结构图及空载磁力线分布图，其由外定子、中间转子及内定子构成，其中中间转子的内外磁体具有相同的充磁方向，即中间转子的轭部只有径向磁场而无周向磁场，该轭部厚度只取决于材料的机械强度。中间转子轭、转子外磁体与外定子可看作一台内转子永磁无刷直流电机（外电机），中间转子轭、转子内磁体与内定子可看作一台外转子永磁无刷直流电机（内电机），即双定子永磁无刷直流电机相当于在一台内转子永磁无刷直流电机的内部加装了一台外转子永磁无刷直流电机，并且电机具有很小的转子轭部，因此双定子永磁无刷直流电机具有极高的功率密度和转矩密度。

图1 双定子永磁无刷直流电机的结构图及空载磁力线分布图Fig.1 DSBLDC structure and magnetic line distribution at no load

显然，相对于内定子绕组，外定子绕组具有较大的电压容量和每相串联匝数，考虑到内外定子绕组的串联运行，两套绕组设计为具有相同的电流容量。内外定子绕组的串联运行和单独运行可使双定子永磁无刷直流电机产生不同的转矩转速特性，以本文专门设计的一台用于电动汽车驱动的双定子永磁无刷直流电机为例，分别分析了其内外定子绕组串联运行和单独运行所产生的转矩转速特性，从而得到适合电动汽车驱动的整体转矩转速特性。

以双定子永磁无刷直流电机内外定子绕组串联运行满足电动汽车的低速爬坡和起动加速为标准设计该电机，该电机内外定子绕组串联运行时的额定性能为3.9kW、DC98V、2 050r/min，经过分析设计得到该电机的主要结构参数见表 1。该电机采用 3相10极12槽结构，以降低内外定子铁心轭部厚度、缩短内外定子绕组端部长度，从而进一步降低电机的体积和重量，提高电机的功率密度、转矩密度和运行效率。

表1 双定子永磁无刷直流电机主要结构参数Tab.1 The main structural parameters of DSBLDC

采用电磁场有限元法对该样机内外定子绕组串联运行、外定子绕组单独运行和内定子绕组单独运行进行额定性能（转折转速工作点）的仿真分析，所得结果见表 2。在仿真时，外加直流电压为DC98V，要求三种运行方式下具有相同的直流母线电流，因而具有相近的相电流有效值。图2为该样机所具有的转矩转速特性曲线。

表2 不同绕组连接方式下电机的额定性能Tab.2 The rated performance of DSBLDC with different winding connection modes

图2 样机转矩转速特性曲线Fig.2 DSBLDC torque speed curve

由表2和图2可知，在内外定子绕组串联运行、外定子绕组单独运行和内定子绕组单独运行时电机的转矩转速范围分别由矩形区域 OABIO、OKDHO和 OJFGO表示，即通过绕组换接拓展了电机的转速范围，使转矩转速特性包络线由 AB拓展为ABCDEFG，很好地适应了电动汽车低速大转矩、高速小转矩的驱动性能要求；同时，在各不同转折转速点B、D、F上，电机具有相近的输出功率和效率，即B、D、F三点相当于恒功率点。

3 双定子永磁无刷直流电机绕组换接运行状态确定

将该样机的转矩转速区域进行细分，如图2所示，可以看出，区域1、4、6分别可通过三种绕组连接方式单独实现；区域2既可通过内外定子绕组串联运行实现，也可通过外定子绕组单独运行实现；区域5可通过外定子绕组和内定子绕组单独运行实现；而区域3三种绕组连接方式均可实现。

图3a和图3b分别为 800r/min、1 500r/min两个转速、不同绕组连接方式下样机的运行效率和直流母线电流随输出转矩的变化曲线。对照图2可以看出，尽管区域3可通过三种绕组连接方式实现，但内外定子绕组串联运行使电机具有最高的运行效率并需要最低的直流母线电流。而区域2可通过内外定子绕组串联运行和外定子绕组单独运行实现，但显然前者使电机具有更好的性能。同样，由图3c和图3d所给出的2 400r/min、2 800r/min转速下电机内定子绕组单独运行和外定子单独运行时电机的性能曲线可以看出，在区域5内，外定子绕组单独运行时电机的性能优于内定子绕组单独运行的性能。

图3 不同转速、不同绕组连接方式下样机性能曲线Fig.3 DSBLDC performance curves with different winding connection modes at different speeds

图4为这一样机的实物图，对该电机进行了内外定子绕组串联运行和外定子绕组的单独运行的实验，图5给出了两种连接方式均可实现的部分区域实验曲线。由图5可以看出，在内外定子绕组串联运行及外定子绕组单独运行均可实现的功率范围内，前者使电机具有更好的性能。

图4 样机实物图Fig.4 DSBLDC prototype

图5 样机实验曲线Fig.5 DSBLDC prototype experiment curves

为实现双定子永磁无刷直流电机宽广的转矩转速运行范围，同时具有较高的综合运行效率，需要合理的切换内外定子绕组的连接方式。由上述仿真分析和实验结果可知，在由两种及两种以上绕组连接方式均可实现的区域内，电机性能的优劣顺序为：内外定子绕组串联运行＞外定子绕组单独运行＞内定子绕组单独运行。因此，在电机运行过程中，绕组连接方式也应依上述顺序选择确定。

4 绕组换接的实现

4.1 绕组换接电路及换接开关

图6为双定子永磁无刷直流电机绕组换接电路示意图，每相绕组采用3个开关来实现外定子绕组（用out-out表示）和内定子绕组（用in-in表示）串联、单独运行状态之间的切换。以A相绕组为例，当KA2、KA3断开，KA1闭合时，内外定子绕组串联运行；当KA1、KA2断开，KA3闭合时，外定子绕组单独运行；当KA1、KA3断开，KA2闭合时，内定子绕组单独运行。

图6 绕组换接电路示意图Fig.6 Winding switching circuit schematic diagram

绕组换接开关元件可以是接触器等有机械触点的开关，也可以是无触点的电力电子开关元件，相对于前者，后者具有动作快、无通断火花和体积小的优点，是电机绕组换接的理想选择。由于换接开关位于逆变器与电机绕组之间，开关闭合后流过交变电流，从降低成本及降低控制复杂度考虑，选用双向晶闸管作为绕组换接开关元件。

4.2 绕组换接过程分析及其仿真

由于双向晶闸管是半控器件，其开通可控关断不可控，电流过零时自然关断，因此为避免绕组换接时出现短路，需要在绕组电流过零点时进行换接，即在各相电流过零时依此进行绕组换接。

以内外定子绕组串联运行换接至外定子绕组单独运行为例分析绕组换接过程，如图7所示。绕组换接前内外定子绕组串联，KA1、KB1和KC1闭合，其他开关元件断开。假设此时AB相导通如图7a所示；待B相电流过零后，KB1断开，KB3闭合，此时AC相导通如图7b所示；待A相电流过零后，KA1断开，KA3闭合，此时 BC相导通如图7c所示，其中C相绕组仍是内外定子绕组串联，而B相绕组仅外定子绕组接入电路；待C相电流过零后，KC1断开，KC3闭合，此时AB相导通如图7d所示，绕组换接过程结束，之后各相绕组的外定子绕组单独运行。整个换接过程在半个电周期内即可完成。其他绕组连接方式的换接过程与由内外定子串联运行换接至外定子绕组单独运行过程同理，在此不再赘述。

图7 绕组换接过程（串→外）Fig.7 Winding switching process

另外，整个换接过程中电机绕组是依次换接的，存在电机不对称运行的状态，但是由于整个换接过程时间很短，且永磁电机电感较小，电流跟踪速度快，可避免电流产生较大的波动。在绕组换接完成时，由于换接后接入逆变器的绕组变化使得电机的运行状态改变，需要通过控制器调节电流，从而使电机可以迅速达到换接后所需的稳定状态。

对绕组的换接过程进行了有限元仿真，图8为基于双向晶闸管的双定子永磁无刷直流电机绕组换接仿真主电路。整个仿真过程设置如下：在0时刻电机内外定子串联运行，给定800r/min转速，带负载 12.1N·m从静止开始起动加速；从 75ms开始依次切断各相内定子绕组，换接至外定子绕组单独运行；在110ms时将负载降至5.8N·m（考虑到下一步换接至内定子绕组单独运行而将负载调小，以保证内定子绕组单独运行时电流不至于过大）；然后从135ms开始依次将各相由外定子绕组单独运行换接至内定子绕组单独运行。图9为该样机绕组换接过程的内、外定子绕组相电流、电磁转矩及转速仿真波形，可以看出，换接过程中电机运行状态调节速度很快，电磁转矩和转速均无明显波动，电流也没有出现冲击现象。

图8 绕组换接仿真主电路图Fig.8 The main circuit of winding switching simulation

图9 样机绕组换接过程有限元仿真波形Fig.9 The FEA waveforms of winding switching process

5 结论

本文对基于电动汽车驱动的双定子永磁无刷直流电机的性能进行了理论分析、有限元仿真和实验验证，得出以下主要结论：

（1）双定子永磁无刷直流电机因其特殊的双定子结构使其具有极高功率密度和转矩密度，并能通过内外定子绕组连接方式的切换实现电机的低速大转矩和高速小转矩运行，使该种电机极适合于电动汽车的驱动。

（2）为实现双定子永磁无刷直流电机宽广的运行范围，且同时具有较高的综合运行效率，需要合理的切换电机绕组的连接方式。而在相同的运行条件下，电机性能的优劣顺序为：内外定子绕组串联运行＞外定子绕组单独运行＞内定子绕组单独运行，因此，绕组连接方式也应依上述顺序选择确定。

（3）每相采用3个双向晶闸管作为绕组换接开关，并在每相绕组电流过零时依次进行换接开关的动作，可以很好地实现双定子永磁无刷直流电机的绕组换接。

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