环形绕组无刷直流电机的强迫换相

2016-10-13贾喆武林黄达

船电技术 2016年5期

贾喆武，林黄达

环形绕组无刷直流电机的强迫换相

贾喆武，林黄达

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033）

环形绕组无刷直流电机（CWBLDC）本质上是一种特殊结构的永磁交流电机，其定子绕组采用与传统直流电机电枢类似的环形结构绕组，在永磁转子的旋转磁场作用下，产生近似于梯形波的反电势波形。这使得电机能够更充分的利用梯形波反电势，从而提高CWBLDC电机的转矩密度。这种环形绕组结构需要相应的换相电路才能正常工作，本文阐述了一种强迫换相方式的基本原理和换相特点，包括强迫换相的分析，仿真和实验。

无刷直流电机环形绕组强迫换相

0 引言

随着舰船全电力推进系统逐渐应用于大型远洋船舶，大容量高转矩密度电机推进电

机的需求越来越强烈[1-2]。而现在推进场合主要应用的永磁同步电机（PMSM，or BLAC）虽然转矩脉动低，但由于其气隙磁密为正弦波，铁心材料利用不充分，转矩密度提高有限。传统的常规无刷直流电机（BLDC）相较于BLAC电机，其气隙磁密为梯形波，转矩密度较高，但BLDC电机一般工作在电流120°导通模式，导致换相转矩脉动大[3-4]，且难以完全消除，所以无法直接应用在大容量高性能领域。

环形绕组无刷直流（CWBLDC）电机[5]是一种新型的电机，结构上与有刷永磁直流电机相似，通过开关器件实现电流的换向。这种环形的绕组结构，能够提高反电势梯形波的利用率，从而提高电机的转矩密度。图1为传统直流电机和CWBLDC电机的结构对比图。

图1(a)为传统两极12槽有刷直流电机，绕组首位连接成环形，每个绕组末端连接换向器，通过电刷实现绕组电流的换向。将电刷和换向器用可控开关器件代替，保留绕组的环形结构，并将磁极用永磁体替代，置于电机转子位子，则得到CWBLDC电机的结构，如图1(b)所示。

CWBLDC能够达到和PMSM同等水平的转矩脉动，高频振动也较小，因此在高转矩密度，高振动特性的舰船推进应用中，有广泛的应用前景。但CWBLDC电机的开关器件使用较多，驱动电路结构复杂，所以要用合适的换相方式来实现电流的转换。而传统的三相或者多相电路的换相方式不适应于CWDLDC电机。

本文介绍了CWBLDC电机的强迫换相方式，在这种换相方式下，通过检测转子磁极中心位置，即绕组反电势过零点，开通和关断相应的开关器件，实现相电流方向的转换。

1 CWBLDC电机的强迫换相过程

图2为一个2极11槽的分数槽CWBLDC电机强迫换相电路原理图。由于强迫换相时，流过换相绕组的电流不为0，所以需要在开关器件上并联反向二极管，以实现开关器件关断之后绕组的续流，而且由于快速关断过程中电压变化率很大，对电机绕组绝缘造成不良影响，所以需要在所有的换向绕组上并联一个小电容，以减小电压变化率。强迫换相的具体过程如图3所示。

1）强迫换相开始前，如图3(a)所示。此时驱动电路中强迫换相未开始，开关器件SH1和SL7导通。2）换相绕组1两端的开关器件SH1和SH2同时导通，如图3(b)所示。绕组1被短路，此过程通常很短。3）驱动电路中开关器件SH1被强制关断，如图3(c)所示。绕组1中电流在直流母线电压作用下继续换向。4）绕组1强迫换相过程结束，如图3(d)所示。

2 强迫换相过程分析

2.1反电势波形基本假设

以每对极11个绕组元件的CWBLDC电机为例，忽略定子电枢反应对气隙磁密波形造成的畸变，气隙磁密（电动势）波形可以近似为图4所示的梯形波，假设梯形波顶部的平顶部分宽度为，且不小于147.3°，且反电势最大值为E。

2.2强迫换相过程

从上面的分析中可以看到，强迫换相大致可以分为4个步骤，下面以1号绕组换相为例分析强迫换相的具体过程。强迫换相发生在1号绕组反电势过零的时刻，假设此时为=0，直流输入电压为，换相开始前流过两并联支路的电流分别为i(0)和i(0)，则流过SH1的电流为[i(0)+i(0)]，如图3(a)所示。

为了使强迫换相时开关器件SH1能够顺利关断，需要提前将开关器件SH2开通，此时驱动电路如图3(b)所示。SH1和SH2只需要同时导通很短一段时间，所以可以将绕组1的反电势近似为0，且此时流过换相绕组1的i电流方向不变。

在=0时刻，强制关断SH1，强迫换相开始，此时驱动电路如图3(c)所示。此时刻由于电容C1两端的电压U=0，所以续流二极管DL1处于负压状态，未导通。绕组1电流通过C1续流，电容两端电压逐渐增加，直到电容C1两端电压为U=，这个过程的等效电路如图5所示，此时:

式中表示一相绕组的电阻，表示一相绕组的电感，e表示1号绕组的反电势。

由于C1主要起抑制的作用，容值很小，所以充电时间很短，可以近似认为在这个过程中i不变，则方程(1)和(2)可以简化为方程(3)

其中为电机转速，单位为rad/s，则可以得到

式中=为常数。且并联支路1两端电压增大到，所以i逐渐增大，而并联支路2两端电压逐渐减小到0，所以 i逐渐减小，忽略绕组1的影响，则有：

上面两式中e为第j相绕组的反电势，由图4可知e=E，为并联支路1中连续5个绕组元件的总电感，为并联支路2中连续5个绕组元件的总电感，且=，=并联支路1和并联支路2之间的互感。

当U=时，反并联二极管DL1导通，为换相绕组1和并联支路2续流，等效电路如图6所示。此时在C1反向电压的作用下，i逐渐减小到0且随后电流反向，并联支路2相当于短路。换相绕组1和并联电容的电路方程如公式(3)，并联支路1所在电路方程如公式(8)，i增大。而并联支路2相当于短路，通过并联的电容放电续流，所以i将逐渐减小。

当流过换相绕组1的电流i增大到与并联支路2电流i相等时，续流二极管DL1断开，强迫换相结束。

3 强迫换相仿真分析

为了验证前面对于CWBLDC电机的强迫换相过程的分析，建立8极46槽的CWBLDC电机的仿真模型，应用Ansys Simplorer + Maxwell进行场路耦合仿真。图7为对CWBLDC电机模型的仿真结果。图7(a)为换相开关器件SH1和SH2在换相过程中的电流变化波形。可以看到在开通SH2，然后关断SH1之后，流过SH1的电流迅速减小到0，流过SH2的电流迅速增加到与SH1关断之前的电流大小，完成一次换相。