一种抑制三次谐波转矩脉动的双绕组电机结构

周子莘,王心坚,王颖飞

(同济大学 汽车学院,上海201804)

0 引 言

蓄电池是制约电动汽车(以下简称EV)发展的关键因素[1]。蓄电池的充电技术越来越受到国内外学者和工程师的重视,其主要影响蓄电池充电时间和使用寿命,成为制约EV发展的主要因素之一[2]。EV充电系统总体上可分为车载型充电系统和独立型充电系统两种。其中独立型充电系统由位于车内的电机、蓄电池组、驱动变流器以及安装于车外地面的独立型充电变流器构成,一般充电电流较大以实现快充;车载型充电系统包括位于车内的蓄电池组、驱动变流器、充电变流器和电机,可直接连接到家用插座上进行充电,能有效利用用电低谷期富余电力[3]。

目前,独立型充电桩还未大规模普及使用,车载型充电系统结构简单、无需配备地面充电桩,逐渐成为汽车厂商和消费者的选择,也是学术界和工业界的研究热点。但车载型充电系统还有诸多问题,国内外研究人员针对其成本高、体积大、质量大、功率等级低的缺点,提出了驱动系统与蓄电池充电集成化拓扑[4-5],即把电机的电感作为Boost/Buck电路的储能电感使用,将牵引驱动系统的逆变器硬件结构整合为充电系统的整流器结构给蓄电池充电,并且通过优化拓扑结构和相应的控制策略,使变流器分别完成逆变、整流和功率因数校正,扭转车载充电系统在质量、体积、成本和充电质量等方面的劣势。

国内外学者已提出诸多不同类型的电机驱动和电池充电一体化拓扑结构[6-10]。文献[7]是基于感应电机的电机驱动和电池充电一体化系统,通过使用继电器实现驱动模式和充电模式的转换,在充电系统中电机绕组充当储能电感来重构整流器。但使用三相交流充电时会产生电磁转矩问题。文献[7]和文献[8]提出适用于多电机驱动电动汽车一体化混合拓扑结构,牵引模式下电机中性点悬空,蓄电池通过4个逆变器分别驱动4个电机;充电模式下单相电流连接至2个电机的中性点之间,因每个电机绕组中流过的电流均相等而不存在电磁转矩。但该结构成本高且只适用于四轮驱动。文献[9]提出具有功率因数校正的一体化拓扑结构,如图1所示。电机绕组作为3个并联电感重构三相全桥驱动拓扑用作充电模式的DC/DC升压变换电路,因此通过电机的电流为单相,电机不存在电磁转矩,保持静止。文献[10]提出基于嵌入式永磁同步电动机的具有隔离作用的电机驱动和蓄电池充电双向一体化拓扑结构,该结构中的嵌入式永磁同步电动机采用双定子绕组结构,牵引模式下双绕组电路等效为典型的三相全桥逆变电路,充电模式下电路等效为隔离型三相PWM整流电路,每个绕组流过的电流相等,不存在电磁转矩。

图1 一体化拓扑结构图

综上国内外文献所述,不同类型的电机驱动与电池充电集成化拓扑结构在充电模式都应满足无电磁转矩、转子保持相对静止的要求。文献[11]针对集成化拓扑结构的牵引模式和充电模式,提出了差模模型和共模模型,如图2所示。电机三相绕组电流之和恒为零即为差模,驱动电机产生电磁转矩;三相绕组之和非零为共模,蓄电池充电。共模电流也称作零序电流,为单相电流,通过三相并联电感,所以不产生电磁转矩。但事实上,电机为非线性模式,零序电流虽然不产生电磁转矩,但会影响电机的饱和情况,产生转矩脉动。因而在充电模式下,电机受共模电流激励会产生转矩脉动,转子只有停靠在相对于定子绕组的特定位置时才没有转矩,保持相对静止,而在大多数位置上有明显受力倾向,产生机械冲击,影响系统的寿命。此外,零序电流产生的转矩脉动也会影响牵引模式下驱动电机的工作性能。

图2 共模模型和差模模型

1 永磁同步电动机dq0模型

为分析共模模式下零序电流产生的转矩脉动情况,建立正弦波永磁同步电动机dq0坐标数学模型。

永磁同步电动机转子磁链由基波和三次谐波构成[12],幅值分别用φf,φ3f表示。永磁同步电动机在abc轴系的磁链方程:

式中:LS,MS分别表示三相绕组的自感和互感;θe表示电角度。

abc坐标到dq0坐标系的变换公式如下:

式(2)代入式(1)得到dq0坐标系的磁链方程:

dq0坐标系下的电压方程为:

式中:R表示相电阻。

电机电磁转矩方程:

式中:p为电机极对数。

由式(5)可知,永磁同步电动机三相绕组中的零序电流i0与3n(n=1,2,…)次的永磁磁链相互作用产生转矩脉动。零序电流方程:

由零序电流激励产生的转矩脉动为3n次脉动分量,影响驱动模式下电机的稳定运行以及在充电模式下造成转子机械冲击。因此,电机驱动与蓄电池充电集成化拓扑结构中应当最大程度消除由零序电流产生的转矩脉动。

本文研究对象为8极48槽永磁同步电动机,双层分布式绕组,绕组跨距为5,额定输出转矩为48 N·m,如图3所示。

图3 1/4电机模型图

图4 为电机在id=-61.37 A,iq=125.83 A电流激励条件下有无零序电流(i0=300 A)时电机转矩脉动对比图,图5为转矩谐波分布图。从图5可知,电流激励中的零序电流产生转矩脉动,且该脉动以3次和9次谐波为主。仿真结果与dq0模型分析结果相一致。

图4 转矩曲线

图5 转矩FFT分布图

2 双绕组电机结构

由永磁同步电动机dq0坐标数学模型可知,本质上,零序电流产生转矩脉动是由永磁磁链的非正弦化引起的,优化电机结构,减小永磁磁链畸变,是减小零序电流影响的有效方法之一。根据文献[13]提出双绕组永磁同步电动机双dq数学模型,将dq0模型拓展为双dq0模型,得到电磁转矩方程:

式中:下标1和2分别代表第一套和第二套三相绕组。由式(7)可推知,完全对称的两套绕组中的零序电流相反,即可消除3次谐波。

根据此思想,本文提出一种特殊的嵌入式永磁同步电动机,采用双定子绕组结构,两套三相绕组空间对称。采用合适的控制策略,使一体化拓扑结构中电机的双定子绕组流过的零序电流相反,即可抑制由零序电流激励产生的3次和9次谐波转矩脉动。

下文将对比分析两种不同的双定子绕组分布方式对脉动谐波的抑制作用。

方案①:永磁同步电动机定子中有两套旋转对称的三相绕组,三相绕组间相隔120°电角度,两套绕组错开30°电角度。图6为两套三相绕组的矢量图。绕组一和绕组二中的零序电流相反。

图6 方案①绕组结构图

方案②:将8极48槽电机绕组分割为空间上相隔180°的两套绕组,整体等效为两个相互耦合的4极24槽电机,如图7所示,虚线上半部为绕组一、下半部绕组为绕组二。

图7 方案②绕组结构图

3 仿真结果

为了验证以上分析结果,借助ANASYS Maxwell软件对两种双绕组方案进行仿真分析。电机电流激励参数如下:

图8为在电流激励(a)条件下,单绕组电机和两种双绕组电机的转矩仿真曲线。由图8可知,三种电机模型得到的转矩曲线完全重合,说明双绕组电机在无零序电流激励时与普通永磁同步电动机完全等效,即该双绕组结构不影响电机驱动性能。

图8 i0=0时的转矩曲线

图9 为在电流激励(b)下,两种双绕组方案的转矩仿真曲线,图10为两条转矩曲线的傅里叶谐波分布图。对比图5和图10,双定子绕组结构能消除由零序电流激励产生的3次和9次谐波转矩脉动,降低电机的谐波转矩,但会产生少量偶数次谐波。其中方案②的双绕组结构中的谐波幅值小,抑制效果更佳。

图9 i0=300 A时的转矩曲线

图10 i0=300 A时的转矩FFT分布图

4 结 语

针对电机驱动和蓄电池充电一体化拓扑结构中存在零序电流引起的3次和9次谐波转矩脉动问题,本文研究了一种双定子绕组永磁同步电动机结构,经对该电机结构进行理论分析及仿真计算,得到如下结论:双定子绕组电机能抑制3次和9次转矩谐波,有效降低电机的转矩脉动。并对比两种双绕组结构,分析得出空间相隔180°的双绕组结构更优。