双电压工作模式多额定转速无刷直流电动机

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1、双电压工作模式多额定转速无刷直流电动机刘宗锋（枣庄学院 枣庄 277160）摘要 主要是用于电动汽车的无刷直流电动机，在现有的无刷直流电动机的结构和制造工艺下，把一 个圈边分为多个圈边，并对同层的并列圈边进行不同方式的串、并联组合，实现多额定转速，实现低速增 扭的功能，并在双工作电压下工作，实现了小电流、低转速、大扭矩的功能；也可实现高电压、小电流、 高转速的功能。关键词:无刷直流电动；额定转速；工作电压Double voltage working pattern and the multi rated speed Brushless DC motorLIU Zong-feng（Zaozhua

2、ng University，Zaozhuang 277160，China） ABSTRACT：Its Mainly designed for the electric automobile Brushless DC motor. The existing structure of Brushless DC motor is improved by dividing the circle into pieces and reinstall in series or parallel. Multi rated speed, low speed high torque and low current

3、 can be obtained at double working voltage。High voltage, low current and high speed also can be realized with this method.KEY WORDS:Brushless DC motor, Rated speed, Working voltage0 引言电动汽车对驱动电机的要求可归结为：（1）低速运行时输出转矩大，以满足起步或爬坡 时的驱动力要求；（2）高速运行时最大功率转速范围宽，以满足汽车高速行驶的要求。但这 两个要求在很多时候是矛盾的，很难同时满足。无刷直流电动机因其良好的效

4、率特性和高功 率密度，作为电动汽车驱动电机得到了广泛的研究与应用。由于无刷直流电机采用永磁励磁， 弱磁控制较为困难，它的恒功率转速范围较小。为了解决上述矛盾，本文提出了一种多模式 的无刷电机。该电机在现有的无刷直流电动机的结构和制造工艺下，把一个圈边分为多个圈 边，并对同层的并列圈边进行串、并联组合，使电机具有更宽的恒功率工作范围。既能实现 小电流的低速增扭的功能，解决了电动汽车的爬坡问题，又能实现小电流、高电压、高转速 的功能，满足了电动汽车的各种工况。1 多模式无刷直流电机的工作原理由于无刷直流电机与有刷直流电机相类似，为简化分析并便于理解，这里以有刷直流电 机为例进行说明。直流电机的电压

5、方程可表示为：u = Ri + C ne式中u为电枢绕组端电压，R为电枢绕组电阻，C是电势常数，n是电机的转速，是每e极磁通。在额定工作点，u = U ， i = I， 0 = 0 ， n = n。在额定电压不能升高的条件下， nnnn当转速超过额定转速后，若有维持电机的功率不变，则要使O随着n的增加而减小，以维持 电动势COn不变。这就是弱磁调速的基本原理。如果改变电机的绕组连接，从而改变C， ee 也能实现额定转速以上的恒功率调速。下面通过实例进行说明。假设电枢绕组由2N个线圈 串联组成，并联支路数为1，现在改变电枢绕组的连接方式，使电枢绕组由N个线圈串联组 成，并联支路数变为2。根据C的

6、计算公式2可知，绕组改变连接后的电势常数是改变前 e的1/2,同时绕组电阻变为原来的1/2。当n= n=2n ,I = 2I ,电枢端电压和每极磁通维持额 nn 定值不变,则变换后的电压方程仍然平衡,并且电磁转矩也保持不变。因此,通过改变绕组 连接方式可以扩大电机的恒转矩工作范围,从而提高电机的性能。由于绕组连接的改变要通过外部的机械开关或电力电子开关实现,过多的引出线会增加 系统的复杂程度及成本,因此必须考虑一个折中的方案。本文的设计方案每相采用4 条线圈 支路,这样每相有8 个接线端,可实现较复杂的连接,得到丰富的组合。作为实际例子,在表 1 中给出了试验样机每相的各线圈支路的情况,在后面

7、的分析中也 将以此进行分析。之所以没采用4 条线圈支路参数相同的方案,是考虑到连接切换时尽可能 方便,实现起来相对简单。在整个控制过程中每极磁通维持不变。表 1 试验样机的每相线圈支路分配表线圈支路X1X2X3X4串联匝数551.55每匝并绕股数5353由于各线圈支路的并绕股数不同,它们承受电流的能力也是不一样的。在进行连接时 不能把并绕股数不同的线圈支路进行并联,以免分流不均引起线圈烧毁。2 单电源时的工作模式及分析当电机电源是固定的单电源时,随着电机转速的不同,应进行相应的连接切换,以便电机能输出尽可能大的转矩或功率,充分发挥电机的性能。从第 1 节的分析可知,低速时应增 加串联线圈数,高

8、速时应减少串联线圈数。本文试验样机线圈支路有三种连接方式,从而电 机有三种工作模式。2.1 低速运行模式这种工作模式下4条线圈支路串联。由于X2和X4的并绕股数少，绕组电流受这两条 线圈支路的限制。以此时的绕组电流I作为额定电流，电磁转矩T作为额定转矩，则每匝线 11圈每安培电流产生的转矩T可由下式计算：XT =1x I (N + N + N+ N )1 x1X 2X 3X 4(2)T=1-I (5+5+1.5+5)1=0.0606-1I式中 N ， N ， N ，x1x 2x31N 分别是四条线圈之路的串联匝数 x42.2 中速运行模式这种工作模式下 X2 与 X4 并连然后在与 X1 串联

9、， X3 不连。这种情况下绕组电流受X1的限制，绕组电流I =(5/3)1，X1的电流为I = (5/3)I, X2和X4的电流相同，是X12 1x 11电流的一半，即I = I = (5/ 6)I o总的电磁转矩T可计算为x 2x 412T = T (N I + N I + N I )2 xx1 x1x 2 x 2x 4 x 4(5X(36 T5)T 50=0.0606 1 x II 3 11=1.01T12.3 高速运行模式这种工作模式下XI、X2、X4三条线圈支路并联，X3不连。这种情况下各线圈电流均 可达极限值，即X1的电流为I = (5/3)I，X2和X4的电流相同为I = I =

10、I。总的电磁转矩T可计算为3x11x 2x 41T = T (N I + N I + N I )3x x1 x1x2 x 2x4 x 4=T x (51 x 5 +1 x 5 +1 x 5)x 3 1 1 1(4) T 55=0.0606 十 x II 3 11=1.11T12.4 各模式切换速度的选择各模式切换时的转速是电机工作的一个关键因素，直接影响到电机的预期效果能否实现。假定高速运行模式的最大转速为n ，线圈串联匝数为5,绕组感应电动势为E，则 max1 m单位转速每匝线圈产生的感应电动势E可计算为：x(5)(6)Em5nmax1中速模式的串联匝数为10,达到E的转速n可计算为: m2

11、En =m210 Exn=max12也就是说，中速模式工作的转速上限是最大转速的一半。低速模式的串联匝数为16.5，达到E的转速n可计算为： m1En =m1 16.5 E(7)x= 0.303nmax1由控制器完成工作模式的切换可能需要复杂的控制算法，在切换过程中要实现无冲击是 比较困难的，这在初期可模仿汽车的变速档，设置切换开关，由驾驶员根据情况进行切换 由控制器实现转矩的连续。当超过切换转速后，电机的电磁转矩将急剧下降，驾驶员很容易 根据汽车的行驶情况判断是否需要切换。3 双电源电压供电时的工作模式及分析为了进一步提高电动汽车驱动电机的转速范围，还可以采用两种不同电压的电源为电动机供电。

12、在低电压供电时通过线圈支路的连接切换实现电机调速范围的扩大，当所有线圈都 串联后，若想进一步提高工作转速，可采用高电压电源供电。恒转矩调速范围与电源电压近 似成正比。例如高电压是低电压的3 倍时，高电压可在3 倍的低电压最高转速时获得与低电 压工作时相同的电磁转矩，这一点可从式(1)推得。4 额定电流的选择及其对转矩特性的影响以上的分析只是从电机本身的角度进行分析，但实际的电动机是由功率开关器件如IGBT 等供电的，器件本身有一定的电流和电压容量，并不能无限大。另外，电动汽车要求 驱动电机有一定的恒功率运行区间，下面对额定电流选择后电机的特性进行简单的分析。从三种工作模式的绕组电流来看，随着转

13、速的增高，绕组电流可以取更大的值。但受功 率器件电流的限制，高速时要限制电流。如果以低速绕组最大电流 I 作为额定电流，则中速1最大电流I = I , I = I , I = I = I /2，代入式(3)得中速区的最大转矩T = 0.606T。2 1x11 x 2x 41 2 1高速区的最大电流I = I , I = (5/11)I , I = I = 3I /II，代入式(2)得中速区的最大转3 1x11x 2x41矩 T = 0.303T。31图1 是根据上面的分析得出的电机的转矩-转速区线和功率转速曲线。图 1 多模式运行的无刷直流电机的转矩-转速特性曲线如果定义n = n为电机的额定

14、工作转速，此转速的最大转矩为额定转矩T。则0-n的3n1低速段，最大转矩T = 100/30.3T = 3.3T ，在中速区n n n ，最大转矩1nn12T = 60.6/30.3T = 2T。在高速区n n n，的超高速区，电机2n n233 n3采用高压电源供电，电机工作在恒功率模式，恒功率区的宽度由高压电源的电压决定。5 结论一套控制系统， 二套驱动电路；控制系统的工作电压是 60V， 这就实现了低 电压控制， 高电压工作。 实现高电压、小电流、高转速、大扭矩的特性。本方案的多速电机，在双电源电压下工作。通过线圈的串、并联，实现了改 变额定转速及额定转矩的功能，实现了低速、小电流、大扭

15、矩的功能。作为电动 汽车的驱动电机，满足了电动汽车的各种工况，解决了电动汽车的爬坡、起步等 问题。参考文献：1 张琛.直流无刷电动机原理及应用M.北京:机械工业出版社,20012 胡虔生等电机学M.北京:中国电力出版社,20013 谭建成等多档分段变速控制电动机P中国CN00238078.12001.06.234 谭建成直接驱动无刷直流电动机的研究J.微特电机,2001,6.陈顺德电动车用无刷双动力直流电机P中国CN200520113880.X.2006.01.25作者简介: 刘宗锋(1966-) ，男 ,九三社员,副教授,大学文化,工学学士；现从事机 械电子工程方面的教学与科研工作。工作 单位：枣庄 学院 Zaozhuang University； 地址：山东省枣庄市北安路邮编：277160