一種六相無刷直流電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)分析
譚建成(廣州電器科學(xué)研究院，廣東廣州5l0300
摘要：文章討論了一種電動摩托車用六相無刷直流電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)，比較了兩種結(jié)構(gòu)方案。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；六相：繞組0引言長期以來，在交流電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用得最多的還是三相電機(jī)。但近年研究表明，采用電子變頻器驅(qū)動的電機(jī)，選擇更多的相數(shù)在減少轉(zhuǎn)矩脈動，降低噪聲和損耗，提高效率等方面有突出優(yōu)點(diǎn)。
首先是在船舶電力推進(jìn)、軌道車輛等低壓大功率傳動領(lǐng)域，越來越多轉(zhuǎn)向采用多相電機(jī)系統(tǒng)。
實(shí)際采用較多的相數(shù)包括5相、6相、12相、15相等。
眾所周知，當(dāng)前城市空氣污染己成為一個世界性的環(huán)境問題，電動車的采用是降低或消除車輛廢氣排放與污染的有效途徑之一。眼下，油價(jià)的飆升，更是促進(jìn)我國電動自行車、電動摩托車等小型電動車市場發(fā)展的直接因素。無刷直流電機(jī)，特別是采用外轉(zhuǎn)子輪轂式結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī)在小型電動車運(yùn)用日漸增多，其技術(shù)改進(jìn)方向之一是多相方案的采用。
1六相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)
過去l kw左右的小型電動車無刷直流電機(jī)系統(tǒng)均采用三相技術(shù)方案，其要點(diǎn)是：電機(jī)用一套三相繞組，三個霍爾位置傳感器，電子換相驅(qū)動器用一套六個橋臂逆變器，每個橋臂用兩個功率開關(guān)管并聯(lián)，只需六個柵極驅(qū)動電路。而新的六相技術(shù)方桑要點(diǎn)是：電機(jī)用兩套三相繞組，六個霍爾位置傳感器，電子換相驅(qū)動器用兩套六個橋臂逆變器，每個橋臂用一個功率開關(guān)管，需要12個柵極驅(qū)動電路，兩套電流環(huán)控制。顯然，六相技術(shù)方案增加了電機(jī)和控制器復(fù)雜性威本稍有增加，目的是換取技術(shù)上的優(yōu)勢。與常用的三相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)相比，六相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)電機(jī)運(yùn)行時(shí)力矩波動減少，運(yùn)行較平穩(wěn)，振動和噪聲較低。這是由于相數(shù)增加倍， 一個電氣周期內(nèi)換相狀態(tài)數(shù)從6增加到12，力矩的脈動頻率增加了 倍。它由兩套三相系統(tǒng)組成，一套系統(tǒng)換相時(shí)，另一套系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，使電機(jī)力矩的脈動幅度下降。這都有利于降低電機(jī)的振動和噪聲，也有利于改善低速運(yùn)行性能。
(2)在同樣功率條件下，總工作作電流分配到兩個逆變器上，每個橋臂功率開關(guān)管容量可降低一半。如果原來的三相逆變器每個橋臂由兩個功率開關(guān)管并聯(lián)的話，現(xiàn)在的雙三相系統(tǒng)每個橋臂只需要一個功率開關(guān)管，從而免除功率開關(guān)管并聯(lián)的均流問題。也就降低了對功率開關(guān)管特性一致性的要求，可更充分利用所選擇功率開關(guān)符的容量。
(3)雖然狀態(tài)變化頻率增加一倍，但對于每一套三相系統(tǒng)來說， 一個電氣周期內(nèi)換相狀態(tài)數(shù)仍然是6，狀態(tài)變化頻率并沒有增加，從這個角度看，系統(tǒng)損耗不會增加。
(4)提高可靠性。當(dāng)其中一組逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，另外一組還可正常工作，雖然輸}n力矩下降了，但系統(tǒng)仍可繼續(xù)運(yùn)行，不至于突然停車。
2六相無刷直流電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)兩種方案
本文涉及一種小型電動車六相無刷直流電機(jī)，它是采用原有三相無刷直流電機(jī)鐵心改制的。
后者是國內(nèi)電動自行車、電動摩托車一種常用的糟數(shù)z=5I，極數(shù)2p=46，分?jǐn)?shù)槽集中繞組無刷直流電機(jī)。和其他采用q=l整數(shù)槽或q=1／2分?jǐn)?shù)槽電機(jī)相比，它的定子沖片采用奇數(shù)槽和q=17／4(；的槽極數(shù)配合，可獲得較低齒槽轉(zhuǎn)矩和較高繞組系數(shù)等較優(yōu)異性能，它采用直槽結(jié)構(gòu)方便于鐵心制造和繞組下線，得到較高的生產(chǎn)效率口。由于它是一種分?jǐn)?shù)槽集中繞組，每個線圈繞在一個齒上，它的兩個線圈邊落在同一個齒兩邊的槽內(nèi)，為分析繞組連接和繞組系數(shù)，以下采用齒電勢(即線圈電勢)矢量圖，它比槽電勢矢量圖更為方便。由z=51,p=23 的齒電勢矢量圖(圖從略)，在60°相帶和X義層繞組情況下，每相繞組由17個線圈串聯(lián)組成，由于它是奇數(shù)槽電機(jī)，同一相的兩個60°相帶占有的線圈數(shù)不同，分別是8個和9個線圈。該三相無刷直流電機(jī)A相繞組的線圈連接如表l所示。表中，以字母大小寫表示線圈繞向：大寫字母表示逆時(shí)針繞向，小寫字母表示順時(shí)針繞向．
這里所討論的六相無刷直流電機(jī)繞組，實(shí)際上是雙三相繞組。在它的定子安放有兩組空間上錯開30°電角度的Y接法繞組。如果我們還是用60°相帶劃分，只要按四層繞組安排，兩組三相繞組各占兩層，就n』以做到。此時(shí)，由電勢矢量圖(圖從略)，可得到雙三相繞組無刷直流電機(jī)的A1相和A相繞組的線圈連接，如表2所示。第l組三相繞組的A相繞組排列和表1相同，第2組三相繞組的A相繞組排列應(yīng)符合兩組空間上錯開30°電角度的要求。
另外一個繞組結(jié)構(gòu)方案：
如果我們?nèi)匀话措p層繞組安排，可采用采用30°相帶劃分，得到對稱的兩組二二相繞組，并且兩組空間上錯開30°電角度。由電勢矢量圖，可得到A1相和A2相繞組的線圈連接如表3所示�，F(xiàn)在的問題是，本電機(jī)的鐵心是51個齒，當(dāng)按30。相帶劃分時(shí)，由6相均分51個齒電勢矢量，平均分配到一相的電勢矢量數(shù)(即線圈數(shù))：51／6=8.5個，不是一個整數(shù)。同一相的兩個30°相帶占有的線圈數(shù)小同，分別是4個和4 5個線圈。這里出現(xiàn)O 5個線劇的問題，我們采用的處理方法是：
如果每個正常線圈的匝數(shù)是W，如表3所示那樣，A1相繞組和A2相繞組在有號齒(13號齒)線
圈的匝數(shù)是O．5W。由此可知，W必須為偶數(shù)。
3兩種繞組結(jié)構(gòu)方案比較
對于60°相帶四層繞組安排，由表2，A2相24號線圈對應(yīng)于A1相的2號線圈，它們之間相隔22個齒。計(jì)算它們之間的相移θ：
未由電勢矢量圖，A1相的2號線圈電勢矢量與A2相24號線圈電勢矢量之間相差4個矢量夾角，對應(yīng)相移θ，結(jié)果同上。這樣，兩組三相繞組錯開角度是28．235。電角度，和期望的30。相比，偏差1。765°角度，相對誤差5．88％。
由電勢矢量圖，可計(jì)算得這種方案的基波繞組系數(shù)k=0 953。
對于30°相帶雙層繞組安排，詳細(xì)計(jì)算得到兩組三相繞組錯開角度是29 899°電角度，和期望的30°相比，偏差只有0．101°電角度，誤差僅為0 34％。這個偏差完全可以忽略。
由電勢矢量圖，可計(jì)算得這種方案的基波繞組系數(shù)k~-0．987，和60°相帶四層繞組安排方案比較，繞組系數(shù)增大了3 6％。
30°相帶方案繞組的分布效應(yīng)降低，不但增大了繞組系數(shù)，提高了電機(jī)繞組的利用程度，而且使合成反電勢波形的頂部較為平坦，從而有利于電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動幅度的降低。
另外，采用30。相帶方案，6相繞組的相問互感明顯降低，使它們之間的相互耦合干擾大為減少，有利于系統(tǒng)控制的穩(wěn)定工作。
綜上所述，30°相帶雙層繞組方案有更佳性能，加之雙層繞組的工藝性較好，己被推薦使用于產(chǎn)品，獲得成功應(yīng)用。
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