无刷双机械端口电机绕组设计

摘要：提出了一种机械端口电机的原理设想；创新点是取消了传统双机械端口电机中的电刷和滑环，简化了电机的结构设计，提高了可靠性。提出了一种机械结构方案，研究了电机如何在一个磁路内实现两套不同极对数绕组的设计方法。给出了一具设计实例。研究了系统的总体控制思想，并设计了一套以DSP为核心的控制电路，可满足实际使用要求。

0  引  言

   本文所提出的无刷双机械端口电机(BL-DMPM)原理上可等效成永磁同步发电机、绕线式异步电机和鼠笼式异步电机三个电机的有机组合。但是由于鼠笼电机和绕线式异步电机共用一套磁路，因而如何在一个定子铁心和一个转子铁心中设计两套定子绕组和两套转子绕组便成了该电机能否真正实用的关键。本文根据一个实例来说明如何进行电机的绕组设计。

1  BL—DMPM结构

   在设计无刷双馈及类似电机时，可以用一套绕组“来复利用’’来实现两套绕组甚至三套绕组的功能。这样，将异步电机的口对极和鼠笼电机的r对极转子绕组的功能用一套绕组实现，并与P对极转子绕组在端部连接起来，就可得到BL—DMPM的一种机械结构，如图1所示。

  图1无刷双机械端口电机机械结构

图1中内转子上的p对极永磁体和外转子中的p对极转子绕组耦合，形成一个磁路；而q+r对极外转子绕组和q+r对极定子绕组共用另外一个磁路，两个磁路在物理上可认为没有联系。虽然q+r对极外转子绕组和两套定子绕组共用一套磁路，但令q和r为偶数倍极比，可使两套定转子绕组形成的磁路正交，这样如果不考虑饱和的影响，在分析时可认为q和r两套绕组的磁路也县独立的。

2  BL—DMPM绕组设计

由原理分析可见，p和q的选择可使电机实现减速齿轮的功能，因此可令p=2，g=4。则同步转速为p·Ⅳ1／(p+q)=Ⅳ1／3。这样当ICE的转速在3 000 r／min的经济转速时，同步转速为1 000 r／min，可满足汽车时速的要求。鼠笼电机主要用于吸收不大的转差功率，但转矩要大，以满足起动和倒车的要求，其极对数r和q要呈偶数倍极比。可取r=2。下面以一个实例说明绕组设计。

2．1永磁电机转子绕组设计

永磁电机设计成正弦波气隙磁场。外转子内侧绕组开36槽，每极每相槽数为3，采用正规60°相带，三相单层绕组。这样电势波形中的基波的分布系数为O．96，而3、5、7次谐波的分布系数分别为O．667、O．217、一O．177，使电势波形能尽量接近正弦。

2．2外转子外侧槽转子绕组设计

外转子外侧开48槽，采用单绕组设计，即同时用一套绕组实现8极绕线转子和4极鼠笼转子的功能。采用单层绕组。绕组展开图如图2所示。

   图2 48槽单层绕组展开图

其设计思路是：首先按每两个导体在4极磁场中反相和8极磁场中同相的原则并联，作为一个线圈，然后将这些线圈按8极磁场设计成对称三相绕组。例如在图2中，对4极磁场，1号和13号槽、2号和14号槽导体、7号和19号槽、8号和20号槽的电势方向相反，各自并联后组成A相绕组的4个线圈，然后按图示方式各线圈头尾相联后组成

了8极磁场中的并联支路数为2的线圈组。该线圈组在4极磁场中呈现为两套独立的错开一个槽(15°电角度)的线圈，每个线圈由两个两个互差90°电角度的整距集中绕组构成。B相和C相绕组可类似设计，并和A相线圈组依次错开4个槽(90°电角度)。  

   图3 48槽4+8极运行单绕组接线法

根据电压和转矩等约束条件的不同，可以按图2方法设计多套绕组并进行串并联，以满足实际系统的需要。

2．3定子绕组设计

定子取72槽。4极和8极绕组分别采用两套绕组独立设计。两套绕组分层放在同一个定子中。其原因在于不同的定子绕组通过功率变换器共地(参见图4)。因此两种不同极数的绕组要绝缘。两套绕组均可采用正规60。相带，三相单层绕组。对4极绕组，每极每相槽6，极距18槽；对8极绕组，每极每相槽3，极距9槽。

3控制系统设计

BL-DMPM显然需要一个复杂的电力电子变换器及相应的控制系统进行配套控制才能满足实际系统的需求。图4为一种典型的变换器及控制由路。

  图4 BL—DMPM控制系统示意图

在图4中，三相电压源逆变器1用于对绕线式异步电机M1功率的流向进行控制；三相电压源逆变器2用于控制鼠笼式异步电机M2；斩波器用于对蓄电池进行充放电控制。另外主电路中还需要一个电阻放电回路，用于在直流母线电压过高时放电，以保护主电路的安全。

通过采用不同的控制策略，逆变器1的工作模式有高频整流模式和有源逆变模式。实际上一般来说，有源逆变模式用于本系统是很困难的。因为在频率较低时从绕线电机M1输出的电压较小，对其相位的采样将会变得很困难，在同步转速点附近这个问题将会变得更加突出。因此在正向电动工况下，逆变器1应始终工作在整流模式，这样当外转子转超过同步转速时，系统自动进入制动状态。整流模式可以用以下方法简单实现：①逆变器1的上桥臂始终封锁；②通过控制下桥臂的占空比(下桥臂3个功率管占空比相同)来控制M1电机的绕组最大电流，如图5所示。图5中绕组电流的幅值给定为M1电机的额定值，这样可确保绕线电机M1始终可以输出最大转矩。当实际的负载转矩小于永磁和绕线电机的额定电磁转矩时，绕线电机的电流会小于额定值，绕线电机的转速接近同步转速。此时占空比为1，即逆变器1下桥臂的三个功率管始终导通，使逆变器1的效率最高。当实际的负载转矩大于永磁和绕线电机的额定电磁转矩时，绕线电机的电流会等于额定值，外转子转速Ⅳ2小于同步转速。此时转差功率流人母线直流电容，使母线电压升高，需要控制逆变器2将该转差功率送入鼠笼电机消耗掉。在图5工作模式下，绕线电机的绕组电流为方波。

怠速停车或低速时，如果ICE不停车，其转速较低时可输出的最大转矩也相应降低，因此绕组电流的幅值给定也要参照ICE的转矩曲线来设计。

   图5逆变器1的控制框图(正向电动工况)

鼠笼电机转矩的给定也和驾驶员踩油门信号有关，为简单起见可以处理成线性关系。控制框图见图6。

图6逆变器2的控制框图

在低转速下虽然鼠笼电机转矩可以很大，但消耗功率并不大，因此可能发生直流母线电压上升得很高的情况。此时可通过向蓄电池充电来吸收一部分能量。如果还控制不住，则需要通过制动电阻放电。为了避免这种情况发生，在检测到直流母线电压过高时，需要控制系统自动减小油门的输油量直到使ICE怠速运转。

制动时，油门要切断，绕线式异步电机M1和鼠笼式异步电机M2的电流给定与驾驶员踩刹车信号有关。为简单期间可以处理成线性关系。但当制动过程接近完成、车速已经很低时，应令M1绕组电流为0，以避免ICE因制动力矩过大而熄火。限于篇幅，其它工况下的控制方法略。

4  结  论    

本文提出了一种BL-DMPM的机械结构，研究了BL-DMPM的绕组设计方法，指出通过绕组复用技术采用一套绕组可以同时形成两种不同极数的磁场，为BL—DMPM的实现奠定了基础。所提出的DSP控制系统可以满足实际需要。