CN102594228A - 用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机 - Google Patents

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Abstract

用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，涉及一种直流电动机。包括装有n个独立的3相电枢绕组的定子和p对永磁磁极转子，构成电动机本体；n个独立的3相逆变桥与n个3相电枢绕组连接；控制器接受指令和反馈信号，构成电机转速闭环、电流环和温度滞环形成多裕度控制系统。该系统通过电动和制动方式回收能量给动力电池充电；系统把n个3相电枢绕组分成两组，使两组绕组接受的PWM信号频率
Figure 2012100514491100004DEST_PATH_IMAGE001
相同，但两组PWM上跳沿错开
Figure 238726DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（

Description

用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机
技术领域
本发明涉及一种直流电动机，特别是涉及一种用于电动飞机或电动船上转速、闭环控制的多相永磁无刷直流电动机。
背景技术
由于安全的需要，电动飞机和电动船必须考虑电动机电枢绕组因长期过载引起失效，逆变器功率开关管因过热失效的不利设计，而永磁无刷直流电动机失效率最高的因子则是过载失效和过热失效。
现有的电动飞机和电动船的驱动电机未见采用功率密度、功率因数最高和高效率带最宽的多相永磁无刷直流电动机作为电动飞机和电动船的驱动电机。
用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机必须提高驱动系统的自救能力，提高其刚性多裕度，把引起系统失效的主要因素列入可控范围。
而到目前为止，尚未见到全面驱动电动飞机螺旋浆或驱动电动船螺旋推进器的综合性能优越的驱动电机报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，该电机控制策略是除转速闭环、电流闭环外，增加了电枢绕组和逆变器功率开关管的过温滞环控制，这样就可以把引起系统失效的主要因素列入可控范围，使电动飞机和电动船驱动系统能做到高可靠性、高功率密度、高效率和机（船）载动力电池安装容量不变前提下，延长续航里程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，该电机为用于驱动电动飞机螺旋浆或驱动电动船螺旋推进器的多相永磁无刷直流电机，其定子上装有n个独立3相Y接电枢绕组，分别与对应的n个3相全桥逆变器输出端相连接；电机转子有p对永磁磁极，电机定、转子构成了多相永磁无刷电机本体；位置传感器用来检测即时对应的永磁转子磁极性，并输出相应的二值信号U、V、W、R、S、T送到控制器；控制器用于接受指令信息，位置传感器信息，2n个电机相电流信息，逆变器温度和电机绕组温度信息，构成速度环、电流环、和电机绕组、控制器温度滞环控制，实现多相永磁无刷直流电动机速度闭环控制，过温减载滞环控制和电机故障绕组及逆变器功率管短路、断路退出运行的多裕度切换运行。
所述的用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，所述的电动机在电动飞机滑行或电动船减速、反向工况下，电动机工作在不同深度的制动状态，将电动飞机的势能和部分动能或电动船的部分动能回收并向蓄电池充电。
所述的用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，所述的电动机将其n个3相绕组分成两组，使两组绕组接受的PWM信号频率fPWM相同，但两组PWM上跳沿彼此错开1/2TPWM(TPWM=1/fpwm)，这样，当PWM占空比δ≤50%时两组相电流不叠加，使动力电池的放电电流幅值减小一半，相同容量的动力电池依次充电。
为得到以上综合性能优越的驱动系统本发明的要点是：
采用功率密度、功率因数最高和高效率带最宽的多相永磁无刷直流电动机作为电动飞机和电动船的驱动电机。多相永磁直流电动机，是多台3相永磁无刷直流电动机在共用一套机械结构件的集成。这样，电动飞机和电动船的驱动系统就成为一个双裕度（6相电机）3裕度（9相电机）等设计，这就是刚性多裕度，它大幅提高了驱动系统的自救能力，避免了主机（电动飞机和电动船）完全失去动力。永磁无刷直流电动机失效率最高的因子是：电动机电枢绕组因长期过载引起失效，逆变器功率开关管因过热失效。本发明提出的电机控制策略是除转速闭环、电流闭环外，增加了电枢绕组和逆变器功率开关管的过温滞环控制。这样就可以把引起系统失效的主要因素列入可控范围。
多相永磁无刷直流电动机在电动飞机滑行或电动船在减速、制动期间，可以使多相永磁无刷直流电动机运行在不同深度的再生制动状态，将电动飞机的势能和电动飞机、电动船的部分动能反馈给动力电池。
多相永磁无刷直流电动机最少有两套独立的3相Y接绕组。因此，可以采用两套以上独立的逆变器，其脉宽调制频率fPWM相同，但PWM上跳沿相互错开1/2TPWM，其中，TPWM=1/fPWM。这样，动力电池输出的峰值电流将减小，使得同样容量的动力电池一次充电的续航里程将会大幅增加。
附图说明
图1为多相永磁无刷直流电动机系统框图；
    图2为3相永磁无刷直流电动机相电流与动力电池放电电流示意图；
    图3为6相永磁无刷直流电动机双3相绕组相电流与动力电池放电电流示意图；
图4为6相永磁无刷直流电动机双3相绕组经移相的相电流与动力电池放电电流示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。
图1是用于驱动电动飞机螺旋桨或驱动电动船螺旋推进器的多相永磁无刷直流电动机的系统结构图。
电机定子有n个独立3相Y接电枢绕组，分别与对应的n个3相全桥逆变器输出端相连接；电机转子有p对永磁磁极，电机定、转子构成了多相永磁无刷电机本体。
位置传感器用来检测即时对应的永磁转子磁极的极性(N或S)，并输出相应的二值信号U、V、W、R、S、T到控制器。
控制器用于接受指令：ON/OFF(运行或停机)，CW/CCW(电机延顺时针或逆时针方向旋转),M / B（电机运行在电动或制动状态），Ω*（电动机的转速指令）；控制器用来接受来自位置传感器的信号，U、V、W、R、S、T  ；接受逆变器输给电机的相应的相电流IA1、IC1,IA2、IC2……IAn、ICn 信息；接受代表逆变器功率器件温度的tI1、tI2、……tIn和电动机电枢绕组温度的tM1、tM2……tMn信息。根据U、V、W和R、S、T信号对1、2、……n个逆变器发出相应桥臂的导通 TON或截止TOFF 指令；根据指令Ω* 与处理过的U、V、W代表的电机即时转速的差值（I*）；并用I*来与IA1、IC1,IA2、IC2……IAn、ICn比较，得出PWM占空比信息δ，TON·δ作为控制器输出信号组G1、G2……Gn 给1、2……n个逆变器，使电动机n个3相绕组得到相应相电流Iφ并产生相应转矩 来维持电机转速与指令转速Ω* 一致。
当IAi或（和）ICi  （i=1、2…n）超过短路电流保护值或低于空载电流设定值时，说明该组控制器与电机绕组发生了短路或断路故障，控制器输出 Gi (i=1、2…n)立即被阻断，同时，Si (i=1、2…n)输出断开信号，使该逆变器与电源连通的开关Si (i=1、2…n)断开，同时，第i (i=1、2…n)个电动机的Ai、Ci  相绕组与相应的控制器也同时断开；此时，其余逆变器与相应的电机绕组仍正常工作，不至使电动飞机和电动船失去动力而产生严重后果。这就是刚性多裕度系统控制。
当tI1、tI2、……tIn 或tM1、tM2……tMn 中某一路的值超过规定，说明该组控制器和电机应该减载运行，即控制器输出的Gi (i=1、2…n)应限额，直到tIi 、tMi恢复正常为止。这就是柔性多裕度控制。
在电动飞机滑行或电动船减速、反向工况下，使电动机工作在B(制动)状态，通过调整指令Ω*将电动飞机的势能和部分动能或电动船的部分动能回收并向蓄电池充电。这就是能量回收。
根据电流连续性定理从图2可知，图中：粗实线IDC 细实线Iφ
电机电枢绕组中的相电流Iφ(细实线)在PWM  ON（通）状态，电流处于上升阶段，其大小与IDC(电池放电电流)相等；在PWM  OFF（断开）状态；绕组相电流Iφ处于衰减阶段，它是由电枢绕组的电感储能提供的，不需要电池提供电流,这是3相永磁无刷直流电机相电流(                                                
Figure 2012100514491100002DEST_PATH_IMAGE001
)与蓄电池放电电流(
Figure 148264DEST_PATH_IMAGE002
) 的对应关系。对于与3相永磁无刷直流电机输出功率相同的多相永磁无刷电机来说，它的相电流只有3相电机的
Figure 2012100514491100002DEST_PATH_IMAGE003
，图3表示的是一台与图2功率相同的6相（2组3相）电机，6相电机的相电流仅为3相电机的
Figure 436157DEST_PATH_IMAGE004
，如图3中
Figure 2012100514491100002DEST_PATH_IMAGE005
 和但电池的放电电流(
Figure 971971DEST_PATH_IMAGE002
) 却与图2中相同；图中：粗实线IDC 细实线Iφ1 虚实线Iφ2
对于同样输出功率的6相电机，如果把PWM频率（
Figure 2012100514491100002DEST_PATH_IMAGE007
）相同，但把
Figure 936833DEST_PATH_IMAGE005
的PWM上升沿与
Figure 129042DEST_PATH_IMAGE006
的PWM上升沿错开
Figure 555344DEST_PATH_IMAGE004
Figure 542017DEST_PATH_IMAGE008
（
Figure 2012100514491100002DEST_PATH_IMAGE009
），那么在占空比（
Figure 679869DEST_PATH_IMAGE010
）50%以下时，
Figure 174304DEST_PATH_IMAGE005
 、
Figure 690998DEST_PATH_IMAGE006
 反映在蓄电池放电电流
Figure 612687DEST_PATH_IMAGE002
上就不再叠加，如图4，图中：粗实线IDC 细实线Iφ1 虚实线Iφ2
图中的蓄电池放电电流
Figure 847621DEST_PATH_IMAGE002
（粗实线）和相电流（细实线）、（细虚线）的幅值是相等的，但蓄电池的放电时间t是
Figure 875117DEST_PATH_IMAGE005
 和
Figure 585629DEST_PATH_IMAGE006
相电流上升段时间
Figure 2012100514491100002DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 47965DEST_PATH_IMAGE012
的和，即
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。动力电池的放电特征不是线性的，它遵循Penkert经验方程：
Figure 663886DEST_PATH_IMAGE014
，式中：I是动力电池的放电电流，A；t是在放电电流为I时的放电时间，S；m和k是与动力电池性能有关的大于1的结构常数，通常m取1.35。如果在本例中，当
Figure 927377DEST_PATH_IMAGE005
 与
Figure 136903DEST_PATH_IMAGE006
同相位时，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
,当=
Figure 247259DEST_PATH_IMAGE006
时，
Figure 183116DEST_PATH_IMAGE016
，放电时间为t；当
Figure 378474DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 57979DEST_PATH_IMAGE006
在相位上错开
Figure 22393DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，且
Figure 253785DEST_PATH_IMAGE005
=，占空比小于、等于50%时，
Figure 165775DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
放电电流是
Figure 610794DEST_PATH_IMAGE002
放电电流的一半，但的占空比
Figure 58404DEST_PATH_IMAGE020
却是
Figure 79712DEST_PATH_IMAGE002
的占空比
Figure 753139DEST_PATH_IMAGE010
的一倍，按照Penkert方程 解方程可得到
Figure 591913DEST_PATH_IMAGE022
。就是说，输出相同功率的多相永磁无刷电机，采用PWM上升沿互移
Figure 485045DEST_PATH_IMAGE004
Figure 808579DEST_PATH_IMAGE017
方法，在占空比工况下，同等安装容量的动力蓄电池可以将放电时间延长27.5%，对于在巡航下的电动飞机或启动加速阶段和平均航速下航行的电动船来说，工况大多属于
Figure 962611DEST_PATH_IMAGE023
的运行条件，所以，采用多相永磁无刷直流电机并将其相电流上升沿互移
Figure 847653DEST_PATH_IMAGE004
的技术方案,对延长蓄电池一次充电的续航里程有着特殊效果。

Claims (3)

1.用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，其特征在于，该电机为用于驱动电动飞机螺旋浆或驱动电动船螺旋推进器的多相永磁无刷直流电机，其定子上装有n个独立3相Y接电枢绕组，分别与对应的n个3相全桥逆变器输出端相连接；电机转子有p对永磁磁极，电机定、转子构成了多相永磁无刷电机本体；位置传感器用来检测即时对应的永磁转子磁极性，并输出相应的二值信号U、V、W、R、S、T送到控制器；控制器用于接受指令信息，位置传感器信息，2n个电机相电流信息，逆变器温度和电机绕组温度信息，构成速度环、电流环、和电机绕组、控制器温度滞环控制，实现多相永磁无刷直流电动机速度闭环控制，过温减载滞环控制和电机故障绕组及逆变器功率管短路、断路退出运行的多裕度切换运行。
2.根据权利要求1所述的用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，其特征在于，所述的电动机在电动飞机滑行或电动船减速、反向工况下，电动机工作在不同深度的制动状态，将电动飞机的势能和部分动能或电动船的部分动能回收并向蓄电池充电。
3.根据权利要求1所述的用于电动飞机或电动船上的多相永磁无刷直流电动机，其特征在于，所述的电动机将其n个3相绕组分成两组，使两组绕组接受的PWM信号频率fPWM相同，但两组PWM上跳沿彼此错开1/2TPWM(TPWM=1/fpwm)，这样，当PWM占空比δ≤50%时两组相电流不叠加，使动力电池的放电电流幅值减小一半，相同容量的动力电池依次充电。
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