CN108448854A - 高频永磁同步电机系统 - Google Patents

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赵伟铎
克里斯·杰拉德
张何
闫浩
顾春阳
徐壮
姜保罗
李静
王旭晨
王天昊
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    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Abstract

本发明涉及高频永磁同步电机系统，包括电机以及控制器，电机由n个三相单元电机组成，三相单元电机为2p极Q槽，其中2p和Q的配对组合包括：2p＝10，Q＝12；2p＝14，Q＝12；每个单元电机采用单层、集中绕组结构，每个单元电机由相邻的2个三相绕组组成，每个三相绕组构成1个电机模块，则电机包括2n个电机模块，控制器包括分别与2n个电机模块连接的2n个逆变器模块，每个逆变器模块的调制波幅值相等，相位相等，载波幅值相等，相位互差360°/2n。在载波比不变的情况下，提高了控制器的等效开关频率，可以有效的降低电机的转矩脉动，减小电机的振动噪声，提高电机驱动系统的稳定性和可靠性，同时，无互感绕组结构提高了电驱动系统的容错性能。

Description

高频永磁同步电机系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及高频永磁同步电机系统。
背景技术
现有的电动车用永磁同步轮毂电机，为了提高电机的功率密度，通常设计电机具有较多的极对数，因此电机在高速运行时，电机的基频较高，特别对于大功率电驱动系统，受限于控制器开关器件的功率和开关频率，通常采用控制器多模块并联的方式对电机供电。然而，这种方式仅在电机外进行简单的功率分配，并不能解决高频电机载波比(开关频率/电机基频)低，输入电流低次谐波含量高的问题，使电机在高频运行时产生较大的转矩脉动，进而产生振动噪声等不良影响，对电机的稳定性和可靠性产生危害。
另一方面，轮毂电机工作条件恶劣，且对电动汽车的安全性至关重要，因此电机应具有容错工作能力，即部分电机出现故障，电机仍能短时额定运行，或降功率运行，从而保证乘客的安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种转矩脉动低，且容错能力高的高频永磁同步电机系统。
本发明所采用的技术方案是，高频永磁同步电机系统，包括电机以及控制器，电机由n个三相单元电机组成，三相单元电机为2p极Q槽，其中2p和Q的配对组合包括：2p＝10，Q＝12；2p＝14，Q＝12；每个单元电机采用单层、集中绕组结构，每个单元电机由相邻的2个三相绕组组成，每个三相绕组构成1个电机模块，则电机包括2n个电机模块，控制器包括分别与2n个电机模块连接的2n个逆变器模块，每个逆变器模块的调制波幅值相等，相位相等，载波幅值相等，相位互差360°/2n。
本发明的有益效果是：在载波比不变的情况下，控制器的等效开关频率提高了2n倍，从而可以有效的降低电机的转矩脉动，减小电机的振动噪声，提高电机驱动系统的稳定性和可靠性；另一方面，由于等效开关频率提高，电机的实际载波比可以降低2n倍，从而在现有开关器件的开关频率制约条件下，电机的转速可以设计得更高，进而提高电机的功率密度。此外，本发明所采用的极槽配合，能够使电机绕组满足单层、无互感式集中绕组结构的约束条件，从而使模块化电机自身的三相绕组之间无互感，不同电机模块的绕组之间也无互感。这种结构具有两方面优点：第一，载波相移的过程中，不同模块之间不存在相互耦合，使电流谐波幅值与不相移时谐波幅值相同，不会产生额外的绕组高频铜耗和定子铁芯高频铁耗；第二，各模块的电机绕组之间完全电气隔离，当其中一个或几个电机模块出现故障时，通过切断对应模块的逆变器，使故障模块完全脱离系统，不对其它模块产生影响，从而使得电机在部分故障时，仍可以安全可靠的降功率，或短时间额定功率运行，提高了电驱动系统的容错性能。
作为优先，每个电机模块的每相绕组均包括正极和负极，每相绕组的正极均从电机引出并与一个控制模块连接，每相绕组的负极接成星形接法，或三角形接法。
作为优先，三相绕组由相邻的三个电角度互差120°线圈构成。
作为优先，逆变器模块采用三相逆变器，逆变器模块均采用PWM控制技术。
附图说明
图1为本发明实施例中高频永磁同步电机系统的示意图；
图2为本发明实施例中采用模块化设计的24槽20极永磁同步电机结构示意图；
图3为本发明实施例中采用模块化设计的24槽20极永磁同步电机绕组示意图；
如图所示：1、电机；2、逆变器模块；3、定子铁芯；4、定子绕组；5、永磁体；6、转子铁芯；7、转轴。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明涉及高频永磁同步电机系统，包括电机1以及控制器，电机1包括定子和转子，定子包括定子铁芯3和定子绕组4，转子包括永磁体5、转子铁芯6、转轴7，定子绕组4缠绕在定子铁芯3上。电机1由n个三相单元电机组成，三相单元电机为2p极Q槽。
其中2p和Q的配对组合为：
2p＝10，Q＝12；
2p＝14，Q＝12；
在这种极槽配合约束条件下，每个单元电机采用单层、集中绕组结构，且单元电机自身的三相绕组之间无互感，不同单元电机的绕组之间也无互感。
每个单元电机由相邻的2个三相绕组组成，电机共有2n个三相绕组，每个三相绕组构成1个电机模块，则电机包括2n个电机模块，控制器包括分别与2n个电机模块连接的2n个逆变器模块2，各逆变器模块2共用直流母线，每个逆变器模块2的调制波幅值相等，相位相等，载波幅值相等，相位互差360°/2n。
三相绕组由相邻的三个电角度互差120°线圈构成。
逆变器模块2采用三相逆变器，逆变器模块2均采用PWM控制技术。
本发明对电机和控制器同时采用模块化，使电机1和控制器在功率分配的同时，还可以利用不同逆变器模块之间的PWM载波相移控制策略，改变不同电机模块的输入谐波电流相位，从而在电机本体内通过转矩叠加消除主要低次谐波转矩，降低电机1的转矩脉动。本发明通过载波相移和转矩叠加策略，相当于提高了控制器的等效开关频率，使电驱动系统在现有开关水平条件下，可以运行在更高的频率。此外，本发明所采用的极槽配合，能够使电机绕组满足单层、无互感式集中绕组结构的约束条件，从而使模块电机自身的三相绕组之间无互感，不同模块电机的绕组之间也无互感。这种结构具有两方面优点：第一，采用PWM载波相移控制策略时，不同模块之间不存在相互耦合，使电流谐波幅值与不相移时谐波幅值相同，不会产生额外的绕组高频铜耗和定子铁芯高频铁耗；第二，各模块的电机绕组之间完全电气隔离，当其中一个或几个电机模块出现故障时，通过切断对应模块的逆变器，使故障模块完全脱离系统，不对其它模块产生影响，从而使得电机在部分故障时，仍可以安全可靠的降功率，或短时间额定功率运行，提高了电驱动系统的容错性能。
每个电机模块的每相绕组均包括正极和负极，每相绕组的正极分别用U、V、W表示，每相绕组的正极均从电机1引出并与一个控制模块连接，每相绕组的负极接成星形接法，或三角形接法，各模块的接线方式需保持一致。
实施例1：
一台采用20极24槽设计的永磁同步电机1，如图1所示，由2个10极12槽的单元电机组成(n＝2，2p＝10，Q＝12)。
单元电机采用单层集中绕组，一个定子槽内只有一组元件，一组线圈由相邻槽的两组元件缠绕一个定子齿组成，不同线圈之间相隔一个定子槽。
相邻的三组线圈电角度互差120°，构成一个电机模块的三相电枢绕组。
电机1共12组线圈，可以构成4个电机模块，即M1、M2、M3，电机模块M1中，三组线圈的正极U1、V1、W1引出电机与逆变器模块SM1连接，负极接成星形接法或三角形接法，电机模块M2中，三组线圈的正极U2、V2、W2引出电机与逆变器模块SM2连接，负极接成星形接法或三角形接法，电机模块M3中，三组线圈的正极U3、V3、W3引出电机与逆变器模块SM3连接，负极接成星形接法或三角形接法，电机模块M4中，三组线圈的正极U4、V4、W4引出电机与逆变器模块SM4连接，负极接成星形接法或三角形接法，注意：4个模块的接法需保持一致，且各模块之间无电气连接。
4个电机模块分别接到共直流母线的4个逆变器模块2上，各逆变器模块2的调制波信号幅值和相位完全相同，载波信号幅值相同，载波相位互差90°(360°/4)，使电机模块1～4的输入电流各次谐波幅值相等，但相位不同。
以载波比20为例，电机模块1～4的主要输入谐波电流的相位关系具有以下规律：
1倍载波比附近的18次和22次边带谐波，各模块相位互差1×360°/4＝90°；
2倍载波比附近的39次和41次边带谐波，各模块相位互差2×360°/4＝180°；
3倍载波比附近的58次和62次边带谐波，各模块相位互差3×360°/4＝270°；
4倍载波比附近的79次和81次边带谐波，各模块相位互差4×360°/4＝360°。
不同电机模块在1～3倍载波比附近的输入电流谐波具有相位差，且同次谐波电流的向量和为零(谐波电流幅值相同)，即谐波电流产生的谐波转矩，可以在电机模块之间叠加消除。
4倍载波比附近输入电流谐波没有相位差，不能叠加消除转矩谐波。
通过这种载波相移的控制策略，相当于载波比由20倍提高到80倍，由80次以下边带谐波电流引起的电机转矩谐波完全消除，电机仅剩齿槽转矩引起的低次谐波转矩，电机的转矩脉动得到显著的改善。

Claims (4)

1.高频永磁同步电机系统，包括电机(1)以及控制器，其特征在于：电机(1)由n个三相单元电机组成，三相单元电机为2p极Q槽，其中2p和Q的配对组合包括：2p＝10，Q＝12；2p＝14，Q＝12；每个单元电机采用单层、集中绕组结构，每个单元电机由相邻的2个三相绕组组成，每个三相绕组构成1个电机模块，则电机包括2n个电机模块，控制器包括分别与2n个电机模块连接的2n个逆变器模块(2)，每个逆变器模块(2)的调制波幅值相等，相位相等，载波幅值相等，相位互差360°/2n。
2.根据权利要求1所述的高频永磁同步电机系统，其特征在于：每个电机模块的每相绕组均包括正极和负极，每相绕组的正极均从电机引出并与一个逆变器模块(2)连接，每相绕组的负极接成星形接法，或三角形接法。
3.根据权利要求1所述的高频永磁同步电机系统，其特征在于：三相绕组由相邻的三个电角度互差120°线圈构成。
4.根据权利要求1所述的高频永磁同步电机系统，其特征在于：逆变器模块(2)采用三相逆变器，逆变器模块(2)均采用PWM控制技术。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109617350A (zh) * 2019-01-14 2019-04-12 哈尔滨工程大学 一种多单元永磁电机最小单元四对极不对称设计结构
CN109713867A (zh) * 2019-01-14 2019-05-03 哈尔滨工程大学 一种多单元永磁电机最小单元五对极不对称设计结构
CN110460295A (zh) * 2019-08-20 2019-11-15 宁波诺丁汉大学 一种四单元永磁同步电机直流母线电容电流谐波抑制方法
CN111799911A (zh) * 2020-06-28 2020-10-20 东南大学 一种模块化分隔式绕组电机
CN112087070A (zh) * 2020-08-26 2020-12-15 东南大学 一种模块化的混合式节距绕组电机
CN112087069A (zh) * 2020-08-26 2020-12-15 东南大学 一种三角形星形连接的模块化分隔绕组电机
CN112186913A (zh) * 2020-09-25 2021-01-05 东南大学 一种二十四槽二十二对极双三相游标电机
CN113990625A (zh) * 2021-11-03 2022-01-28 浙江飞旋科技有限公司 高频大容量的电力电子单元并联装置及载波多重化方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1592046A (zh) * 2003-08-25 2005-03-09 有限公司福倍思 电动机及使用该电动机的转向系统
CN101431284A (zh) * 2008-12-22 2009-05-13 哈尔滨工业大学 混合式开关磁阻电机
CN102725946A (zh) * 2010-01-29 2012-10-10 三菱电机株式会社 逆变器一体型驱动模块及其制造方法
CN104821668A (zh) * 2015-04-29 2015-08-05 江苏大学 一种新型定子永磁型电机
CN106452218A (zh) * 2016-12-09 2017-02-22 华中科技大学 一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1592046A (zh) * 2003-08-25 2005-03-09 有限公司福倍思 电动机及使用该电动机的转向系统
CN101431284A (zh) * 2008-12-22 2009-05-13 哈尔滨工业大学 混合式开关磁阻电机
CN102725946A (zh) * 2010-01-29 2012-10-10 三菱电机株式会社 逆变器一体型驱动模块及其制造方法
CN104821668A (zh) * 2015-04-29 2015-08-05 江苏大学 一种新型定子永磁型电机
CN106452218A (zh) * 2016-12-09 2017-02-22 华中科技大学 一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109617350A (zh) * 2019-01-14 2019-04-12 哈尔滨工程大学 一种多单元永磁电机最小单元四对极不对称设计结构
CN109713867A (zh) * 2019-01-14 2019-05-03 哈尔滨工程大学 一种多单元永磁电机最小单元五对极不对称设计结构
CN110460295A (zh) * 2019-08-20 2019-11-15 宁波诺丁汉大学 一种四单元永磁同步电机直流母线电容电流谐波抑制方法
CN111799911A (zh) * 2020-06-28 2020-10-20 东南大学 一种模块化分隔式绕组电机
CN112087070A (zh) * 2020-08-26 2020-12-15 东南大学 一种模块化的混合式节距绕组电机
CN112087069A (zh) * 2020-08-26 2020-12-15 东南大学 一种三角形星形连接的模块化分隔绕组电机
CN112087070B (zh) * 2020-08-26 2021-07-13 东南大学 一种模块化的混合式节距绕组电机
CN112186913A (zh) * 2020-09-25 2021-01-05 东南大学 一种二十四槽二十二对极双三相游标电机
CN113990625A (zh) * 2021-11-03 2022-01-28 浙江飞旋科技有限公司 高频大容量的电力电子单元并联装置及载波多重化方法

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