文摘
容错模块化永磁机的性能取决于杆的正确选择和槽号导致之间的耦合阶段可以忽略不计。首选槽和极数组合消除定子磁动势的低阶谐波的影响,从而减少振动和杂散损耗。本文三维外部转子机用相同的机器设计与不同时段每阶段杆比率。模拟研究是使用有限元分析比较三台机器的性能的机转矩密度、脉动转矩,核心损失,和机器效率。一个数学模型基于conventional-phase-model方法也用于比较研究。仿真研究扩展描述机在故障条件下的性能。
1。介绍
由于其高功率密度,在容错永磁无刷驱动器关键应用,如电动汽车(EV),航空航天和汽车行业1]。多相模块化永磁机器组成磁和身体分离阶段,每个阶段有one-per-unit电感限制短路电流的故障条件下其额定值。因此,任何阶段的故障不会影响别人。许多论文解决容错设计和操作原理的永磁(PM)机(2,3]。
这些特性使得多相模块化点机领域的一个强有力的候选人容错应用程序(4- - - - - -6]。最优控制在健康和指责场景提出了机转矩脉动最小化(7,8]。良好的槽和杆组合提出了容错点机器的数量(3),确保固有的微不足道的阶段之间的耦合。竞选过程模块化的机器,有三个有利位置和极数的组合3),即20槽/ 14波兰人,20位/ 18波兰人,20位/ 22波兰人及其倍数。在[3),前两个组合进行比较的流量分布和核心的损失。在[9),一台机器用第二组合设计通过插槽的明星(10),使用双层fractional-slot绕组。电流控制策略,提出了单阶段或阶段的缺点。分析模型采用个别化最适合当前的引用,在不增加电动机或逆变器成本。在[11];比较两个研究点进行电机绕组配置。一种新的fractional-slot绕组,大大降低齿槽转矩,提出并与经典full-pitched集中绕组。该方法应用于提高海军推进竞选过程之间的匹配点机及其转换器。该绕组配置质量显著提高扭矩(更高的密度和低纹波)和简化电流控制扩界电子元件的前提下。
在这篇文章中,一个完整的比较这三个有利的竞选过程的模块化组合机器执行的机转矩密度,转矩脉动,核心的损失,和整体效率。比较是基于使用有限元模拟研究。此外,基于conventional-phase-model方法的数学模型(12)是用来证实结果。三台机器与外部转子(13)与相同的定子和转子尺寸设计。各种极磁体体积是固定的数字组合如图1。这篇文章也指出三台机器的性能在单阶段开放的故障状态。与一个开放阶段,另一个阶段电流选择,以确保零落后的基本组件(14]。
(一)
(b)
2。机械设计
三个模块点机器设计,并使用有限元分析(FEA)建模。磁铁是钕铁硼= 1.1特斯拉。定子有五个阶段,每个阶段包括两个线圈每圈87转。绕组配置从[3已经使用,如图1(一)。这是一个20定子槽单层绕组。定子外径、轴直径、转子内直径、转子外径,和堆栈长度是260毫米,144毫米,272毫米,312毫米,100毫米。磁铁的厚度是5毫米,气隙长度是1毫米。拟议的额定功率是8千瓦的速度每分钟240转。图1 (b)显示了三台机器的布局。
3所示。有利的位置/杆组合和相应的定子相序
它已被证明在3),某些槽和钢管数量组合给微不足道的阶段之间的耦合。对于任何模块化绕组阶段和槽,所需数量的波兰人是由(1),以及由此产生的相邻线圈之间的相位角是由(2); 在哪里,或任何非零奇数不到,这样和不共享任何常见的因素。的变量与应用相序号码将显示。为,可用的值将1和3。用(1)和假设插槽的数量是20,将相应的极数如下:(我)为或22和相应的夹角阶段将36°和−36°,分别;(2)为或26和相应的夹角阶段将108°和108°−,分别。
证明以下关系,定子MMF应该分析调查结果MMF的谐波含量对于一个给定的绕组电流。绕组的布局如图1(3),对应的绕组函数对于任何阶段如图2(一个),相应的谐波频谱如图2 (b)。
(一)
(b)
多相系统当前阶段,相应的可用的序列也对应。这包括一个或两个零矢量为奇数和偶数的阶段,分别。竞选过程系统,将会有五个(4 + 1 0)可用的序列。第四序列是负序的第一,而第二个是第三的负序序列。阶段电流基本序列之间的角度。定子MMF对应电流基本序列如图3(一个)。相应的谐波频谱如图3 (c)。第四序列,对应于一个角4α阶段之间的电流,会引起相同的流量分布基本序列;然而,MMF波沿相反的方向。第三序列,对应于一个角3α电流之间的阶段,MMF分布如图3 (b),相应的谐波频谱如图3 (d)。第二个序列产生的流量分布第三,与反向MMF旅行。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
比较这两种情况下,很明显,基本序列产生以下空间谐波(3、7、13、17、23日,27日,等等),而第三调和数列产生以下谐波(1、9、11、19、21日,29日,31日,等等)。结合两个谐波谱将导致所有谐波除了第五及其倍数(5、10、15等)。表1总结了结果21谐波。气隙磁通密度由于电枢电流,没有转子磁铁的效果,得到了使用有限元分析基础和第三序列如图3 (e)和3 (f),分别。机器的流量分布和相应的磁通密度分布的序列也如图3 (g),3 (h),3(我),3 (j)。
4所示。有限元仿真结果
获得一个公平的比较,三个机器模拟在相同的转子转速240转。最大转矩/安培操作,设置直流分量为零,而正交分量是30。三台机器的瞬态分析。由此产生的扭矩,核心损失,emf电压绘制在图4。有限元分析也用于估算机器效率通过计算输入功率电压和电流阶段。表2总结了主要的仿真结果。很明显,机转矩随转子磁极数量的增加同样的rms定子电流,这反过来,提高机转矩密度。此外,这台机器效率随转子磁极的增加。然而,所需的相电压,因此,相应的直流环节电压、极数的增加。这是一个电动汽车应用的关键设计因素。虽然在3]得出14杆设计有较低的磁心损耗,更好的流量分布,消除低阶谐波电枢MMF,它不考虑其他的优越的优势组合,即20槽/ 18杆和20槽/ 22极,提供更高的效率和转矩密度相同的机器体积。
(一)
(b)
(c)
5。下午的数学模型模块化的机器
传统的阶段模型来代表竞选点模机(12)考虑故障条件。数学模型在有限元模型的主要优势是,主要是优化计算时间。此外,这个模型可以嵌入到一个更大的控制与有限元仿真系统,将是非常困难的。在阶段模型中,机器绕组的电压方程可以用向量矩阵形式如下: 在哪里是电阻矩阵,是电感矩阵,是定子相电压矢量,定子电流矢量相,定子磁链矢量,通量是连接定子阶段由于转子永磁体(PM)。机器转矩计算使用
线圈携带电流1代表转子永磁体。相当于匝数计算,这样相同的通量。电感使用绕组函数计算方法(15]。计算电感是定子自身电感,定子绕组之间的相互电感和虚拟磁场绕组代表点的效果。
5.1。绕组函数法
根据绕组函数理论(15),任何两个任意线圈之间的互感和在任何电机可以计算使用 在那里,自由空间的渗透性,转子半径,转子的长度,是对定子转子角位置参考阶段轴,沿定子内表面的角位置,是逆间隙函数,线圈绕组的函数吗,线圈绕组的函数吗。
函数的逆差距气隙长度的倒数假设辐射通量和忽视铁的影响。因为在模块化机器大约均匀气隙,逆气隙函数假定常数。
5.1.1。绕组定子绕组的函数
单层定子线圈的绕组函数可以派生部分SPP策划阶段产生的流量分布,使用有限元分析计算,假设其他阶段零电流。流量分布如图5(一个),对应的气隙磁通密度如图5 (b)。
(一)
(b)
5.1.2中。绕组函数的虚拟磁场绕组
虚拟的绕组函数磁场绕组图所示6。有效匝数是通过假设这个虚拟磁场绕组1,并将点与线圈产生的磁通通量计算 是磁路的磁阻被每个杆计算(7),北极地区如下:
5.2。电感的计算
可以计算不同绕组的电感用不同的线圈的绕组函数(5)。定子电感可以评估如下: 在那里,线圈跨度(例如它等于)。阶段之间的互感系数是零以来,直轴电感等于相电感由(9)。 定子绕组间的互感和虚拟磁场绕组与转子角将呈现正弦如果空间谐波是被忽视的。然而,实际的变化有一个近似梯形波的形状。一块对应的磁链为虚拟励磁电流如图17(一),而其导数位置如图7 (b)。
(一)
(b)
机器的时域仿真模型如图8(一个)和8 (b),而控制器的框图如图8 (c)。正如前面提到的,一个竞选绕组有4种不同的可能的序列,其中两个是向前,其中两个是反向序列。基于MMF分布,第一个序列应用于20槽/ 14极电机,而第二个序列应用于20槽/ 18极电机。第三个序列应用于20槽/ 22极电机,和第四序列可用于驱动20槽/ 14极电机落后。同时,交换第二和第三序列20槽/ 18杆和20槽/ 22极机情况下可用于扭转机的方向。直轴电流分量的基本和第三架飞机都设置为零。交电流分量的基本来源于速度错误使用PI控制器,而第三个是设置为零。这台机器是240 RPM的模拟在一个恒定的速度。的变换矩阵,将dq命令值转换为相应的相位值是由
在哪里,和序列的顺序。
(一)
(b)
(c)
常数和取决于转子磁极的数量。这是因为每个转子磁极的价值对应于一个特定的定子MMF谐波与给定的相序。的值和给出了在表3。谐波注入是可能的和模块化的机器设计如果磁铁给quasi-rectangular空间流量分布(4]。在这个设计中,有限元结果表明,第三谐波分量感应电压很小。这使得定子电流的转矩增强高阶谐波注入的影响可以忽略不计。因此,三次谐波的引用值序列设置为零,如控制器框图如图所示8 (c)。下午控制器是基于传统矢量控制的机器。基于机器的速度误差,PI控制器是用来决定所需的基本序列平面正交分量。除非采用磁场减弱,直轴组件被设置为零。机阶段电流测量和转换的序列值。4π控制器被用于获得所需的序电压分量,计算不同的机器相电压。
图9(一个)说明了机器速度、转矩、电流阶段,和不同数量的相电压,转子磁极。在这种情况下,机器是在空载加速0.05秒的速度240 rpm,那么300海里负载应用于0.1秒。很明显,最低20槽/ 18极电机转矩脉动。此外,rms相电流增加转子磁极的数量减少。最后,rms定子相电压随转子磁极的数量增加。比较不同数量的电流和电压阶段转子磁极数据所示9 (b)和9 (c),分别。总结了机器性能指标表4。很明显从表4机器每均方根电流和扭矩效率改善极数的增加。然而,所需的直流环节电压随转子磁极的增加,由于增加所需的相电压。
(一)
(b)
(c)
一般的结论来源于仿真结果,而20槽/ 22极选择让效果更佳,20槽/ 18杆选择对应于最小转矩脉动和20槽/ 14极选择需要较少的直流环节电压相同的机器速度。因此,最优选择主要取决于应用程序。
6。容错应用程序
多相机器有前途的容错能力,因为他们提供额外的自由度,可以与一个或两个阶段稳步运营开放(11]。打开一个或两个阶段时,由于设备故障或故障相绕组,仍然向前旋转磁场可以通过修改电流获得健康的阶段,以确保一些约束,即相同的输出转矩和最低铜损(12,14]。在本文中,一个阶段的条件被认为是开放。
6.1。最佳阶段电流一阶段开放
当一个阶段是打开由于设备故障或故障相绕组,仍然向前旋转磁场可以通过设置断裂阶段的电流为零,并保持MMF和转矩不变。在故障条件下,电流的一组新的健康应用阶段(16- - - - - -18]。当前控制策略选择,以获得没有零序电流(),以及一个合理的平均转矩。
如果相是开放的,当前的吗是零和剩余电流的阶段应该满足的条件(12),见图10
(一)
(b)
维持原状旋转MMF的竞选机器用一阶段开放、健康的基本电流振幅阶段应增加1.38倍的价值当所有五个阶段功能(18]。
考虑到和轴电流对应的转矩和磁通产生组件。当前命令剩下的四个阶段是: 与下标标注阶段电流的命令,,,。实际的参考电流和之间的关系这四个电流取决于转子磁极的数量,因为当前序列应该适应相应的转子极数,如表中给出5。
6.2。仿真结果
在本节中,仿真结果模块化的机器用一阶段开放和不同数量的转子磁极使用进行有限元分析,在Matlab / Simulink仿真数学模型。图11显示了三个选择。仿真结果三个马达的仿真结果比较,相似的结论,在健康的情况下,将获得。很明显,18杆选择给低转矩脉动比其他选择的情况下一阶段开放,它将更适合需要光滑的应用程序开发扭矩。另一方面,随着转子磁极的数量增加,相应的相电压的大小增加。这使得14极选择一个更好的选择限制所需的直流母线电压。最后,22极将对应更高的平均转矩,因此,更好的机转矩脉动转矩密度但相对较高。
7所示。结论
提出了三种不同的槽之间的比较研究/极组合为一个五阶段外部转子模块化点机。研究表明,机转矩密度和效率增强转子磁极数量的增加。然而,这是在直流环节电压的增加为代价的。发现20槽/ 22杆组合是最好的选择。然而,更好的流量分布和更少的核心损失20槽/ 14日报道杆组合。从容错的角度来看,三个槽/钢管的性能选择相似;然而,20槽/ 18杆组合给出了最小转矩脉动对健康和断裂情况。提供健康的分析和故障情况下使用阶段模型模拟机器动力学方法开发。