双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制

双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制
孙振杰;许东来;万梦;郑然
【摘要】In order to improve the maximum mileage, maximum speed, the performances of starting and climbing of the wheel hub motor for electric vehicle, the control system of the double-windings series-parallel switched wheel hub motor was designed. The motor type selection and the pole pairs were analyzed. And the motor performances with low speed high torque and wide-range speed were analyzed. Two sets of stator windings were adopted for motor, and double-windings series-parallel switched circuit was analyzed and designed. Two sets of stator windings were adopted for motor, and double-windings series-parallel switched circuit was analyzed and designed. As a result, the motor can run with high speed when the windings are in parallel operation. When the windings are in serial operation, the motor torque can increase by one time with the same bus current, which can avoid damaging the power system and motor body. The double-windings wheel motor speed control system was studied, which meets the electric vehicle running conditions. The double-windings wheel motor control system simulation model was established in MATLAB/Simulink platform. The simulation results show that the windings series-parallel switched can make the motors have good mechanical properties and meet the performance requirements for electric vehicle.%为提高轮毂电机电动汽车的最大续驶里程、最大转速、起动性能及爬坡性能，设计了双绕组串并联切换的轮毂电机控制系统。

对电机种类选型及极对数进行分析，对电
机低速大转矩及宽范围调速进行原理分析，提出电机采用两套定子绕组，对双绕组串并联切换电路进行设计与原理分析。

实现绕组并联运行时，使电机能够高速运行；串联运行时，同样母线电流下电动机转矩增大一倍，避免起动电流过大对电源与电机本体造成损坏。

对双绕组轮毂电机调速控制系统进行研究，使其满足电动汽车运行条件。

在MATLAB/Simulink平台上建立双绕组轮毂电机控制系统仿真模型。

仿真结果表明：通过绕组串并联切换能够使电机具有较好的机械特性，能满足电动汽车的性能要求。

【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】5页(P40-44)
【关键词】轮毂电机;绕组切换;控制系统;仿真分析
【作者】孙振杰;许东来;万梦;郑然
【作者单位】北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;北京工
业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北
京 100124
【正文语种】中文
【中图分类】TM303
0 引言
能源与环境问题已成为制约经济和社会发展的重要因素，我国汽车工业的快速增长
所产生的环境污染问题愈来愈严重，迫切需要发展新能源汽车。

新能源汽车的驱动技术是目前研究热点，其中轮毂电机技术具有较好的发展前景。

轮毂电机是新能源汽车的一种动力驱动装置，放在车轮内部直接驱动车轮旋转，其性能的好坏直接影响新能源汽车的性能[1]。

目前，国内外对轮毂电机技术的研发已取得一定研究成果，已研发出装备轮毂电机的电动汽车。

电机结构受车辆车轮内部空间的限制及电池技术的制约，仍存在一系列问题，如汽车的最大续驶里程问题、最大转速问题、汽车的起动性能及爬坡性能等。

这些问题会对汽车造成较大影响，要求电动汽车起步及低速时电机可提供较大的转矩，从而改善汽车起动、爬坡和加速性能[2]。

市面上常用的普通电机，承载大扭矩时需要大电流，容易损坏电池及电机内部的永磁体[3]。

为使汽车有较好的动力性，电动机还须具有很宽的转矩和转速调节范围，故要求轮毂电机具有转速范围大，低速大转矩，轻载高速的软特性[4]。

本设计中提出采用一种新型电机，即电机内部设置两套绕组，且可通过开关实现双绕组串并联切换，从而改善电机性能，实现较大幅度扩大电机的转速范围。

通过串并联换接可保证母线电流不变的情况下转矩提升一倍，避免大电流损坏电机及电源系统，有效改善电动汽车的低速爬坡及起动加速能力。

1 轮毂电机的结构设计
1.1 电机本体的选型
轮毂电机按驱动形式主要分为减速驱动及直接驱动。

减速驱动型轮毂电机采用电机与减速装置相结合，该类型轮毂电机具有效率高、功率比高、输出扭矩大、爬坡性能好等优点；但需要较紧凑的结构来适应汽车空间，较好的润滑来降低齿轮磨损及噪声的产生。

直接驱动式轮毂电机，多采用外转子电机，由电机外转子直接带动轮毂旋转，其结构简单、轴向尺寸较小、响应速度变化较快，但对于起动和爬坡扭矩需求具有一定缺陷。

由于受汽车底盘空间限制，要求在同等性能参数下减小轮毂电
机的轴向尺寸。

目前，应用于电动轮毂的电机主要有永磁电机、异步电机、开关磁阻电机及横向磁通电机。

永磁电机与其他电动机相比，具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点[5]，且可制造成扁
平状及盘式结构，故可作为轮毂电机的最佳选择。

本设计采用直接驱动型外转子永磁无刷直流电动机。

1.2 电机槽极数的确定
本文研究的直驱型轮毂电机，采用外转子永磁无刷直流电动机。

转子磁极采用钕铁硼永磁材料，表面式结构。

由于轮毂电机受车轮尺寸限制，当确定电机主要尺寸后，考虑运行性能及经济指标，选取较多极数，可使每极磁通减少，电枢轭及定子轭部减少，用铜用铁量减少[6]。

此外，关于电机绕组结构，分数槽绕组较整数槽绕组
具有更突出的优点，将其应用于无刷直流电动机有利于改善电机性能，可实现节能、节材、小型化、轻量化。

分数槽集中绕组槽极数组合Z/2P=9/8有较高的LCM值[6]，意味着该组合有较低的齿槽转矩。

本设计中考虑8极9槽，16极18槽，24极27槽3种方案，并通过Ansys建模分析比较。

几种槽极数电机的磁力线图如
图1所示。

由图知，只有当P=8时，齿部漏磁较少，定子受力均匀。

综上所述，本设计选取P=8，即16极18槽。

图1 几种槽极数电机的磁力线图
2 双绕组轮毂电机原理分析及串并联切换电路设计
根据采用轮毂电机技术的汽车起动与爬坡对电机性能的要求，本设计中选用永磁无刷直流电动机。

通过分析永磁无刷直流电机的电磁转矩、电枢电流、反电动势及转速等特性，提出电机采用两套定子绕组，并通过开关电路实现双绕组的串并联切换，以实现宽调速及大转矩输出时不产生过大电流，从而改善电机性能。

对于三相六状态无刷直流电机，反电动势为
(1)
式中：WΦ——电枢绕组每相串联匝数；
P——极对数；
αi——计算极弧系数；
Φδ——每极磁通量；
n——电机转速。

电机的电磁转矩为
(2)
式中： Ia——每相绕组电流；
Ω——转子的机械角速度，Ω=2πn/60。

由式(2)可知，增大电机输出转矩须增加电机绕组匝数或者增大绕组电流，而绕组电流过大不利于电源系统及电机本身，易造成电机及电路损坏。

为减小绕组电流，须加大电机绕组匝数。

当汽车运行在平滑路面，或高速道路上时，要求轮毂电机具有较高的转速来适应汽车的高速运行。

在较高绕组匝数运行情况下，某一速度运行时反电动势变得很大，几乎等于蓄电池的最高工作电压，而此时的速度并没有达到最高的转速要求[5]。

可知永磁无刷直流电动机星形连接时，为降低电机及蓄电池的工作电流可提高反电动势，但提高反电动势会给系统的高速运行段带来了限制。

轮毂电机绕组设计上须考虑该两大问题，若能将两问题结合起来，便可完善电机的性能要求。

本设计中提出电机采用两套绕组。

当汽车处于起动及爬坡状态需要输出大转矩时，采用两套绕组串联，增大绕组匝数实现大转矩小电流输出；当汽车处于平稳运行状态时，通过外部电路开关切换，将两套绕组由串联改为并联状态从而实现汽车高速
运行。

本设计中双绕组轮毂电机的外部绕组串并联切换电路如图2所示。

图中左
半部分为无刷直流轮毂电机逆变电路，为常规六开关三相逆变器结构；右半部分为电机绕组串并联切换电路，通过控制开关导通实现绕组串并联切换。

切换开关采用3个三相交流固态继电器，分别为SSR1、SSR2、SSR3，其集3只单相交流固态
继电器于一体，输入与输出由光耦隔离，并以一组控制端对三相负载进行直接开关切换。

控制端由DSP输出逻辑信号控制。

图2 双绕组轮毂电机的外部绕组串并联切换电路
3 双绕组轮毂电机调速控制的实现
汽车轮毂电机根据驾驶人意图工作在不同的工况，主要分为高速运行及低速运行。

在较拥堵的城市道路须不断起、停动作时，由于电机直接带动车轮旋转，故须电机不断开起、关闭，易造成电机及电路的损坏。

该阶段电机宜采用低速运行模式。

在路况较好的情况下，需要较高车速行驶时，电机处于高速运行模式。

无刷直流电机在这两种工况下，三相绕组均采用星形连接，并工作在两相导通120°三相六状态方式[7]。

控制系统采用TMS320F2812 DSP作为核心控制器件。

驾驶人对汽车操作后，由控制器负责处理采集数据和发送控制命令。

通过捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号，判断转子位置，输出合适的驱动逻辑电平给MOSFET驱动器，再由MOSFET功率驱动电路驱动电机旋转。

控制器根据捕获的位置传感器脉冲信号，计算电机当前转速与电机设定转速比较后，利用不同模式下的转速控制程序控制电机的转速跟随设定值。

控制器经A/D转换及电流检测电路
采集电机绕组中的电流，与电流设定值比较后，经PID算法产生适合调制信号控
制绕组中的电流。

通过控制脚踏板的位置，可调节PWM占空比从而实现调速。

另外，DSP根据操作规程和转速设定值所处范围自动寻找固态继电器接通和分断
的切换点，对绕组切换主电路进行控制。

需要注意，SSR1和SSR3同时接通和分断，与SSR2状态相反，须进行两种模式切换时，有两秒延时操作，先断开再接合。

DSP输出切换信号通过三极管控制固态继电器，可避免切换点出现震荡现象。

当电机转速范围在0～300r/min，处于低速运行范围时，位置传感器向固态继电
器控制端发出信号，控制固态继电器SSR2接通,SSR1、SSR3分断。

电机在该段
时间内处于两套绕组串联运行，通过增大绕组匝数避免电流过大造成电机损坏，并可提供汽车所需转矩。

当驾驶人操作电机不断加速，当检测到速度达到400r/min，SSR3断开，2s后同时接合SSR1、SSR3。

电机继续运转，此时电机以两套绕组并联运行，使得电机总绕组匝数减少，可迅速将速度提升。

双绕组轮毂电机控制系统框图如图3所示。

图3 双绕组轮毂电机控制系统框图
4 仿真研究
根据绕组串并联不同模式下无刷直流电机数学模型及轮毂电机系统的控制策略，在MATLAB/Simulink中建立该双绕组切换轮毂电机系统仿真模型，包括无刷直流电机模块、三相逆变桥模块、逻辑换向模块、绕组切换模块和控制模块，如图4所示。

电机模型采用Simulink的子系统封装技术，将电机各个功能模块集成在子模型中，并通过子系统封装对话框输入电机仿真的一些重要参数。

另外，利用C MEX-S函数，结合各类数学逻辑、运算模块和SimPowerSystem模块实现整个
系统的建模。

图4 双绕组无刷直流电机控制系统仿真模型
DSP控制系统采用转速、电流双闭环数字串级控制，主环为速度环，副环为电流环。

PWM信号和3个霍尔位置信号经逻辑换向模块后，输出6路信号至三相逆
变桥，用于电机换相和控制。

通过速度计算反馈，DSP生成逻辑信号对3个固态
继电器进行开关控制，从而实现绕组串并联切换。

当两套绕组串联、并联工作时，电机输出转速、转矩与电流曲线，如图5所示。

图5 电机绕组串并联切换时的输出转矩、转速、电流曲线
由图可知，同样母线电流下，通过将绕组切换成串联连接实现电机转矩增大一倍，从而提高电动车的低速爬坡和起动加速能力；通过绕组切换成并联连接，从而使电机高速运行。

5 结语
本文研究了双绕组串并联切换轮毂电机系统。

进行电机选择及电机槽极数分析，借助有限元分析选出比较合适的极对数。

充分考虑电动车轮毂电机运行条件，提出采用两套定子绕组，通过固态继电器实现两套绕组串并联控制，从而满足汽车低速运行大转矩及高速运行的软特性。

通过仿真分析，验证了双绕组轮毂电机具有较好的机械特性，可为新能源汽车轮毂电机技术提供参考。

[1] 褚文强,辜承林.电动车用轮毂电机研究现状与发展趋势[J].电机与控制应用,2007，34(4)： 1-5.
[2] 代颖,崔淑梅.电动车驱动用永磁同步电机力矩特性的研究[J].高技术通讯,2005，15(12)： 64-67.
[3] 陈尊友.新型轮毂电机的结构设计与拓扑优化及实验台架的设计[D].广州：华南理工大学，2012.
[4] LIM Y H, KOOK Y S, KO Y. A new technique of reducing torque ripples
for BDCM drives[C]∥IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997, 44(5)：735-739.
[5] HONG H, LIUCHEN C, Electrical two-speed propulsion by motor winding switching and its control strategies for electric vehicles [J]. IEEE
Transac-tions on Vehicular Technology, 1999,48(2)： 607- 618.
[6] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7] 韩光鲜,王宗培，程智，等.无刷直流电动机定子绕组的星形和三角形联接[J].微电机,2003.36(1)： 3-6.。