一种六相无刷直流电机绕组结构分析
谭建成(广州电器科学研究院，广东广州5l0300
摘要：文章讨论了一种电动摩托车用六相无刷直流电机的绕组结构，比较了两种结构方案。
关键词：无刷直流电机；六相：绕组0引言长期以来，在交流电机领域应用得最多的还是三相电机。但近年研究表明，采用电子变频器驱动的电机，选择更多的相数在减少转矩脉动，降低噪声和损耗，提高效率等方面有突出优点。
首先是在船舶电力推进、轨道车辆等低压大功率传动领域，越来越多转向采用多相电机系统。
实际采用较多的相数包括5相、6相、12相、15相等。
众所周知，当前城市空气污染己成为一个世界性的环境问题，电动车的采用是降低或消除车辆废气排放与污染的有效途径之一。眼下，油价的飙升，更是促进我国电动自行车、电动摩托车等小型电动车市场发展的直接因素。无刷直流电机，特别是采用外转子轮毂式结构的无刷直流电机在小型电动车运用日渐增多，其技术改进方向之一是多相方案的采用。
1六相无刷直流电机系统主要优点
过去l kw左右的小型电动车无刷直流电机系统均采用三相技术方案，其要点是：电机用一套三相绕组，三个霍尔位置传感器，电子换相驱动器用一套六个桥臂逆变器，每个桥臂用两个功率开关管并联，只需六个栅极驱动电路。而新的六相技术方桑要点是：电机用两套三相绕组，六个霍尔位置传感器，电子换相驱动器用两套六个桥臂逆变器，每个桥臂用一个功率开关管，需要12个栅极驱动电路，两套电流环控制。显然，六相技术方案增加了电机和控制器复杂性威本稍有增加，目的是换取技术上的优势。与常用的三相无刷直流电机系统相比，六相无刷直流电机系统主要有如下优点：
(1)电机运行时力矩波动减少，运行较平稳，振动和噪声较低。这是由于相数增加倍， 一个电气周期内换相状态数从6增加到12，力矩的脉动频率增加了 倍。它由两套三相系统组成，一套系统换相时，另一套系统处于稳定工作状态，使电机力矩的脉动幅度下降。这都有利于降低电机的振动和噪声，也有利于改善低速运行性能。
(2)在同样功率条件下，总工作作电流分配到两个逆变器上，每个桥臂功率开关管容量可降低一半。如果原来的三相逆变器每个桥臂由两个功率开关管并联的话，现在的双三相系统每个桥臂只需要一个功率开关管，从而免除功率开关管并联的均流问题。也就降低了对功率开关管特性一致性的要求，可更充分利用所选择功率开关符的容量。
(3)虽然状态变化频率增加一倍，但对于每一套三相系统来说， 一个电气周期内换相状态数仍然是6，状态变化频率并没有增加，从这个角度看，系统损耗不会增加。
(4)提高可靠性。当其中一组逆变器出现故障时，另外一组还可正常工作，虽然输}n力矩下降了，但系统仍可继续运行，不至于突然停车。
2六相无刷直流电机绕组结构两种方案
本文涉及一种小型电动车六相无刷直流电机，它是采用原有三相无刷直流电机铁心改制的。
后者是国内电动自行车、电动摩托车一种常用的糟数z=5I，极数2p=46，分数槽集中绕组无刷直流电机。和其他采用q=l整数槽或q=1／2分数槽电机相比，它的定子冲片采用奇数槽和q=17／4(；的槽极数配合，可获得较低齿槽转矩和较高绕组系数等较优异性能，它采用直槽结构方便于铁心制造和绕组下线，得到较高的生产效率口。由于它是一种分数槽集中绕组，每个线圈绕在一个齿上，它的两个线圈边落在同一个齿两边的槽内，为分析绕组连接和绕组系数，以下采用齿电势(即线圈电势)矢量图，它比槽电势矢量图更为方便。由z=51,p=23 的齿电势矢量图(图从略)，在60°相带和X义层绕组情况下，每相绕组由17个线圈串联组成，由于它是奇数槽电机，同一相的两个60°相带占有的线圈数不同，分别是8个和9个线圈。该三相无刷直流电机A相绕组的线圈连接如表l所示。表中，以字母大小写表示线圈绕向：大写字母表示逆时针绕向，小写字母表示顺时针绕向．
这里所讨论的六相无刷直流电机绕组，实际上是双三相绕组。在它的定子安放有两组空间上错开30°电角度的Y接法绕组。如果我们还是用60°相带划分，只要按四层绕组安排，两组三相绕组各占两层，就n』以做到。此时，由电势矢量图(图从略)，可得到双三相绕组无刷直流电机的A1相和A相绕组的线圈连接，如表2所示。第l组三相绕组的A相绕组排列和表1相同，第2组三相绕组的A相绕组排列应符合两组空间上错开30°电角度的要求。
另外一个绕组结构方案：
如果我们仍然按双层绕组安排，可采用采用30°相带划分，得到对称的两组二二相绕组，并且两组空间上错开30°电角度。由电势矢量图，可得到A1相和A2相绕组的线圈连接如表3所示。现在的问题是，本电机的铁心是51个齿，当按30。相带划分时，由6相均分51个齿电势矢量，平均分配到一相的电势矢量数(即线圈数)：51／6=8.5个，不是一个整数。同一相的两个30°相带占有的线圈数小同，分别是4个和4 5个线圈。这里出现O 5个线剧的问题，我们采用的处理方法是：
如果每个正常线圈的匝数是W，如表3所示那样，A1相绕组和A2相绕组在有号齿(13号齿)线
圈的匝数是O．5W。由此可知，W必须为偶数。
3两种绕组结构方案比较
对于60°相带四层绕组安排，由表2，A2相24号线圈对应于A1相的2号线圈，它们之间相隔22个齿。计算它们之间的相移θ：
未由电势矢量图，A1相的2号线圈电势矢量与A2相24号线圈电势矢量之间相差4个矢量夹角，对应相移θ，结果同上。这样，两组三相绕组错开角度是28．235。电角度，和期望的30。相比，偏差1。765°角度，相对误差5．88％。
由电势矢量图，可计算得这种方案的基波绕组系数k=0 953。
对于30°相带双层绕组安排，详细计算得到两组三相绕组错开角度是29 899°电角度，和期望的30°相比，偏差只有0．101°电角度，误差仅为0 34％。这个偏差完全可以忽略。
由电势矢量图，可计算得这种方案的基波绕组系数k~-0．987，和60°相带四层绕组安排方案比较，绕组系数增大了3 6％。
30°相带方案绕组的分布效应降低，不但增大了绕组系数，提高了电机绕组的利用程度，而且使合成反电势波形的顶部较为平坦，从而有利于电机转矩脉动幅度的降低。
另外，采用30。相带方案，6相绕组的相问互感明显降低，使它们之间的相互耦合干扰大为减少，有利于系统控制的稳定工作。
综上所述，30°相带双层绕组方案有更佳性能，加之双层绕组的工艺性较好，己被推荐使用于产品，获得成功应用。
