六相电机特性及其在汽车行业中的应用

孟永刚

（联创汽车电子有限公司 201206)

1 六相电机的特点

六相电机包括对称六相电机和不对称六相电机（相移30°双三相电机）两种。两种六相电机的绕组结构如图1所示。可以看出，对称六相电机的相带角和传统三相电机一致为60°，因此对称六相电机的磁势空间分布和传统三相电机的完全相同，只是幅值增加了一倍。而不对称六相电机的相带角和对称十二相电机一致为30°，因此其磁势空间分布和对称十二相电机一致，即不对称六相电机内部消除了5、7次谐波磁势，进而消除了6次转矩脉动。转矩脉动的最低次数提高到12次，因此其在抑制转矩脉动上具有更大的优势而得到了更为广泛的关注。

图1 六相电机定子绕组结构

六相电机与传统的三相电机相比，主要的优点如下。

1.1 实现低电压情况下输出大功率

在常见的三相电机的控制系统中，为了能使整个控制系统的输入电压比较高、输出功率比较大，在逆变侧往往使用多电平进行级联的形式。而对于六相电机或者其他多相电机在相同功率和相电流情况下，随着电机相数的增加，每相绕组的永磁体磁链或反电动势会成比例的降低，因此供电电压会随之下降，可实现低电压输出高功率的情况。

1.2 相数冗余可靠性高

传统三相电机发生一相缺相故障时，电机中性点必须与直流母线中点连接，否则将降阶为单相电机，无法实现自启动。对于多相电机，当定子绕组发生一相或多相故障时，无需中线引出即可降额运行，并且不需要停机重组。这种情况下，通过采用适当的容错控制策略，使得剩余电机绕组重新合成旋转磁势轨迹为圆形，即可使电机继续稳定运行。因此多相电机非常适合于严禁中途停机的高可靠性要求场合。

1.3 降低了转矩脉动

随着电机相数的增加，空间谐波次数增加，转矩脉动频率提高，幅值下降，进而降低了电机运行时的噪声和振动。电机相数越多，基波电流产生的转矩脉动频率越高。

1.4 控制资源丰富

对于多相电机，可以通过注入适当比率的低次谐波电流与相应的谐波磁场作用产生恒定转矩，进而提高电机的功率密度。多相逆变器的空间电压矢量呈指数性增加，为多相电机的控制，例如PWM调制、直接转矩控制和预测电流控制等，提供了丰富的控制资源。多相电机通过矢量空间解耦，可以实现基波转矩分量和谐波分量的解耦；通过对谐波子平面分量的控制，可以实现死区补偿和不对称补偿；也可以通过注入谐波分量实现过调制和参数辨识。

2 六相电机产品应用

六相电机在近些年得到越来越多的应用，除了在船舶推进系统中得到使用以外，在汽车行业里也有所应用。

2.1 Mahindra Racing Car

Mahindra Racing Car是一款方程式赛车（图2）[1]，采用了马瑞利公司（Magneti Marelli）的六相电机（图3）。该电机质量为23 kg，赛车模式下峰值功率可达200 kW，采用2个逆变器供电，每个逆变器给一组三相线圈供电。该款电机比其上一代产品峰值转速提高了14%，峰值扭矩提高了38%[2]。

图2 Mahindra Racing Car

图3 马瑞利公司六相电机

2.2 电动大巴

沃尔沃于2013年推出了一款名为B5的混合动力驱动系统大型客车（图4）。该车车长11.5 m，采用了600 V的交流六相电机和四缸柴油发动机。其中六相电机最大功率为120 kW，连续输出功率为70 kW。该六相电机搭载有逆变器和直流变换器，可输出24 V直流电供给车辆其他电器系统[3]。

在2015年北京国际道路运输、城市公交车辆及零部件展览会上，扬州亚星客车展出了一款利用六相电机驱动的纯电动客车[4]。此车型采用了六相驱动电机，大大提高了动力系统的可靠性。采用高效的电驱动系统，达到80.0%以上系统效率的工作区面积占到整个系统工作区面积的82.1%，系统效率最高达到96.7%。该车还拥有完善的整车控制策略（图5）。

图4 沃尔沃混合动力大巴

图5 亚星六相电机纯电动客车

2.3 采埃孚（ZF）六相电动助力转向系统

电动助力转向系统通常采用一个三相电机，可提供平稳助力模式，减轻驾驶员的负担。但是如果发生紧急情况，无法提供其他助力源。为了解决这个问题，采埃孚（ZF）设计开发了六相电动助力转向系统[5]，每组三相提供50%的转向扭矩，如果其中一组失效，仍然可保证转向助力功能。该技术将在2020年或2021年期间与欧洲主要汽车生产厂商进行OEM合作生产。

2.4 台湾中央大学六相电动助力转向系统

台湾中央大学林法正教授课题组于2013年，基于六相电机设计开发了电动助力转向系统[6]，试验台架如图7所示。该六相电机为两组三相绕组所组成，相位差为30º，由电流控制变频器驱动，可消除六次谐波转矩的影响。实验所选电机额定转速达到2 250 r/min，额定电流和功率分别为11.4 A和2 kW。

图6 采埃孚六相电机电动助力转向系统

图7 六相电动助力转向系统台架

2.5 精进电动六相电机技术

精进电动科技（北京）有限公司的六相电机[7]工作电压为576 V，可以在500～600 V范围运行，连续功率为100 kW，峰值可达200 kW，连续扭矩2 000 N·m，峰值扭矩3 500 N·m，最高转速可达3 500 r/min，效率高达96%（图8）。该电机主要用于纯电动和插电式客车。

图8 精进电动六相电机及其控制器

2.6 佩特来六相电机系统

2014年伊始，北京佩特来电机驱动技术有限公司在其DDM155系列电机的基础上又出新产品——DDM110（图9），这是从全尺寸的DDM155 九相电机基础上衍生出来的一款6相电机系统[8]。其特点是：直径不变的情况下，长度是原有机型的2/3，额定功率为110 kW，峰值功率200 kW，峰值扭矩2 300 N·m。该电机系统是专为平原城市8～11 m纯电动客车特制开发的。该系统成本降低约30%，以满足客户低成本需求。

图9 佩特来六相电机及控制系统

2.7 Emoss公司六相电机产品

Emoss公司针对不同载重量的货车，开发了E-DRIVE系列电机[9]。其中E-DRIVE150为传统的三相驱动电机，功率为150 kW；而E-DRIVE200则为六相驱动电机，功率为200 kW，扭矩可达2 100 N·m（图10）。同系列还有功率可达250 kW的九相电机E-DRIVE250，整个系列随着电机功率的增加，电机相数也随之增加。

图1.E-DRIVE200六相电机

2.8 六相电机相关专利介绍

基于多相电机的种种优势，国外最早将其应用在潜艇推进和航空动力装置中，但随着电机的发展和研究深入，其应用范围也在逐渐扩大，已延伸至纯电动汽车等研究领域。现以“六相电机”、“电动汽车”等为关键词，搜索到国内外专利多项，其中密切相关的有10余项，现举例如下。

美国葆德电机公司在2014年提出了一套六相交流感应电机驱动系统及其使用方法（US9287818B2）[10]。其中定子总成包含两组定子绕组，且在空间上错开30º，提供电力的两套电源从相应的脉宽调制发生器接受信号，而脉宽调制发生器则从同一个控制器中接受命令。法雷奥电机设备有限公司在2015年设计了用于六相旋转电机的互连电子功率模块的架构[11]，和包括这种架构的六相旋转电机（CN 106664049A）。通用电气公司也提出了多相电机及相关使用方法（CN 106936269A）[12]，包括定子、转子和多个开关，其中相关开关配置可将电机六相转换成三相。

国内各汽车和电机公司关于六相电机的应用也做了大量工作。如天津松正电动汽车技术有限公司在2012年研究了一套六相电机驱动系统（CN 102780427B）[13]，包括由两组三项绕组而组成的六相交流电机、两套电源、逻辑算法电路、驱动电路、交直流转换模块和控制模块（图11）。该公司还针对传统三相电机的缺点设计了一种可优化电源供电和配置，并能提高工作可靠性的电机驱动系统结构。同时该公司还设计了另外一套将电机双电源组合为单电源的驱动系统（CN 202798567U）[14]，可回收六相交流电机的能量至电源。

图1.天津松正相电机驱动系统

西安磁林电气有限公司设计了一种六相直流方波无刷电机（CN 102868343A）[15]，包括控制器、自举绕组驱动电路、激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组以及无刷电机体。该发明能够提供等同有位置传感器的无刷电机的换相效果，实现六相完全消除转矩脉动，以及具有结构简单和便于加工等优势。安徽安凯汽车股份有限公司在2013年也设计出一款用于纯电动汽车的六相电机（CN 203377764U）[16]，包括转子和设置在转子外的定子。该电机采用两套定子绕组，增大了绕组分布系数，提高了电机功率密度和扭矩密度，降低了转矩脉动以及机械振动噪声，能够满足纯电动汽车驱动系统的高可靠性要求。电机及绕组结构如图12所示。

图1.安凯六相电机结构

2013年，北京佩特来电机驱动技术有限公司公开了一种能变相运行的多相电机系统（CN 203472574U）[17]，包括多相电机及多相电机控制器。该系统可以根据车辆载荷情况变相控制运行，使得车辆运行在各种工况下时，多相电机系统始终工作在高效区域，提高电动车续驶里程，降低能耗，同时降低整车对于储能系统容量的要求。这种能变相运行的六相电机系统示意图如图13所示。

图1.能变相运行的六相电机系统示意图

苏州华亚电讯设备有限公司在2016年公开了一种六相永磁同步直线电机单向开路故障的容错控制方法（CN 106059446A）[18]。该技术利用支持向量机来分别获取电机正常和故障状态的标称模型，主要采用内模控制和PI调节器，鲁棒性较强。浙江可达尔汽车电子科技有限公司设计了一种应用于汽车的、具备电动助力模式和发电充电模式的六相起动发电一体机（CN 106887916A）[19]，包括皮带轮、驱动端盖、定子总成、转子总成、电刷端盖和接线架总成等。其中定子总成包含相互独立的两组星形联接的三相电机绕组，构成相互独立并可独立工作的两台电机，两组三相电机绕组电相位相互隔开0º、30º或者60º。该发明的六相起动发电一体机结构简单，工作可靠，在保证各汽车制造企业严苛的安装空间下顺利安装的同时，亦能灵活应用工作模式，减少电能消耗，提高使用寿命，达到节省燃油，降低排放的目的，有益于解决现有同类产品工作模式单一、功率体积比偏低的技术问题。

[1]http://current-e.com/blueprints/powertrain-explained-m3electro/.

[2]http://www.motoiq.com/MagazineArticles/ID/4008/PageID/9698/Ciao-Bella-Part-1--Italian-F1-GP-VRossis-GP-bike-Alfa-Giulia-and-Magneti-Marelli-stuff.aspx.

[3]https://www.busnews.com.au/bus-reviews/1510/review-volvo-b5rle-hybrid.

[4]http://www.chinatt315.org.cn/members/2015-6/9/22800.aspx.

[5]http://www.autoguide.com/auto-news/2017/07/6-technologies-that-couldchange-driving-forever.html.

[6]阮开骏.应用于电动转向系统之智慧型控制六相永磁同步马达驱动系统 [D].台湾中央大学,2013.

[7]http://www.calstart.org/Libraries.

[8]http://www.diandong.com/news/2016042713917.shtml.

[9]http://www.emoss.nl/en/electric-driveline/.

[10]Khanin M D,Rowan E N,Pan Z.SIX-PHASE AC INDUCTION MOTOR DRIVE SYSTEM AND METHOD THEREFOR:WO/2016/003807[P].2016.

[11]L.科比兰斯基.用于六相旋转电机的互连电子功率模块的架构,和包括这种架构的六相旋转电机CN 106664049 A[P].2015.

[12]A.S.阿塔拉,M.R.莎,S.普拉巴卡兰,等.多相电机及使用方法CN 106936269A[P].2017.

[13]余国权,赵建虎,赵雷.一种六相电机驱动系统CN 102780427B[P].2012.

[14]张德星,章紫星,吴亚军.一种单电源六相电机驱动系统CN 202798567U[P].2012.

[15]马泽希,丁杰, 薛卫波.六相直流方波永磁无刷电机CN 102868343A[P].2013.

[16]付冠东,陈顺东,杨大庆,等.一种用于纯电动汽车的六相电动机CN 203377764U[P].2013.

[17]张力,张晋玄,肖丹.一种能变相运行的多相电机系统CN 203472574U[P].2013.

[18]杨曙光,卜令山,储建华.六相永磁同步直线电机单相开路故障的容错控制方法CN 106059446A[P].2016.

[19]谢百年.汽车用皮带传动式六相起动发电一体机CN 106887916A[P].2017.