新型電動馬達架構助提升大型交通工具運行可靠性

位於奧克里奇國家實驗室國家交通研究中心的研究人員設計了一種全新的電動馬達驅動架構。該系統可減少內部熱應力，並減緩高功率應用中的機械劣化。研究人員在一份新聞稿中表示：「模擬顯示中性點電壓波動減少了 90%，電容器的電流應力下降了 43%，幫助系統在耐用性和運行時間至關重要的情況下更可靠地運行。」這種結構優化有助於大型電推進系統在持續使用期間保持更高的運行可靠性。反向分段馬達驅動佈局旨在滿足大型交通平台的技術要求。

滿足大型交通工具需求

新聞稿補充道：「它滿足了飛機、海洋船舶和重型卡車的性能需求，同時減少多餘的熱量和過早的磨損。」

現代重型運輸物流需要更高的直流鏈路運行電壓，這驅動了對多級主動中性點鉗制逆變器的興趣，因為其具有平衡的損耗分佈和功率擴展能力。儘管這些優勢，高壓電氣設置仍面臨兩個主要運行挑戰。第一個問題涉及中性點電流。這種電流會導致分割直流鏈路電容器之間的低頻電壓不平衡，產生過量熱量，迫使製造商使用過大的硬件元件來管理熱負荷。第二個問題是共模電壓，這代表著產生電磁幹擾和破壞性內部電流的雜散電壓。

這種電氣噪音隨著時間的推移會導致元件的過早磨損和設備損壞。

創新電氣架構設計

工程團隊開發了一種內部系統級架構，而不是使用額外的物理元件或改變控制迴路。該設計使用了一對配置為反向同步運作的主動中性點鉗制逆變器。這兩個單元為兩組相位馬達繞組供電，這些繞組在物理上是反向的。由於一組三相繞組是物理鏡像的，第二個逆變器被編程為提供與第一單元具有完全相反電極性的參考電壓向量。在這種情況下，流經反向路徑的對立電流生成的磁通量以建設性的方式結合，使馬達保持正常的扭矩輸出。

同時，來自兩個獨立單元的雜散共模電壓和內部中性點電流相互抵消。這種結構安排使得不必要的電氣應力在系統級別上相互抵消，導致在理想運行條件下總共模電壓為零，中性點電流為零。

研究人員建立了一種基於載波的空間電壓調製策略，以驗證馬達驅動系統能夠在工業控制平台內運行。當反向參考電壓與二次逆變器的三角載波信號配對時，系統實現了完全的電氣抵消，該三角載波信號在相對於主單元的載波信號時是垂直反轉的或相位偏移 180 度。這一調整在不要求車輛控制計算機進行高計算處理的情況下，創造所需的反向脈衝序列。整個重新設計在不改變基礎硬件或添加外部元件的情況下運行。

在繞組過程中，標準工業電動馬達通過反轉一組線圈的物理繞組方向來適應，而不僅僅是改變終端連接。這一簡單性使得工廠能夠使用現有的製造工具和材料來實施該設計。

奧克里奇國家實驗室的研究人員桂佳蘇總結道：「這一設計變更不需要額外的硬件。隨著系統向更高功率水平邁進，我們需要可擴展且可靠的解決方案。」通過將電容器電流應力從 124.1 根均方根安培降低到 70.3 根均方根安培，而不增加結構複雜性或製造成本，該系統為在重型物流中擴大電驅動系統提供了途徑。

新型電動馬達架構的技術突破

這項新型電動馬達架構的設計不僅提升了大型交通工具的運行可靠性，還有效解決了高功率應用中常見的熱應力問題。隨著現代重型運輸需求的增加，對高效能電動馬達的需求也隨之上升。這種設計不需要額外的硬件，降低了製造成本，並且能夠在不改變現有製造流程的情況下實施，這對於推動電動交通工具的普及具有重要意義。