内嵌式永磁容错电机的设计、分析与控制
随着能源危机和环境污染问题的日益突出，作为有效解决方案的电动汽车得到了国内外高等院校和科研机构的广泛关注。电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件，也是电动汽车研究的共性关键技术。内嵌式永磁电机因具有其高转矩密度、高效率和宽调速范围的优点，已成功商业化应用于混合动力汽车中，但考虑到降低电机及其驱动系统的故障率，以保证驾乘人员的生命安全。本文采用多相设计，将分数槽集中绕组和容错齿结构引入到内嵌式永磁电机中，形成了五相Ⅴ-type和Spoke-type的两种内嵌式永磁容错电机。所提出的电机在保证内嵌式永磁电机优势的基础上，提升了电机的可靠性。同时，轮毂式结构的采用能够直接驱动车轮，从而省略了传统的变/减速器、差速器、传动轴等机械传动部件，进而提高了整车效率。为了保证所设计电机既能适应无刷交流控制(BLAC)又能采用无刷直流控制(BLDC)，采用不等齿宽的方法将Spoke-type电机设计成具有144°平顶的梯形波反电势，而采用不对称气隙的方法将Ⅴ-type电机设计成具有高度正弦化的反电势。 在电机分析方法方面，利用有限元软件对比分析了两种电机的电磁性能，着重分析电机的弱磁性能和容错性能。根据Spoke-type电机的定、转子磁路特征，提出了该类电机定、转子的磁阻网络模型。并利用现有的支路构建方法，实现了该类电机的整体建模，预测了该电机的反电势、电感、转矩等参数。特别是，将构建的磁阻网络模型用于该电机短路电流的预测中。 在提升驱动系统的可靠性方面，针对一相开路情况，利用故障前后旋转磁动势不变的原理，推导了具有正弦反电势的Ⅴ-type电机BLAC容错控制，以及具有梯形反电势的Spoke-type电机BLDC容错控制以及等效转矩的BLAC容错控制。考虑到以上容错控制策略是基于滞环PWM实现的，引入了该方法的缺点，继而提出了一种不对称SVPWM容错控制策略，该方法能够降低逆变器的开关损耗，同时提高逆变器的电压利用率。 论文主要研究成果包括以下几个方面: 1.将容错设计与轮毂式结构引入到内嵌式永磁电机中，形成了直驱形式的内嵌式永磁容错电机，使其在保留内嵌式永磁电机优点的基础上，进一步提升了电机的可靠性。推导了轮毂式电机的功率尺寸方程，根据所需设计要求，计算出两种电机的初步设计参数。在此基础上，优化影响反电势波形的关键参数，实现了Spoke-type电机的144°平顶梯形波反电势和Ⅴ-type电机的高度正弦化的反电势。 2.对分数槽集中绕组特性进行了较为深入的研究，总结出一相中不同绕组的分布位置与绕组反电势位移的关系，根据推导的低谐波设计方程，将不同绕组放置于恰当位置，实现了Spoke-type电机反电势的低谐波设计。 3.验证了利用冻结磁导率方法分离电枢作用和永磁作用的必要性和可行性。该方法在精确计算电机的dq轴电感的同时，分离出电磁转矩中的永磁转矩和磁阻转矩。推导了快速计算电机弱磁区域的转矩、磁链方程，利用曲线拟合获得转矩、磁链与电流角的表达式，形成了一种快速计算电机弱磁区域的通用方法。 4.给出了评价容错电机容错性能的标准，主要包含三个方面:静态互感与自感的比，动态短路电流对相邻反电势的影响，容错控制策略下故障前后的转矩性能比较。 5.提出了Spoke-type电机的磁阻网络模型，给出了电机各部分磁阻网络模型建立方法与全磁阻网络模型的计算流程，预测了电机的电磁特性，特别是短路电流。 6.根据两种电机的反电势特征，推导了BLDC与BLAC运行状态下的容错控制策略，给出BLDC电机的等效转矩BLAC容错控制。在滞环PWM实现容错控制的基础上，推导1种不对称SVPWM容错控制方式。 7.制造了两种内嵌式永磁容错电机实验样机，搭建了电机静态特性测试实验平台和容错控制策略实验平台。验证了电机仿真设计的正确性和多种容错控制策略的有效性，为开发出高可靠性、高效率电机及其驱动系统提供了实验基础。
电动汽车;内嵌式永磁容错电机;结构设计;电磁性能
江苏大学
博士
控制理论与控制工程
刘国海;赵文祥
2015
中文
U469.72;U463.645
124
2015-10-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）