內嵌式永磁容錯電機的設計、分析與控制.pdf

1、隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益突出，作為有效解決方案的電動汽車得到了國內外高等院校和科研機構的廣泛關注。電機及其驅動系統(tǒng)是電動汽車的核心部件，也是電動汽車研究的共性關鍵技術。內嵌式永磁電機因具有其高轉矩密度、高效率和寬調速范圍的優(yōu)點，已成功商業(yè)化應用于混合動力汽車中，但考慮到降低電機及其驅動系統(tǒng)的故障率，以保證駕乘人員的生命安全。本文采用多相設計，將分數(shù)槽集中繞組和容錯齒結構引入到內嵌式永磁電機中，形成了五相Ⅴ-type和Spoke-

2、type的兩種內嵌式永磁容錯電機。所提出的電機在保證內嵌式永磁電機優(yōu)勢的基礎上，提升了電機的可靠性。同時，輪轂式結構的采用能夠直接驅動車輪，從而省略了傳統(tǒng)的變/減速器、差速器、傳動軸等機械傳動部件，進而提高了整車效率。為了保證所設計電機既能適應無刷交流控制(BLAC)又能采用無刷直流控制(BLDC)，采用不等齒寬的方法將Spoke-type電機設計成具有144°平頂?shù)奶菪尾ǚ措妱?，而采用不對稱氣隙的方法將Ⅴ-type電機設計成具有高度正

3、弦化的反電勢。
　　在電機分析方法方面，利用有限元軟件對比分析了兩種電機的電磁性能，著重分析電機的弱磁性能和容錯性能。根據(jù)Spoke-type電機的定、轉子磁路特征，提出了該類電機定、轉子的磁阻網(wǎng)絡模型。并利用現(xiàn)有的支路構建方法，實現(xiàn)了該類電機的整體建模，預測了該電機的反電勢、電感、轉矩等參數(shù)。特別是，將構建的磁阻網(wǎng)絡模型用于該電機短路電流的預測中。
　　在提升驅動系統(tǒng)的可靠性方面，針對一相開路情況，利用故障前后旋轉磁動勢不

4、變的原理，推導了具有正弦反電勢的Ⅴ-type電機BLAC容錯控制，以及具有梯形反電勢的Spoke-type電機BLDC容錯控制以及等效轉矩的BLAC容錯控制?？紤]到以上容錯控制策略是基于滯環(huán)PWM實現(xiàn)的，引入了該方法的缺點，繼而提出了一種不對稱SVPWM容錯控制策略，該方法能夠降低逆變器的開關損耗，同時提高逆變器的電壓利用率。
　　論文主要研究成果包括以下幾個方面:
　　1.將容錯設計與輪轂式結構引入到內嵌式永磁電機中，形成

5、了直驅形式的內嵌式永磁容錯電機，使其在保留內嵌式永磁電機優(yōu)點的基礎上，進一步提升了電機的可靠性。推導了輪轂式電機的功率尺寸方程，根據(jù)所需設計要求，計算出兩種電機的初步設計參數(shù)。在此基礎上，優(yōu)化影響反電勢波形的關鍵參數(shù)，實現(xiàn)了Spoke-type電機的144°平頂梯形波反電勢和Ⅴ-type電機的高度正弦化的反電勢。
　　2.對分數(shù)槽集中繞組特性進行了較為深入的研究，總結出一相中不同繞組的分布位置與繞組反電勢位移的關系，根據(jù)推導的低諧

6、波設計方程，將不同繞組放置于恰當位置，實現(xiàn)了Spoke-type電機反電勢的低諧波設計。
　　3.驗證了利用凍結磁導率方法分離電樞作用和永磁作用的必要性和可行性。該方法在精確計算電機的dq軸電感的同時，分離出電磁轉矩中的永磁轉矩和磁阻轉矩。推導了快速計算電機弱磁區(qū)域的轉矩、磁鏈方程，利用曲線擬合獲得轉矩、磁鏈與電流角的表達式，形成了一種快速計算電機弱磁區(qū)域的通用方法。
　　4.給出了評價容錯電機容錯性能的標準，主要包含三個方

7、面:靜態(tài)互感與自感的比，動態(tài)短路電流對相鄰反電勢的影響，容錯控制策略下故障前后的轉矩性能比較。
　　5.提出了Spoke-type電機的磁阻網(wǎng)絡模型，給出了電機各部分磁阻網(wǎng)絡模型建立方法與全磁阻網(wǎng)絡模型的計算流程，預測了電機的電磁特性，特別是短路電流。
　　6.根據(jù)兩種電機的反電勢特征，推導了BLDC與BLAC運行狀態(tài)下的容錯控制策略，給出BLDC電機的等效轉矩BLAC容錯控制。在滯環(huán)PWM實現(xiàn)容錯控制的基礎上，推導1種不對