雙定子混合勵(lì)磁永磁電機(jī)及其運(yùn)行控制研究.pdf

1、為了降低汽車(chē)尾氣排放，新能源汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為各國(guó)政府的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一?！笆濉逼陂g汽車(chē)工業(yè)發(fā)展重點(diǎn)是低碳綠色制造和產(chǎn)品性能的提升，其中電動(dòng)汽車(chē)是重中之重，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)之一。雙定子混合勵(lì)磁永磁（Dual-stator hybrid-excited permanent magnet,DHPM）電機(jī)集合了混合勵(lì)磁永磁電機(jī)和雙定子電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)和農(nóng)業(yè)機(jī)械綠色化進(jìn)程中有著良好的應(yīng)用前景。本文以新型

2、 DHPM電機(jī)為研究對(duì)象，在分析其基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，從電機(jī)設(shè)計(jì)、電磁性能分析、控制策略以及數(shù)字控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，主要研究工作如下：
　　1．根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)注的轉(zhuǎn)矩性能、調(diào)速性能和區(qū)域效率性能等特殊指標(biāo)，提出一種電動(dòng)、發(fā)電和饋能一體化DHPM電機(jī)。研究徑向磁化轉(zhuǎn)子和切向磁化轉(zhuǎn)子相結(jié)合的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)。詳細(xì)闡述永磁體混合勵(lì)磁原理，綜合釹鐵硼永磁材料功率密度高和鋁鎳鈷永磁材料磁場(chǎng)可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)而克服它們的不足，解決普通永

3、磁電機(jī)設(shè)計(jì)理論中低速大轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速性能難以兼得的問(wèn)題。分析 DHPM電機(jī)的一般運(yùn)行原理，得到高效運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩分配方法。
　　2．系統(tǒng)研究了DHPM電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括定轉(zhuǎn)子鐵心和軸長(zhǎng)等幾何參數(shù)的確定，推導(dǎo)了基于外形尺寸的電機(jī)功率方程。分析電機(jī)的磁場(chǎng)性能，詳細(xì)分析鋁鎳鈷永磁體在不同去磁程度下的磁場(chǎng)，研究永磁體剩磁密度對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)重要的直軸和交軸電感參數(shù)的影響，為DHPM電機(jī)中永磁體材料用量、功率密度的提高和永磁磁鏈調(diào)節(jié)范圍的確定提

4、供了理論依據(jù)。采用有限元方法優(yōu)化電機(jī)參數(shù)，并分析了永磁磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電感和轉(zhuǎn)矩等各項(xiàng)性能，結(jié)果表明DHPM電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法能夠滿(mǎn)足普通永磁電機(jī)性能要求，同時(shí)具備適合于電機(jī)寬調(diào)速范圍和容錯(cuò)運(yùn)行的電磁結(jié)構(gòu)。
　　3．針對(duì)DHPM電機(jī)寬調(diào)速范圍要求，提出了線性化弱磁控制策略。建立雙dq坐標(biāo)系，構(gòu)建高精度數(shù)學(xué)模型。將電機(jī)運(yùn)行區(qū)域劃成恒轉(zhuǎn)矩線性弱磁控制、恒功率轉(zhuǎn)折線性弱磁控制和恒直軸電流線性弱磁控制三個(gè)區(qū)域，分別獲得電機(jī)在低速和高速運(yùn)行

5、時(shí)的電流解析值，同時(shí)得到轉(zhuǎn)折點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，解決現(xiàn)有非線性弱磁控制方法電流調(diào)節(jié)器飽和、電機(jī)失控問(wèn)題。在線性化弱磁控制策略的基礎(chǔ)上，分析永磁磁鏈調(diào)節(jié)范圍，并進(jìn)一步提出電機(jī)磁鏈調(diào)節(jié)方法，得到了各控制區(qū)域轉(zhuǎn)速與永磁磁鏈關(guān)系。最后對(duì)提出的線性化弱磁控制策略和調(diào)磁控制策略分別進(jìn)行仿真，研究電機(jī)在不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速時(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速性能，結(jié)果表明提出的控制策略能夠調(diào)磁調(diào)速，可以獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)限速控制。
　　4．根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全運(yùn)行需求

6、，提出繞組匝間短路容錯(cuò)控制策略。研究系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，針對(duì)電機(jī)最常出現(xiàn)的定子繞組匝間故障，分別建立了正常運(yùn)行時(shí)和繞組匝間故障時(shí)的電機(jī)模型，并提出了基于線性化弱磁控制的匝間短路容錯(cuò)控制策略。分析電流與電壓間的相互關(guān)系，通過(guò)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式容錯(cuò)控制。對(duì)系統(tǒng)故障和提出的容錯(cuò)控制策略分別進(jìn)行仿真，結(jié)果表明提出的容錯(cuò)控制策略能夠通過(guò)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)可靠性。
　　5．為了驗(yàn)證DHPM電機(jī)運(yùn)行性能，設(shè)計(jì)了高性能數(shù)字