內(nèi)嵌式永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析與控制.pdf

1、隨著能源危機(jī)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(nèi)外高等院校和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。電機(jī)及其驅(qū)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(guān)鍵技術(shù)。內(nèi)嵌式永磁電機(jī)因具有其高轉(zhuǎn)矩密度、高效率和寬調(diào)速范圍的優(yōu)點(diǎn)，已成功商業(yè)化應(yīng)用于混合動力汽車中，但考慮到降低電機(jī)及其驅(qū)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(shè)計(jì)，將分?jǐn)?shù)槽集中繞組和容錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)引入到內(nèi)嵌式永磁電機(jī)中，形成了五相Ⅴ-type和Spoke-

2、type的兩種內(nèi)嵌式永磁容錯(cuò)電機(jī)。所提出的電機(jī)在保證內(nèi)嵌式永磁電機(jī)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提升了電機(jī)的可靠性。同時(shí)，輪轂式結(jié)構(gòu)的采用能夠直接驅(qū)動車輪，從而省略了傳統(tǒng)的變/減速器、差速器、傳動軸等機(jī)械傳動部件，進(jìn)而提高了整車效率。為了保證所設(shè)計(jì)電機(jī)既能適應(yīng)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)成具有高度正

3、弦化的反電勢。
　　在電機(jī)分析方法方面，利用有限元軟件對比分析了兩種電機(jī)的電磁性能，著重分析電機(jī)的弱磁性能和容錯(cuò)性能。根據(jù)Spoke-type電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子磁路特征，提出了該類電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的磁阻網(wǎng)絡(luò)模型。并利用現(xiàn)有的支路構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了該類電機(jī)的整體建模，預(yù)測了該電機(jī)的反電勢、電感、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。特別是，將構(gòu)建的磁阻網(wǎng)絡(luò)模型用于該電機(jī)短路電流的預(yù)測中。
　　在提升驅(qū)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(zhuǎn)磁動勢不

4、變的原理，推導(dǎo)了具有正弦反電勢的Ⅴ-type電機(jī)BLAC容錯(cuò)控制，以及具有梯形反電勢的Spoke-type電機(jī)BLDC容錯(cuò)控制以及等效轉(zhuǎn)矩的BLAC容錯(cuò)控制。考慮到以上容錯(cuò)控制策略是基于滯環(huán)PWM實(shí)現(xiàn)的，引入了該方法的缺點(diǎn)，繼而提出了一種不對稱SVPWM容錯(cuò)控制策略，該方法能夠降低逆變器的開關(guān)損耗，同時(shí)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(gè)方面:
　　1.將容錯(cuò)設(shè)計(jì)與輪轂式結(jié)構(gòu)引入到內(nèi)嵌式永磁電機(jī)中，形成

5、了直驅(qū)形式的內(nèi)嵌式永磁容錯(cuò)電機(jī)，使其在保留內(nèi)嵌式永磁電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了電機(jī)的可靠性。推導(dǎo)了輪轂式電機(jī)的功率尺寸方程，根據(jù)所需設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出兩種電機(jī)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化影響反電勢波形的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了Spoke-type電機(jī)的144°平頂梯形波反電勢和Ⅴ-type電機(jī)的高度正弦化的反電勢。
　　2.對分?jǐn)?shù)槽集中繞組特性進(jìn)行了較為深入的研究，總結(jié)出一相中不同繞組的分布位置與繞組反電勢位移的關(guān)系，根據(jù)推導(dǎo)的低諧

6、波設(shè)計(jì)方程，將不同繞組放置于恰當(dāng)位置，實(shí)現(xiàn)了Spoke-type電機(jī)反電勢的低諧波設(shè)計(jì)。
　　3.驗(yàn)證了利用凍結(jié)磁導(dǎo)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(jì)算電機(jī)的dq軸電感的同時(shí)，分離出電磁轉(zhuǎn)矩中的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。推導(dǎo)了快速計(jì)算電機(jī)弱磁區(qū)域的轉(zhuǎn)矩、磁鏈方程，利用曲線擬合獲得轉(zhuǎn)矩、磁鏈與電流角的表達(dá)式，形成了一種快速計(jì)算電機(jī)弱磁區(qū)域的通用方法。
　　4.給出了評價(jià)容錯(cuò)電機(jī)容錯(cuò)性能的標(biāo)準(zhǔn)，主要包含三個(gè)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(cuò)控制策略下故障前后的轉(zhuǎn)矩性能比較。
　　5.提出了Spoke-type電機(jī)的磁阻網(wǎng)絡(luò)模型，給出了電機(jī)各部分磁阻網(wǎng)絡(luò)模型建立方法與全磁阻網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算流程，預(yù)測了電機(jī)的電磁特性，特別是短路電流。
　　6.根據(jù)兩種電機(jī)的反電勢特征，推導(dǎo)了BLDC與BLAC運(yùn)行狀態(tài)下的容錯(cuò)控制策略，給出BLDC電機(jī)的等效轉(zhuǎn)矩BLAC容錯(cuò)控制。在滯環(huán)PWM實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)1種不對