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原文传递纯电动汽车用五相容错永磁同步电机的关键技术研究

论文题名：	纯电动汽车用五相容错永磁同步电机的关键技术研究
关键词：	电动汽车;永磁同步电机;容错控制;短路电流;温度场
摘要：	随着能源危机和环境污染问题的日益严重，电动汽车引起了越来越多的关注。对于电动汽车这种与人类生活密切相关的现代交通工具来说，其安全性和可靠性至关重要。与混合动力汽车不同，纯电动汽车完全由电机驱动，一旦电机系统发生故障不能工作，纯电动汽车将完全瘫痪以致不能继续运行，因此研究具有高容错能力的电驱动系统是未来电动汽车技术的重要发展方向之一。为了提高电机系统的容错性能，本文研究了具有高可靠性、高容错运行能力的五相容错永磁同步电机，该方案可作为下一代电动汽车的高性能电力驱动执行方案，此外，该技术还可推广到舰船推进、航空航天等其它对可靠性要求很高的场合。本文围绕五相容错永磁同步电机的几个关键技术问题开展研究，主要工作包括以下几个方面：　　首先，对五相容错永磁同步电机的电磁方案和参数计算问题进行了研究。结合电动汽车应用背景及多相容错永磁同步电机基本设计原则，首先提出了基于单层和双层分数槽集中绕组的电磁方案。通过深入分析单层和双层分数槽集中绕组方案，进一步提出一种新型的单双层混合式分数槽集中绕组方案。针对分数槽集中绕组中的1对极次谐波导致永磁体涡流损耗大的问题，提出一种不等匝分数槽集中绕组方案，将分数槽集中绕组中的1对极谐波予以消除。将单层、双层以及单双层混合式分数槽集中绕组进行了对比，给出了该类电机的电磁方案选择原则。针对分数槽集中绕组在槽内左右分层的特点，推导了该类绕组的槽漏抗计算公式；针对分数槽集中绕组谐波比漏磁导系数计算复杂、依赖有限次数累加、计算精度低的问题，推导了分数槽集中绕组谐波比漏磁导系数的精确计算公式，为多相容错永磁同步电机的设计提供了指导。　　其次，对五相容错永磁同步电机的绕组开路故障容错控制策略进行了研究。对五相容错永磁同步电机驱动电路的拓扑结构进行分析，结合电动汽车应用背景，针对电机一至三相绕组的开路故障，提出了不约束中性点电流的重构圆形旋转磁场容错控制策略，同时还提出了五相容错永磁同步电机在全桥驱动形式下基于最大转矩铜损比的容错控制策略。采用有限元方法对这两种容错控制策略进行了分析，并从转矩输出和效率等方面对这两种容错控制策略进行了评价。对五相容错永磁同步电机在开路故障下的容错运行特性进行了研究。　　再次，对五相容错永磁同步电机的短路故障分析与检测方法进行了研究。分析了五相容错永磁同步电机的典型绕组短路故障。为了考虑绕组形状和真实位置分布对短路电流的影响，提出了考虑导线并绕的绕组短路故障分析模型。分析了单根导线上和并绕导线间发生短路故障时，各并绕支路的电流、铜损以及每匝绕组铜损的变化规律。提出了一种基于新型探测线圈的短路故障检测方法，研究了单根导线上以及并绕导线间发生短路故障时的短路故障检测方法。　　第四，对五相容错永磁同步电机的温升及冷却问题进行了研究。建立了五相容错永磁同步电机的二维温度场分析模型。对五相外转子电机的外机壳、气隙等传热壁面的传热系数、定子绕组的等效分析模型及等效导热系数确定方法进行了讨论。分析了水冷以及强制风冷的冷却效力及影响区域，设计了该电机的冷却系统，进而对五相容错永磁同步电机在额定及过载情况下的温度场分布进行分析，同时对电机在故障情况下的温度场分布问题进行了研究。　　最后，研制了五相容错永磁同步电机的样机和控制器，搭建了系统测试平台。测量了电机的空载反电动势、转矩和效率等基本电磁性能，并对电机的磁隔离以及抑制短路电流的能力进行了评估。验证了不约束中性点电流的重构圆形旋转磁场容错控制策略和基于最大转矩铜损比的开路故障容错控制策略。实验结果表明：通过采用本文提出的开路故障容错控制策略，电机可以在多种故障下容错运行。
作者：	隋义
专业：	电机与电器
导师：	郑萍;刘勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文