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永磁容错电机匝间短路故障下的快速温度场分析
| 论文题名： | 永磁容错电机匝间短路故障下的快速温度场分析 |
| 关键词： | 电动汽车;永磁容错电机;匝间短路故障;温度场;热阻网络;计算流体力学法 |
| 摘要： | 随着能源政治化与环境的日益恶化，电动汽车越来越受到各国政府的重视，永磁电机因其高效率和高功率密度已成为电动汽车的首选。为了保障驾驶者的人身安全，国内外学者提出了具有低短路电流和带故障运行的永磁容错电机。虽然该类电机能避免故障的传导，但单层集中绕组仍难以避免匝间短路故障的发生。更为重要的是，相比整相短路，匝间短路故障发生的概率高且短路电流大，会使电机温度急速上升，导致电机部分绕组烧毁，威胁电动汽车的运行安全。为此，本文以一台五相永磁容错（Fault-Tolerant Permanent Magnet,简称FTPM）电机为对象，提出了一种匝间短路电流的解析计算方法，该方法考虑了短路匝之间的互相耦合，可以预测出不同的短路匝数以及不同温度下的匝间短路电流大小。在此基础上，本文提出了一种简化的热阻网络（Lumped Parameter Thermal Network,简称LPTN）模型用以分析匝间短路故障下FTPM电机的瞬态温升，该模型考虑了周向的热传递，变化的铜耗以及不均匀的热源分布。并且建立了FTPM电机的三维模型，用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）法分析了FTPM电机匝间短路故障下的瞬态温度，验证了简化LPTN模型的准确性。最后，通过将简化LPTN法计算结果与CFD法计算结果和样机实验的测试结果相对比，验证了本文所提温度场分析方法的准确性。 本文的具体研究成果包括以下几个方面： 1.分析了FTPM电机额定工况下的铁耗与永磁体涡流损耗。根据匝间短路故障的电路图，提出了匝间短路电流的解析计算方法，该方法考虑了短路匝之间的互相耦合，可以预测出不同的短路匝数以及不同温度下的匝间短路电流大小，实现了将铜耗计算和电磁仿真分离开来。 2.构建了FTPM电机在匝间短路故障下的简化LPTN模型，解决了传统LPTN模型建模成本高的问题，结合先前提出的匝间短路电流的解析计算方法，实现了FTPM电机匝间短路故障下的快速温度场分析。 3.构建了FTPM电机的三维模型，用CFD法分析了FTPM电机匝间短路故障下的瞬态温升，并与简化LPTN法的结果进行对比，验证了简化LPTN法的准确性。 4.加工了FTPM电机样机，构建了相应的实验测试平台进行相关实验，测量了FTPM电机在健康状态下以及匝间短路故障下的瞬态温升，并与简化LPTN法以及CFD法的结果进行对比，验证了简化LPTN法以及CFD法的准确性。 |
| 作者： | 钱鹏亮 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 陈前;徐高红 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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