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原文传递模块化轮毂电机容错性能与热特性研究

论文题名：	模块化轮毂电机容错性能与热特性研究
关键词：	永磁轮毂电机;容错电机;开路故障;单相短路;匝间短路;温度场建模
摘要：	分布式电驱动系统因其高传动效率和高机动性已成为下一代电动汽车电驱动系统的热门候选。随着分布式驱动电动汽车的发展，人们对轮毂电机系统的要求也越来越高，除了要满足高转矩密度和高效率等高性能指标，还应具备高可靠性高容错性，以适应未来复杂多变的运行工况和行车故障。现有的容错永磁电机在关注电机容错性能的同时很难兼顾轮毂电机的高转矩密度指标，为此本文提出了一种高容错性模块化永磁轮毂电机，在保证轮毂电机高转矩密度的前提下，充分发挥模块化方案的优势，对该类电机设计与优化原则，开路故障和短路故障容错运行下电机的电磁特性，温度场建模以及热特性等方面展开研究，主要研究工作包含以下几个方面：　　首先，针对容错轮毂电机高功率密度高容错性能的技术要求，给出模块化容错轮毂电机的设计原则。根据模块化容错电机的工作机理以及主要故障类型，给出相应的容错控制策略，探究模块化电机高容错性能的极槽配合方案。对模块化容错轮毂电机的磁场特性进行研究，通过磁耦合系数将容错性能与电感参数相关联，并给出该类电机对电感的设计要求。对模块化轮毂电机的转矩性能进行研究，揭示故障及容错运行时影响转矩性能的因素。对比研究不同单元模块和模块数的配合方案，提出16P24S四模块的电磁方案并研制出样机，通过实验验证模块化电机在正常和容错运行时的电磁特性。　　其次，为了准确获得电机故障及容错运行时绕组的温度分布，提出一种基于等面积分块法的模块化轮毂电机温度场建模方法。该模型充分考虑绕组端部对同一线圈分属于两个槽的槽内绕组间的温度影响，以及相邻线圈之间的温度影响。通过计算流体动力学（computationalfluiddynamics,CFD）获得端部绕组的表面散热系数，分析转速对端部绕组表面散热系数的影响，并和经验公式进行对比。在此模型的基础上分别建立开路故障及短路故障的温度场模型，并通过实验对正常工况及开路故障下的温度分布进行验证。　　再次，针对电机开路故障绕组非对称运行时局部高温的问题，分析电机单元模块开路故障时电机的温度分布，揭示故障模块对健康模块绕组温度的影响,给出电机不同单元模块开路故障时过载电流倍数与损耗及温升的关系。对电机单元模块内一相开路后容错运行时绕组的温度分布进行研究，提出避免电机绕组局部高温的容错策略，并和铜耗最小策略、相同电流策略在绕组温度分布方面进行对比，进而对该容错策略在多相开路工况的应用效果进行分析和总结。　　最后，分别建立模块化容错轮毂电机单相短路和匝间短路的解析模型，并通过有限元仿真和实验进行验证。分析短路故障对模块化电机转矩性能的影响；探究短路电流的主要影响因素，给出采用主动容错方法时容错电流的幅值和相位。比较被动容错方法和主动容错方法对模块化永磁电机在降低短路电流、抑制转矩波动、输出平均转矩、改善绕组热特性方面的优劣，给出适合模块化电机的短路故障容错方法。
作者：	唐跃
专业：	电机与电器
导师：	柴凤
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021