电动汽车用六相容错分数槽集中绕组永磁电机及控制研究

摘要

多相容错永磁同步电机及其驱动控制技术是提高纯电动汽车驱动系统可靠性的关键技术。采用分数槽集中绕组（FSCW）的永磁同步电机具有端部绕组不重叠、绕组电感大、各相耦合小的特点，其绕组故障概率小、危害低、易于隔离，是容错电机的理想选择。
　　容错电机系统的实现是本体设计、驱动控制、故障分析和容错控制的紧密结合，追求更优良的隔离性能、探索成本与容错性能的折衷、研究补偿方法更多的可行性、分析电机的极端故障是目前研究的热点。本文以六相容错分数槽集中绕组永磁同步电机为研究对象，对多相分数槽集中绕组永磁同步电机的本体结构、驱动拓扑、绕组故障及补偿机制进行了深入研究，本文工作主要包括以下几个部分：
　　本体设计上，针对多相分数槽集中绕组永磁同步电机，推导全面考虑相数、相带角、绕组磁动势谐波和绕组层数等因素的谐波漏电感计算方法，研究采用不同极槽配合对于绕组谐波漏电感的影响。在此基础上，研究高容错性能的电机本体结构设计方案。选取三种典型的分数槽集中绕组永磁同步电机，研究定子绕组磁路的独立性和相间互感与磁路饱和程度的关系。研究表明，采用每相相邻两绕组的本体设计方案可以提高容错电机的磁隔离性能、抑制磁动势谐波成分并有利于定子模块化设计。
　　驱动控制上，为了解决全桥逆变器开关数量过多的问题，基于绕组分组和隔离开关的思想提出六相七桥臂、八桥臂、九桥臂逆变器拓扑，并从器件数量、预估成本、绕组与功率器件故障下的容错性能、控制的复杂程度等多方面将所研究的拓扑与半桥、全桥以及冗余桥臂拓扑加以比较，为多相容错逆变器降低成本，并最大程度地保留其容错性能提供设计上的指引。结果表明，六相八桥臂拓扑综合性能较好。在此基础上，对六相八桥臂拓扑的空间矢量脉宽调制技术进行研究，并设计可重构拓扑的六相全桥逆变器。
　　容错控制上，对容错控制时考虑的三种潜在因素进行了分析，提出四种绕组开路故障的补偿方法，给出推导方法并进行比较。铜损最小化条件、电流和为零条件、电流激励波形条件在补偿方法的推导中相互制约，需要折衷考虑。比较对称与不对称六相电机在容错控制策略下性能的差异，揭示了绕组排布方式对电机容错能力的影响。针对绕组端部短路故障，采用解析与仿真结合的方式研究反电势三次谐波引起的短路电流三次谐波，提出考虑三次谐波的绕组端部短路容错控制方法。研究结果充分证明了三次谐波成分对于精确解析短路电流和准确控制端部短路故障的重要性。
　　针对绕组匝间短路，提出一种等效电路模型，采用磁路法对绕组电感参数进行解析计算。在等效模型和参数计算的基础上，讨论匝间短路故障下，影响短路电流大小的五个主要因素，即短路匝位置、短路匝数、电机转速、每槽导体数和绕组电阻，揭示短路电流的变化规律和电磁设计对电机匝间短路故障的影响。利用匝间短路电路模型，进一步对基于高频输入阻抗的匝间短路检测方法进行研究。另外，对短路剩余匝绕组和主动控制剩余匝绕组电流两种匝间短路故障的抑制方法进行研究。结果表明，等效电路与磁路计算结合的方法可有效地对匝间短路故障进行分析和检测。
　　实验研究上，研制六相分数槽集中绕组永磁同步电机样机以及可重构拓扑的六相全桥逆变器，并针对所研究的电机绕组开路、绕组端部短路、绕组匝间短路故障及容错控制策略进行相应的实验验证，验证解析与仿真结果的正确性与可行性。实验证明，所研究的样机对上述三种绕组故障均有较好的容错能力，尤其是其绕组端部短路电流为额定电流的0.9倍，电机最高设计转速下槽口单匝短路电流经短路剩余匝绕组后，可抑制为额定电流的2.3倍。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 电动汽车用电机及容错技术的发展概况

1.3 多相分数槽集中绕组永磁电机及控制的研究概况

1.4 本文的主要研究内容

第2章 分数槽集中绕组电机电感计算及容错方案

2.1 引言

2.2 多相分数槽集中绕组电机谐波漏电感计算

2.3 具有高磁隔离能力的本体方案

2.4 电机磁隔离能力的比较

2.5 本章小结

第3章 减少功率开关数量的六相容错逆变器拓扑

3.1 引言

3.2 六相容错逆变器拓扑

3.3 容错逆变器拓扑的比较

3.4 可重构拓扑六相逆变器的系统架构

3.5 本章小结

第4章 不增加开关器件功率等级的容错控制策略

4.1 引言

4.2 容错控制时考虑的因素及补偿方法

4.3 对称与不对称六相电机容错性能的差异

4.4 绕组端部短路的容错控制方法

4.5 本章小结

第5章 绕组匝间短路故障研究与容错控制方法

5.1 引言

5.2 匝间短路故障分析

5.3 匝间短路的容错控制方法

5.4 本章小结

第6章 电机绕组故障及容错控制策略的实验研究

6.1 引言

6.2 绕组开路故障及容错控制

6.3绕组端部短路故障及容错控制

6.4绕组匝间短路故障及容错控制

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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