电动汽车用六相永磁同步容错电机设计

汽车产量的快速增长，加速了世界石油资源的消耗，同时，汽车尾气也给环境造成了一定程度的污染。电动机是汽车的核心，它的性能好坏直接决定着汽车的性能。输出转矩大幅下降，转矩脉动大幅增加，发热、噪声和振动增大，严重时会烧毁电机，不利于实际运行。电机故障严重威胁着整个汽车的安全以及人身安全。所以，研究具有容错性能的多相电机具有很好的应用前景。文献[2]提出容错电机的定义，分析了故障类型，并研制了一台六相八极电机，但其气隙磁密不高，输出转矩以及效率低。文献[3]设计了一台混合动力汽车用五相永磁电机，提高了电机的电磁转矩性能，但其有很大的磁耦合，不利于容错算法控制。国内方面，文献[4]研究了十五相永磁电机的矢量控制，提出全数文献[5]设计了一种半十二相永磁电机，采用分数槽集中绕组，使文献[6－7]研究了六相十极永磁电机，深入分析了极数槽数对电机空载转矩的影响，并研究了相应的容错控制策略。当前，在多相永磁电机原理上的研究比较成熟，但其应用在电动汽车上的研究还处于起步阶段，对其的电机设计、容错控制算法及故障检测等方面还需深入研究。本文针对六相双Y移30°绕组永磁同步容错电机进行研究，根据电动汽车所用电机的性能指标进行电机设计，在Maxwell软件中建立模型，仿真分析电机空载和负载时的反电动势、转矩等基本分析了电机在发生故障后电机转矩波动的原因，从磁动势出发，适用于电动汽车多相永磁同步容错电机，并分析了容错控制策略。根据电机性能指标，进行尺寸、永磁体、绕组等设计;在Maxwell有限元软件中建立仿真模型并进行分析。采用H桥拓扑电路，当电机绕组或逆变器发生短路、断路故障后，通过检测电流变化后直接切断母线上的开关，使所有故障都转换矩减少，采用容错控制策略后，输出转矩略有减少，转矩脉动明显降低，从而验证容错控制策略的可行性以及该电机设计的合理机设计分析永磁同步容错电机需要做到物理隔离、热隔离、磁隔离、电气隔需要采用单层集中绕组来实现相与相之间的物理隔离，即每相绕生的热量不会直接传递到相邻相。选择窄而深的槽形，可抑制短路电流产生的磁链进入其他绕组，1.1性能指标根据电机技术要求和客户要求，所设计的电机性能指标:额定功率22.5kW，额定转速3900r/min，额定电压220V，额定电流300mm，效率大于85%。1.2永磁体的选择在电机设计时，永磁体材料的选择至关重要，需要满足以下几个要求:机械性好，便于加工;磁性能好，能够产生相应的磁场强度;本文选择钕铁硼(NdFeB)永磁材料，它具有良好的矫顽力和较高具体牌号为N35，剩磁Br为1.2T，矫顽力Hc为890kA/m，最高工作温度80℃。不同结构形式的转子具有不同的特性，按永磁体安装方式可分为表面贴装式、辐条式和嵌入式。表面贴装式没有凸极效应，漏感系数小，同时其结构简单，相对其他结构可减少成本，此外采用表贴式结构的电机输出功率大于其他结构，反电动势波形中的总谐波变形也比其他结构的小。为了降低成本，永磁体的磁化方向长度hM需要精细计算，在电减少永磁体的用量[8]。永磁体磁化方向长度hM的初选值可以由下式给出:永磁体的厚度，一般采用经验取值。1.3极数槽数的选择电动汽车用电机要兼顾低速和高速的性能，当电机的极数太多时，不利于电机的高速运行;当极数太少时，会使定子轭部变厚，增大了电机的体积，同时，会使永磁体极弧度变大，不利于永磁体安所以要综合考虑各个因素来确定电机极数。定子槽数的确定需要考虑谐波、损耗等，合理的槽数可以降低齿槽转矩幅值，减小振动、噪声。极数槽数选择时需要满足以下条件:对于六相双Y移30°电机，其定子槽数选择必须为12的整数倍;采用集中式绕组结构，其节距为1。满足以上条件的极槽数，仿真分析其气隙磁场，最终选择电机的极槽数为10/24。1.4电机主要尺寸设计电机主要尺寸与电机转速、功率和电磁负荷等有一定的内在关系，如下式:反电动势最大值，这里Kw为绕组系数，1.5绕组设计绕组采用双Y移30°方式，如图1所示。和传统三相电机绕组结构相比，六相双Y移30°绕组具有降低高次谐波、提高绕组材料利用率、降低谐波损耗等优势。1.6电机参数综合考虑以上因素，可以得到电机主要参数如表1所示。表1电机参数极对数p5定子外径so/mm定子内径Φsi/mm转子外径Φ/转子内径Φri/mm度δ/mm6/mm11.7驱动电路设计H桥连接一相绕组，当逆变电路或绕组出现短路、断路等故障时，由于没有中性点连接，可以直接断开母线上的开关，从而不会影驱动电路如图2所示。2.仿真分析这里采用Maxwell模块进行电机模型建立，建立的模型如图3所电机模型中各个部分都添加相应的材料，然后每相绕组加上对应2.1空载反电动势分析永磁同步电机中，空载反电动势是由永磁体产生的气隙磁密的基产生的。它的大小影响着电机的动态性能和稳态性能，将其设计好，可以电机空载运行时，将各相电流输入设置为零，可以得到相应的空2.2气隙磁密分析通过Maxwell有限元分析，可得到空载时气隙径向磁密，如图5通过对比可知，负载时气隙径向磁密受交轴电枢反应影响，一些气隙磁密加强，一些气隙磁密减弱。总之，负载时气隙径向磁密和空载时一样。2.3转矩分析3.缺相容错分析3.1容错策略电机在运行过程中，电机本体及驱动电路中的电子器件都有可能发生故障，通过故障检测以及故障隔离，可以把故障转化为缺相隙中产生的磁场将变成椭圆形，转矩波动会明显增大，电机无法为了保证电机运行的连续性，需要调整剩余相电流，使气隙中仍重新施加电流:应使T=T'。发生故障后，产生的基波磁动势:由故障前后基波磁动势应相等，解得:同理，当ABC绕组和DEF绕组中各有一相发生故障时，以A相Y故障的只有一种类型;缺两相的故障类型有四种，分别为相邻两相差30°(如EB两相缺失)，相邻两相差90°(如BD两相缺失)，相邻两相差120°(如BA两相缺失)，相邻两相差150°(如BF两相缺失);缺三相的故障类型有四种，分别为不相邻三相即互差120°(如ABC三相缺失);相邻三相(如AFC三相缺失);相邻两相差30°、不相邻一相(如DFC三相缺失);相邻两相差90°、不相邻一相(如AFB三相缺失)。在实际运行中出现缺一相故障的概率为10.85%，两相同时发生故障且故障相为相邻两相差120°的概率为0.22%，同时出现缺三相及以上的概率为0.0166%。因此研究缺一相及两套绕组各缺一相的情况是很有必要的。3.2仿真分析由图8~图10可知，电机在输入额定电流情况下，输出转矩比较平稳，转矩波动很小;当D相发生故障后，转矩波动增大，平均输出转矩有所下降;当采用容错控制策略后，转矩波动明显减小。4.结语本文根据性能指标要求，设计了一种电动车用六相永磁同步容错电机，其具有可靠性和容错性高，转矩波动小等优点。通过有限元软件AnsoftMax_x0002_well，仿真分析了所设计电机的空载反电动势波形、空载齿槽转矩、负载转矩等数据波形，研究了电机在发生一相绕组缺相故障和两相绕组缺相时的容错控制策略，不采用容错控制策略时转矩波动增大，电机无法正常工作;当采用容错控制策略时，转矩波动明显降低，并保持了较好的转 限公司和上海大郡自动化系统工程有限公司访问记[J]．汽车与配件， ic mo_x0002_tordrives[J]．IEEETransactionsonIndustrial [6]郝振洋．六相永磁容错电机及其控制系统的设计和研究[D]．南京: [9]刘慧娟．AnsoftMaxwell13电机电磁场实例分析[M]．北京:国 [