雙定子混合勵磁永磁電機及其運行控制研究.pdf

1、為了降低汽車尾氣排放，新能源汽車的研究和開發(fā)已經(jīng)成為各國政府的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一?！笆濉逼陂g汽車工業(yè)發(fā)展重點是低碳綠色制造和產(chǎn)品性能的提升，其中電動汽車是重中之重，驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)是電動汽車的核心技術(shù)之一。雙定子混合勵磁永磁（Dual-stator hybrid-excited permanent magnet,DHPM）電機集合了混合勵磁永磁電機和雙定子電機的諸多優(yōu)點，在電動汽車和農(nóng)業(yè)機械綠色化進程中有著良好的應(yīng)用前景。本文以新型

2、 DHPM電機為研究對象，在分析其基本結(jié)構(gòu)和運行機理的基礎(chǔ)上，從電機設(shè)計、電磁性能分析、控制策略以及數(shù)字控制系統(tǒng)等方面進行重點研究，主要研究工作如下：
　　1．根據(jù)驅(qū)動電機關(guān)注的轉(zhuǎn)矩性能、調(diào)速性能和區(qū)域效率性能等特殊指標，提出一種電動、發(fā)電和饋能一體化DHPM電機。研究徑向磁化轉(zhuǎn)子和切向磁化轉(zhuǎn)子相結(jié)合的電機本體結(jié)構(gòu)。詳細闡述永磁體混合勵磁原理，綜合釹鐵硼永磁材料功率密度高和鋁鎳鈷永磁材料磁場可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢而克服它們的不足，解決普通永

3、磁電機設(shè)計理論中低速大轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速性能難以兼得的問題。分析 DHPM電機的一般運行原理，得到高效運行的轉(zhuǎn)矩分配方法。
　　2．系統(tǒng)研究了DHPM電機參數(shù)設(shè)計方法，包括定轉(zhuǎn)子鐵心和軸長等幾何參數(shù)的確定，推導(dǎo)了基于外形尺寸的電機功率方程。分析電機的磁場性能，詳細分析鋁鎳鈷永磁體在不同去磁程度下的磁場，研究永磁體剩磁密度對電機控制系統(tǒng)重要的直軸和交軸電感參數(shù)的影響，為DHPM電機中永磁體材料用量、功率密度的提高和永磁磁鏈調(diào)節(jié)范圍的確定提

4、供了理論依據(jù)。采用有限元方法優(yōu)化電機參數(shù)，并分析了永磁磁鏈、反電動勢、電感和轉(zhuǎn)矩等各項性能，結(jié)果表明DHPM電機的參數(shù)設(shè)計方法能夠滿足普通永磁電機性能要求，同時具備適合于電機寬調(diào)速范圍和容錯運行的電磁結(jié)構(gòu)。
　　3．針對DHPM電機寬調(diào)速范圍要求，提出了線性化弱磁控制策略。建立雙dq坐標系，構(gòu)建高精度數(shù)學模型。將電機運行區(qū)域劃成恒轉(zhuǎn)矩線性弱磁控制、恒功率轉(zhuǎn)折線性弱磁控制和恒直軸電流線性弱磁控制三個區(qū)域，分別獲得電機在低速和高速運行

5、時的電流解析值，同時得到轉(zhuǎn)折點電機轉(zhuǎn)速，解決現(xiàn)有非線性弱磁控制方法電流調(diào)節(jié)器飽和、電機失控問題。在線性化弱磁控制策略的基礎(chǔ)上，分析永磁磁鏈調(diào)節(jié)范圍，并進一步提出電機磁鏈調(diào)節(jié)方法，得到了各控制區(qū)域轉(zhuǎn)速與永磁磁鏈關(guān)系。最后對提出的線性化弱磁控制策略和調(diào)磁控制策略分別進行仿真，研究電機在不同負載和轉(zhuǎn)速時的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速性能，結(jié)果表明提出的控制策略能夠調(diào)磁調(diào)速，可以獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，并且實現(xiàn)無限速控制。
　　4．根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)安全運行需求

6、，提出繞組匝間短路容錯控制策略。研究系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，針對電機最常出現(xiàn)的定子繞組匝間故障，分別建立了正常運行時和繞組匝間故障時的電機模型，并提出了基于線性化弱磁控制的匝間短路容錯控制策略。分析電流與電壓間的相互關(guān)系，通過工作點的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)被動式容錯控制。對系統(tǒng)故障和提出的容錯控制策略分別進行仿真，結(jié)果表明提出的容錯控制策略能夠通過工作點的調(diào)節(jié)實現(xiàn)容錯運行，提高了系統(tǒng)可靠性。
　　5．為了驗證DHPM電機運行性能，設(shè)計了高性能數(shù)字