电动汽车高可靠开绕组混合励磁电机驱动系统容错运行关键技术研究

Breaking through the shackles of traditional fault-tolerant motor, considering the motor, inverter, controller and sensors etc. together, a new hybrid excitation motor drive system based on open winding is proposed. The system has features of high efficiency, high power density, high reliability and strong fault tolerance by the open winding structure, dual inverter topology and hybrid excitation design, it is especially suitable for electric vehicles' motor drive. Exploring the motor drive system's topology, mastering the parameter calculation and performance analysis methods, studying the multi-physics coupling simulation technology, based on multi-objective optimization design, the system efficiency and power density are improved. Under the fault state, the motor drive system analysis methods and fault-tolerant control strategy are studied; The magnetic circuit coupled transient model for system-level simulation analysis is built; Constructing an synthesized simulation platform which integrates the motor design, optimization, calculation of electromagnetic parameters and system-level simulation is built. Based on the motor prototype, experimental platform is developed. The failure mechanism of such motor drive system and its performance characteristics are revealed, and the reliability design rules and fault-tolerant mechanisms of this motor drive system are clarified; The basic science issues is refined, and the ways to enhance the general law of the fault-tolerant operating performance of the motor drive system are explored to lay the groundwork for subsequent research and application.

突破传统容错电机的技术束缚，将电机驱动系统中的电机、逆变器、控制器和传感器等统筹考虑，创造性地提出了基于开绕组的混合励磁电机驱动系统。该系统通过开绕组结构、双逆变器拓扑和混合励磁设计，具有高效、高功率密度、高可靠性和强容错特征，尤其适合电动汽车的驱动。主要探索这类电机驱动系统的最佳拓扑结构，掌握其参数计算和性能分析方法，研究多物理场耦合仿真技术，通过多目标优化设计，进一步提高系统效率和功率密度；研究故障状态下电机驱动系统的分析方法和容错控制策略，建立磁场与电路耦合的瞬态仿真模型，进行系统级仿真分析；构建集电机设计、优化、电磁参数计算、系统级仿真为一体的高度集成的综合设计仿真计算平台，制作样机进行系统实验；揭示该类电机驱动系统的故障机理及其表现特征，阐明该类电机驱动系统可靠性设计规律和容错机制；提炼基础科学问题，探索提高电机驱动系统容错运行性能的一般性规律，为后续研究与应用奠定基础。

为满足电动汽车对电机驱动系统高效、高功率密度、高可靠性和强容错的要求，本项目将电机驱动系统中的电机、逆变器、控制器和传感器等统筹考虑，创造性地提出了基于开绕组的混合励磁电机驱动系统。针对驱动系统中电机，提出了一种五相混合励磁容错电机的新结构，从理论和实验层面验证电机原理的正确性和结构的可行性。主要研究内容包括：电机结构及运行机理；电机结构优化；电磁参数及静态特性；故障检测与诊断和容错控制、无位置传感器控制；样机制造及实验测试。.本项目采用理论分析、有限元仿真、场路耦合仿真分析和实验研究等方法，对五相混合励磁容错电机及其控制系统进行研究，取得一些重要结论和成果：1）提出了基于谐波励磁的五相混合励磁容错电机新结构，该电机具有较好的调磁性能和容错性能，无需电刷和滑环，结构简单、可靠性高。2）对基于谐波励磁的五相混合励磁容错电机进行结构优化，提出了一种新型双定子交替极混合励磁电机，省去了谐波励磁绕组，结构紧凑。3）提出了基于零序电流的匝间短路故障诊断方法，实现匝间短路故障以及严重程度的快速诊断。4）以定子铜耗最小为目标，实现电机单相断路和两相断路的容错无扰运行。5）提出了一种基于宽转速强鲁棒性滑模观测器的无位置传感器控制算法，不存在相位延迟的问题，并具有较高的转子位置估算精度以及鲁棒性，包括抗故障扰动能力、抗电机参数变化扰动能力和抗负载变化扰动能力。.本项目提出的开绕组混合励磁电机驱动系统不同于现有的拓扑结构，具有原创性，结构简单、控制灵活、技术先进，非常适用于电动汽车领域。此外，该技术还可以应用到舰船推进、航空航天、军事装备等其它对安全可靠性要求很高的场合，对于国民经济建设和国防安全具有战略性影响。