大功率车用开关磁阻电机热-噪耦合机理及抑制方法

The electric motor is a key drive component in the electric vehicle (EV). The switched reluctance motor (SRM) has many advantages, such as compact structure, light weight, high power density, wide speed-tuning range, and low cost, which has made it a priority as the EV drive system. However, its characters of intensive vibration, high noise level, and high temperature hinder its applications in EVs. This research will study: the coupling principle of temperature field and noise field in SRMs, the deterioration of the energy efficiency and the precision of controlling SRM with temperature field and noise filed changing, the heat-noise decoupling and suppressing in SRMs, the methodology of optimizing the SRM structure design, the robust controlling algorithms for dynamic conditions due to multiple current phases and multiple different physical fields, and the improvement of controlling stability and system efficiency, of which the principles and analytical models can provide optimized parameters of SRM structure design and control strategy, and will be applied to electric buses for validation.

本项目通过研究开关磁阻电机温度场与噪声场的耦合关系，揭示电机在温度场和噪声场变化条件下系统能耗效率及控制精度下降的机理。研究开关磁阻电机在温度场和噪声场同时作用下有效阻断温度场与噪声场耦合效应的抑制途径，建立热-噪耦合抑制结构参数优化设计方法，提出动态条件下各相电流控制与多场耦场相结合的稳健控制算法，开发并验证具备热-噪耦合抑制的开关磁阻电机软硬件实验系统，提高开关磁阻电机动态控制精度的稳定性和系统能耗效率。其研究成果将为车用大功率开关磁阻电机的设计提供优化参数，为控制系统提供优化算法模型，结合现有的电动公交汽车产学研项目进行样车试验验证。

开关磁阻电机的优势在于大启动转矩，宽调速范围等优势，在石油挖掘机械，家用电器等领域有着广泛应用。但其劣势在于转矩脉动高，振动噪声大，因此限制了该种电机在其他行业和领域的应用推广。. 本项目研究内容旨在研究开关磁阻电机温度场、电磁场、振动等耦合关系和机理，为电机在温度场、磁场等多因素变化条件下，系统振动烈度上升、控制精度下降等成因与电机故障诊断提供依据。. 本研究的成果主要包括：. （1）提出了一种基于静力学预计算的开关磁阻电机有限元模态仿真方法。经实验验证，该方法与现有方法比较，可计算电机振动模态并有效提升对低频模态的计算准确性。. （2）对开关磁阻电机的多物理场及其耦合效应进行了深入的研究。探究了电机电磁特性和热力学特性影响振动的作用机理。从场的角度揭示了温度变化对于开关磁阻电机电磁场分布，结构场变形的影响。本研究中的结果表明，电磁力是开关磁阻电机振动的主要激励源，但温度的变化会对电机性能造成很大的影响。通过验证实验，证明了仿真计算结果的有效性，为抑制电机振动方法及故障诊断的研究提供理论依据。. （3）设计并搭建了开关磁阻电机调速控制系统的跨平台联合计算模型及其与控制算法的关系。用该模型对开关磁阻电机的调速控制和扭矩控制进行了计算分析，探究了不同的控制策略对电机转矩脉动和振动噪声的影响。结果表明：PID调速控制会造成电机的转矩脉动，而电流滞环控制可以有效抑制脉动的产生。. （4）搭建了开关磁阻电机实验台。分别进行了模态测量实验和磁链特性测量实验，得到了开关磁阻电机的特征模态和磁链特性曲线。验证了本研究计算分析的有效性，并可作为进一步研究的理论分析基础。. 综上所述，本项目研究了开关磁阻电机在温度场、电磁场等多场同时作用下各个因素相互耦合影响的机理，开发了具备温度、电磁、振动等多物理场耦合计算功能的开关磁阻电机软硬件实验及软件计算分析系统，为提高开关磁阻电机动态可靠性、结构设计优化，以及故障诊断与预测提供了依据。