定子采用半匝线圈的直冷直驱式电机系统研究

In the new energy vehicle, the main indicators of motor directly affect the performance of vehicle. National 863 office and automobile manufacturer put forward higher requirements on power density of motor. However, we got less space to unearth the potential to improve the power density of traditional motor. This project deals with the motor structure, cooling mode and motor drive mode. It tries to improve the power density and simplify the structure on the premise of keeping the motor system efficiency stability or slightly increasing. . It adopts the single copper tube instead of the number of turns on the coil in motor system structure and cooling the electric conductor directly instead of traditional way which cooling coils outside shell. Using structure integration of motor and motor controller instead of the fission structure of traditonal motor and controller. New structure will bring new problems. This article will focus on the motor operating mechanism and solve the problem of current shock in the process of start-up. It also research on the effect of electric stress and reliability of the power electronic devices under impulse current, and EMC of the system the fluid temperture field and system efficiency under steady-state operation is also involved.. The progress of project can be applied in the new energy automobile drive system. The implementation of project will play a driving role to motor controller integration.

新能源汽车中电机的主要指标直接影响到整车性能，国家863办公室、整车厂对电机的功率密度不断提出更高的要求。然而在传统电机中挖掘潜力提高电机系统功率密度的空间越来越小。本项目拟在电机结构、冷却方式和电机驱动方式上着手，力图在保持电机系统效率基本不变或略有提高的前提下，提高功率密度、简化结构。. 在电机系统结构上采用单根铜管代替多匝线圈，用对通电导体直接冷却的方式代传统水冷电机通过外壳体冷却线圈的方式；采用电机与电机驱动器一体化结构代替传统的电机、控制器分体结构。新结构会带来许多新问题，本项目将着力研究电机启动过程中运行机理，解决启动过程电流冲击问题。研究冲击电流下功率电子器件的电应力和可靠性以及系统的电磁兼容性。研究电机稳态运行中流体温度场和电机系统效率。. 该项目实施取得的进展可以在新能源汽车驱动系统中得到应用。项目实施可以对电机控制器一体化进程起到点滴促进作。

新能源汽车领域，驱动电机的性能是影响整车性能的关键性因素。传统电机本体结构的特点使电机系统功率密度的提升空间越来越小。本项目从电机结构、冷却方式和电机驱动方式着手，在保持电机系统效率不变的前提下，提高功率密度、简化结构。. 项目完成了定子每槽只有半匝线圈的永磁同步电机结构的设计。在电机电磁方案设计方面，保证了电机的电流、电压、反电势等参数满足控制器允许的最大限值；在半匝式定子绕组设计方面，定子绕组线圈采用分布式结构，保证绕组三相平衡，将原方案中圆形铜管结构优化为非对称椭圆形结构，提高定子铁芯槽满率；对电机转矩脉动和齿槽转矩进行优化，并进行电机退磁分析和防退磁设计；完成了对电机发电运行状态下的定子绕组温升特性的分析。. 项目完成了电机控制器的设计。所设计的电机驱动控制系统可以满足如下要求：恒功率输出和高功率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速—高转矩的输出特性；具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响应特性；在转矩/转速特性较宽的范围内具有较高的效率；再生制动时的能量回收效率高。. 在深入研究电机启动过程的运行机理，优化抑制启动过程冲击电流的方法的基础上，引入先进的模型预测控制(MPC)方法，构建包含MTPA 优化、电磁转矩跟踪、系统限流保护等多个优化项的目标函数，实现永磁同步电机的综合最优控制；在驱动器效率优化上，采用空间矢量脉宽调制和死区补偿技术，提高了直流母线电压的利用率，结合软开关技术，减小开关过程中的损耗和噪声。. 项目开发了一套电机数据采集与控制系统，该系统使用CAN总线通信协议并基于LabVIEW操作平台构建，能够实时监测电机运行状态，并实现转速、转矩、电压、电流等控制方式。. 针对电磁负载应用环境复杂，采用传统的控制算法很难满足系统非线性、变参数的要求等问题，设计了一种基于自调整模糊PID控制算法的励磁控制器，该控制算法响应速度快，负载侧电流稳定时间短、电流超调量小。