电动汽车用容错型混合励磁轴向磁通切换永磁电机及其控制系统研究

A novel fault-tolerant hybrid excitation axial field flux-switching permanent magnet machine (FTHEAFFSPMM) is proposed in the project for the application of electric vehicle (EV). The machine is composed of dual stators and single rotor, and it exhibits the advantages of compact and robust structure, high power density and large torque density. Owing to the special design of stator structure, the stator windings in each phase are separated, and therefore the fault tolerance can be improved. In order to increase the output torque and expand the speed operation range, the hybrid excitation is carried out by adding filed windings in the stator. In this project, the theoretical analysis, the numerical calculation, the performance simulation and the experimental research are implemented to investigate the FTHEAFFSPMM and the control system. The research contents include the computation of electromagnetic parameters, the optimal design of magnetic circuit, the calculation of losses and temperature-rise, the simulation of drive system, and the control methods ect.. By conducting the project, the methods of design, analysis and optimization are developed and researched for the FTHEAFFSPMM, the efficiency is optimized on-line by coordinating the control of armature current and DC excitation current, the remedial strategy is investigated when the fault happens, and the testing platform is built to implement the experimental researches under the condition of different operation states and loads. The project would solve these key problems such as the design and optimization of FTHEAFFSPMM, and the control strategies of the drive system. These would lay the foundation for the further research and application of FTHEAFFSPMM. The object is to supply a new method for the development of EV drive system, and therefore this project has theoretical significances and practical values.

本课题提出一种适用于驱动电动汽车的新型轴向磁场电机-容错型混合励磁轴向磁通切换永磁电机。电机采用双定子单转子结构，具有结构紧凑、牢固，功率和转矩密度高的特点。独特的定子结构设计使每相绕组实现相间隔离，提高系统的容错性；定子上放置电励磁绕组实现混合励磁，增加输出转矩，拓宽调速范围。项目采用理论分析、数值计算、性能仿真与实验研究等方法，对所提出电机及其控制系统进行研究。内容包括：电磁参数计算、磁路结构优化、损耗和温升计算、驱动系统仿真、控制算法研究等。通过本项目的研究，探索该电机的设计、分析及优化方法；电机电枢电流与励磁电流的协调控制，实现效率在线优化；驱动系统故障发生后的容错控制策略研究；构建实验测试平台，驱动系统在不同工况和负载条件下试验研究，解决该新型电机设计、优化、驱动系统控制方法等关键问题，为后续研究和应用奠定基础，并为电动汽车驱动系统提供新的发展思路，具有重要的理论意义和应用价值。

电机驱动系统是电动汽车的核心，电机自身的性能将直接影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等。因而研究和开发适用于电动汽车，具有高转矩密度、高效率、宽调速、强可靠性与低成本的新型驱动电机及其控制系统是解决当前困扰电动汽车发展和推广应用的有效途径之一。本项目主要研究一种用于电动汽车的新型容错型混合励磁轴向磁通切换永磁电机（简称 FTHEAFFSPM电机）及其驱动控制系统。首先分析了FTHEAFFSPM电机的结构特点和磁场调节原理，推导了电机的功率尺寸方程，提出了电机的通用设计方法。根据功率方程和混合励磁设计方法，以一台600W三相FTHEAFFSPM电机为设计算例，以获得正弦的反电动势和小的齿槽转矩为目标，优化电机结构参数，分析了电机的静态特性，三维有限元分析结果与理论分析基本一致，验证了理论的正确性和所提出设计方法的可行性，并制作样机两台；然后研究减小FTHEAFFSPM电机齿槽转矩的方法，包括转子齿形状、转子斜极、转子齿面开槽、转子错齿和定子错齿，结果表明优化转子齿形状、转子齿开槽和定子错齿能比其他方法更有效地减小齿槽转矩，相较于转子开槽和定子错齿法，优化转子齿的形状不需要增加加工难度就可大大减小齿槽转矩，更容易实现，且降低了加工成本；接着研究了该电机控制系统的控制策略，分别建立了FTHEAFFSPM电机弱磁控制、单位功率因数控制和最小铜耗控制等电流矢量控制系统联合仿真和实验验证平台，对不同矢量控制策略进行仿真和实验研究，结果表明，电机在最小铜耗的矢量控制下，通过协调控制id、iq和if可提高电机的带载能力、调速范围，降低铜耗提高效率。最后，基于磁动势不变原则，推导了SVPWM容错控制算法，并且结合FTHEAFFSPM电机结构特点，使用励磁绕组作为辅助容错绕组，以铜耗最小为目标，提出了最小铜耗SVPWM容错控制算法。仿真和实验结果表明最小铜耗SVPWM容错控制能有效减小非故障相电流，增加电机故障运行带载能力，降低电机整体铜耗，提高电机运行效率。该课题取得的研究成果为设计FTAFFSPM电机和推广其应用奠定了理论和实践基础。