電動(dòng)汽車用六相永磁同步容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)

劉慧博，楊 歡

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭 014010)

0 引 言

汽車產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，加速了世界石油資源的消耗，同時(shí)，汽車尾氣也給環(huán)境造成了一定程度的污染。因此，電動(dòng)汽車的研究愈加重要。電動(dòng)機(jī)是汽車的核心，它的性能好壞直接決定著汽車的性能。傳統(tǒng)的三相永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生缺相故障后，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大幅下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大幅增加，發(fā)熱、噪聲和振動(dòng)增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)，不利于實(shí)際運(yùn)行。電機(jī)故障嚴(yán)重威脅著整個(gè)汽車的安全以及人身安全。所以，研究具有容錯(cuò)性能的多相電機(jī)具有很好的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)[2]提出容錯(cuò)電機(jī)的定義，分析了故障類型，并研制了一臺(tái)六相八極電機(jī)，但其氣隙磁密不高，輸出轉(zhuǎn)矩以及效率低。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一臺(tái)混合動(dòng)力汽車用五相永磁電機(jī)，提高了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩性能，但其有很大的磁耦合，不利于容錯(cuò)算法控制。國(guó)內(nèi)方面，文獻(xiàn)[4]研究了十五相永磁電機(jī)的矢量控制，提出全數(shù)字矢量控制法。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種半十二相永磁電機(jī)，采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有很大提高。文獻(xiàn)[6-7]研究了六相十極永磁電機(jī)，深入分析了極數(shù)槽數(shù)對(duì)電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩的影響，并研究了相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略。當(dāng)前，在多相永磁電機(jī)原理上的研究比較成熟，但其應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的研究還處于起步階段，對(duì)其的電機(jī)設(shè)計(jì)、容錯(cuò)控制算法及故障檢測(cè)等方面還需深入研究。

本文針對(duì)六相雙Y移30°繞組永磁同步容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行研究，根據(jù)電動(dòng)汽車所用電機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)，在Maxwell軟件中建立模型，仿真分析電機(jī)空載和負(fù)載時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩等基本性能。分析了電機(jī)在發(fā)生故障后電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因，從磁動(dòng)勢(shì)出發(fā)，提出降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的容錯(cuò)控制策略，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證容錯(cuò)控制策略的可行性。

1 電機(jī)設(shè)計(jì)分析

永磁同步容錯(cuò)電機(jī)需要做到物理隔離、熱隔離、磁隔離、電氣隔離等。需要采用單層集中繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)相與相之間的物理隔離，即每相繞組都采用集中式隔齒繞制，避免各相繞組發(fā)生物理接觸，進(jìn)而產(chǎn)生的熱量不會(huì)直接傳遞到相鄰相。選擇窄而深的槽形，可抑制短路電流產(chǎn)生的磁鏈進(jìn)入其他繞組，避免了磁耦合。

1.1 性能指標(biāo)

根據(jù)電機(jī)技術(shù)要求和客戶要求，所設(shè)計(jì)的電機(jī)性能指標(biāo)：額定功率22.5 kW，額定轉(zhuǎn)速3 900 r/min，額定電壓220 V，額定電流50 A，額定轉(zhuǎn)矩5.5 N·m，鐵心長(zhǎng)度140 mm，定子外徑不超過300 mm，效率大于85%。

1.2 永磁體的選擇

在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，永磁體材料的選擇至關(guān)重要，需要滿足以下幾個(gè)要求：機(jī)械性好，便于加工；磁性能好，能夠產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；價(jià)格便宜。本文選擇釹鐵硼(NdFeB)永磁材料，它具有良好的矯頑力和較高的磁能積。具體牌號(hào)為N35，剩磁Br為1.2 T，矯頑力Hc為890 kA/m，最高工作溫度80 ℃。

不同結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)子具有不同的特性，按永磁體安裝方式可分為表面貼裝式、輻條式和嵌入式。表面貼裝式?jīng)]有凸極效應(yīng)，漏感系數(shù)小，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)其他結(jié)構(gòu)可減少成本，此外采用表貼式結(jié)構(gòu)的電機(jī)輸出功率大于其他結(jié)構(gòu)，反電動(dòng)勢(shì)波形中的總諧波變形也比其他結(jié)構(gòu)的小。因此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇表面貼裝式。

1.3 極數(shù)槽數(shù)的選擇

電動(dòng)汽車用電機(jī)要兼顧低速和高速的性能，當(dāng)電機(jī)的極數(shù)太多時(shí)，不利于電機(jī)的高速運(yùn)行；當(dāng)極數(shù)太少時(shí)，會(huì)使定子軛部變厚，增大了電機(jī)的體積，同時(shí)，會(huì)使永磁體極弧度變大，不利于永磁體安裝，增加了電機(jī)的成本。所以要綜合考慮各個(gè)因素來(lái)確定電機(jī)極數(shù)。定子槽數(shù)的確定需要考慮諧波、損耗等，合理的槽數(shù)可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩幅值，減小振動(dòng)、噪聲。極數(shù)槽數(shù)選擇時(shí)需要滿足以下條件：對(duì)于六相雙Y移30°電機(jī)，其定子槽數(shù)選擇必須為12的整數(shù)倍；采用集中式繞組結(jié)構(gòu)，其節(jié)距為1。滿足以上條件的極槽數(shù)，仿真分析其氣隙磁場(chǎng)，最終選擇電機(jī)的極槽數(shù)為10/24。

1.4 電機(jī)主要尺寸設(shè)計(jì)

電機(jī)主要尺寸與電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和電磁負(fù)荷等有一定的內(nèi)在關(guān)系，如下式：

1.5 繞組設(shè)計(jì)

繞組采用雙Y移30°方式，如圖1所示。ABC是一套繞組，DEF是另一套繞組，兩套繞組互差30°的電角度和機(jī)械角度。和傳統(tǒng)三相電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)相比，六相雙Y移30°繞組具有降低高次諧波、提高繞組材料利用率、降低諧波損耗等優(yōu)勢(shì)。

圖1 雙Y移30°

1.6 電機(jī)參數(shù)

綜合考慮以上因素，可以得到電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

1.7 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用6個(gè)H橋式逆變電路，6個(gè)H橋相互獨(dú)立，每個(gè)H橋連接一相繞組，當(dāng)逆變電路或繞組出現(xiàn)短路、斷路等故障時(shí)，由于沒有中性點(diǎn)連接，可以直接斷開母線上的開關(guān)，從而不會(huì)影響其他相繞組。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 單相H橋電路

2 仿真分析

Ansoft軟件中有兩個(gè)設(shè)計(jì)仿真所用的工具，分別為Maxwell和RMxprt[9-12]。這里采用Maxwell模塊進(jìn)行電機(jī)模型建立，建立的模型如圖3所示。電機(jī)模型中各個(gè)部分都添加相應(yīng)的材料，然后每相繞組加上對(duì)應(yīng)的電流激勵(lì)。A,B,C三相之間互差120°，D,E,F與A,B,C相差30°。

圖3 電機(jī)模型

2.1 空載反電動(dòng)勢(shì)分析

永磁同步電機(jī)中，空載反電動(dòng)勢(shì)是由永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密的基波主磁通切割繞組產(chǎn)生的。它的大小影響著電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，將其設(shè)計(jì)好，可以降低定子的電樞電流，進(jìn)而降低電機(jī)溫升，提高電機(jī)的效率。加入定子斜槽，可以降低諧波含量，從而使反電動(dòng)勢(shì)波形更接近正弦波。電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，將各相電流輸入設(shè)置為零，可以得到相應(yīng)的空載反電動(dòng)勢(shì)，A相反電動(dòng)勢(shì)波形如圖4所示。

圖4 A相空載反電動(dòng)勢(shì)波形

2.2 氣隙磁密分析

通過Maxwell有限元分析，可得到空載時(shí)氣隙徑向磁密，如圖5所示，以及加上電流激勵(lì)時(shí)氣隙徑向磁密，如圖6所示。由于定子開槽，所以會(huì)有尖峰，尖峰越大，說(shuō)明定子槽口越寬。通過對(duì)比可知，負(fù)載時(shí)氣隙徑向磁密受交軸電樞反應(yīng)影響，一些氣隙磁密加強(qiáng)，一些氣隙磁密減弱。總之，負(fù)載時(shí)氣隙徑向磁密和空載時(shí)一樣。

圖5 電機(jī)空載氣隙徑向磁密

圖6 電機(jī)負(fù)載氣隙徑向磁密

2.3 轉(zhuǎn)矩分析

在永磁電機(jī)定子繞組不輸入電流時(shí)，永磁體與電樞齒之間相互作用會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，它會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，影響電機(jī)性能。當(dāng)采用定子斜槽后，電機(jī)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩峰值僅為0.7 N·m，如圖7所示。

圖7 空載齒槽轉(zhuǎn)矩

3 缺相容錯(cuò)分析

3.1 容錯(cuò)策略

電機(jī)在運(yùn)行過程中，電機(jī)本體及驅(qū)動(dòng)電路中的電子器件都有可能發(fā)生故障，通過故障檢測(cè)以及故障隔離，可以把故障轉(zhuǎn)化為缺相故障。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，各相繞組通以正弦電流，分別如下：

(1)

當(dāng)D相缺相時(shí)，D相的電流為零，如果其他相電流不變的話，氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)將變成橢圓形，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)明顯增大，電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保證電機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性，需要調(diào)整剩余相電流，使氣隙中仍產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。將六相繞組看成兩套對(duì)稱三相繞組，A,B,C三相無(wú)故障的相電流保持不變，改變E，F(xiàn)兩相電流的相位。重新施加電流：

(2)

式(2)中的α,β是E,F相電流需要調(diào)整的角度。發(fā)生缺相前后，D,E,F三相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分別如下：

應(yīng)使T=T′。正常情況下D，E，F(xiàn)三相產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)：

發(fā)生故障后，產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)：

由故障前后基波磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)相等，解得:

則D,E,F電流重構(gòu)：

同理，當(dāng)ABC繞組和DEF繞組中各有一相發(fā)生故障時(shí)，以A相和D相發(fā)生缺相為例進(jìn)行說(shuō)明，A,B,C,D,E,F相電流重構(gòu):

對(duì)于雙Y移30°的六相電機(jī)來(lái)說(shuō)，其在運(yùn)行過程中發(fā)生缺一相故障的只有一種類型；缺兩相的故障類型有四種，分別為相鄰兩相差30°(如EB兩相缺失)，相鄰兩相差90°(如BD兩相缺失)，相鄰兩相差120°(如BA兩相缺失)，相鄰兩相差150°(如BF兩相缺失)；缺三相的故障類型有四種，分別為不相鄰三相即互差120°(如ABC三相缺失);相鄰三相(如AFC三相缺失)；相鄰兩相差30°、不相鄰一相(如DFC三相缺失)；相鄰兩相差90°、不相鄰一相(如AFB三相缺失)。在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)缺一相故障的概率為 10.85%，兩相同時(shí)發(fā)生故障且故障相為相鄰兩相差120°的概率為0.22%，同時(shí)出現(xiàn)缺三相及以上的概率為0.0166%。因此研究缺一相及兩套繞組各缺一相的情況是很有必要的。

3.2 仿真分析

電機(jī)在正常工作下、D相缺相以及采用容錯(cuò)控制時(shí)，轉(zhuǎn)矩波形如圖8～圖10所示。由圖8～圖10可知，電機(jī)在輸入額定電流情況下，輸出轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小；當(dāng)D相發(fā)生故障后，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大，平均輸出轉(zhuǎn)矩有所下降；當(dāng)采用容錯(cuò)控制策略后，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小。

圖8 正常工作時(shí)轉(zhuǎn)矩波形

圖9 D相缺相時(shí)轉(zhuǎn)矩波形

圖10 采取容錯(cuò)控制時(shí)轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)車用六相永磁同步容錯(cuò)電機(jī)，其具有可靠性和容錯(cuò)性高，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。通過有限元軟件Ansoft Maxwell，仿真分析了所設(shè)計(jì)電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形、空載齒槽轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)波形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。研究了電機(jī)在發(fā)生一相繞組缺相故障和兩相繞組缺相時(shí)的容錯(cuò)控制策略，不采用容錯(cuò)控制策略時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大，電機(jī)無(wú)法正常工作；當(dāng)采用容錯(cuò)控制策略時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯降低，并保持了較好的轉(zhuǎn)矩性能，從而驗(yàn)證了容錯(cuò)策略的有效性，大大提高了系統(tǒng)的效率。