哈尔滨工业大学-新能源汽车用新型电机系统的研究

主要内容复部吉构电机多相永磁容错电机自由活塞直线发电机少稀土/无稀土永磁电机414155/电机优化设计平台1CH复合结构电机＞取代Priu沖行星齿轮、发电机和电动机的混合动力方案＞提供纯电气的动力分酹口无级变速传动方案2CH1.复合结构电机有刷式复合结构电机的研究现状:!1!象限能量转换器(4QT)复合结构永磁同步电机(CS-PMSM)QX/电气变速器(EVT)双鷲蚤膘路U嘴合A!1!开关磁阻式四端口机电能量变换器双机械端口电机(DMP)3CH1.复合结构电机项目组工作:有刷式复合结构永磁同步电机4CH1.复合结构电机无另无刷馈电爪极复合电机无刷式复合结构电机的研究现状:磁场调制型无刷复合结构电机电磁耦合无级变速)传切器■爪极无刷双机瞬口电机5CH1.复合结构电机项目组工作:爪极无刷复合结构永磁同步电机横向磁通无刷复合结构永磁同步电机61.复合结构电机项目组工作:*1径向/径向式径向，轴向式径向，轴径向式场调制型复合结构永磁同步电机7II轴向/轴向式■1HF1nini轴向/径向式inin轴向融径向式CH1.复合结构电机调制环转子永磁转于定子定心I

导呻人/火帽休水fcw「帜心。咽0定f-1调制环转亍・1水4£Hf调制环料r-2定f-2径向磁场调制式无刷双转子电机叫环转f阚制环珀i调制环转了iRMFM-BDRM)水""牛\i/心亠内tic轴向磁场调制式无刷双转子电机^AMFM-BDRM)8＞重点硏究了四种复合结构无刷双转子电机方案，解决了早期方案中存在的内转子绕组严重发热、电刷滑环机构可靠性差、旋转绕组动平衡难以保证等瓶颈问题。JCH复合结构电机横向磁通式无刷双转子电机(TF・BDRM)((Jt會fA构祺向艇迪水娘1句步电机横向破迪KMtiHV«Hr»um电机«了炒岫組岫'慣向炊*WH/女隱休无刷爪极双转子电机(BCDRM)9CH1.复合结构电机＞针对车用电机的性能要求和磁场调制原理的特殊性，通过对导磁块和永磁体最佳尺寸配比、极对数匹配规律、绕组排布方式等关键参数匹配规律的研究，形成了MFM-BDRM高功率密度和低转矩波动的设计方法。磁场调制原理混合动力系统以发动机的工作特性为岀发点满足车辆运行性能的前提下使发动机始终工作在最佳燃油曲线上＞额定参数设计原则＞特征参数设计原则＞如何提高基波磁场幅值＞降低谐波磁场影响＞最大输出转矩＞较正弦的反电势波形＞较低的转矩波动专门的电机设计方法磁场谐波多t车用电机的电磁性能要求101.复合结构电机0JO2050MOX60TOSO内功車因畝flh])0102030«506070SO内功率国S(的s')11功率因数＞从导磁块和永磁转子极对数配比、槽形设计、内功率因数角三个方面入手,解决了MFM-BDRM功率因数低的特殊电磁问题，目前功率因数可达0.81。【极对致配比】【槽口影响］【内功率因数角影响】导磁块数和永磁体极对数配比的影响31951K9J71^21172i?l29*25仔後块W水模体核对散各种电抗比例49.5%4瞧N.4%C°主电抗谐波潺抗槽漏抗端部漏抗槽口对功率因数和转矩的影响F50M蛇3。峯电紡占胃步电抗比例-■-g卩£-♦-UUftJVi10

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IQHUI室度Gua)Mzx王2?A3isCH复合结构电机转短和功率因数对比效率对比传统方案提出方案【永碣:体排布方式对电Mt性能影响】【纟有构和材料对调制J环转子机标I强度和效率的影响］导豪块+非导磁金局端环导磁块+环氧树脂支架导磁块+氧化饴支架12＞从永磁体排布方式、调制环转子的机械结构设计和材料选取三个方面入手，解决了MFM.BDRM的谐波损耗大和调制环转子机械强度低的问题。CH1.复合结构电机1011J.4JI定了41汩9觸。电魂之比铁心损耗影响绕组损耗影响电流与水冷参数匹52规律【混合动力工况温升】＞针对MFM-BDRM双气隙结构散热复杂的特点，提出了MFM-BDRM定子水冷和轴向风冷的冷却系统，并给出了不同工况负载和冷却参数的匹配规律，为双气隙结构电机系统的安全可靠运行提供了保障。’MM2源終1013CH复合结构电机【磁场调制式无刷双转子电机样机与实验测试平台】[MFM-BDRMJ永磴•5*调制环疽g[BCDRM][TF-BDRMJ永沔子+横向磁通場转子【AMFM-BDRM】转迫整速收更动物14/【实验测试平台】CH复合结构电机水泠momZ汚90100调制环转子转速为lOOOrVmm眺讓議體肝工2：050*为&)时(nJCmi-iQ-lOOOrnun%□py-SOOrmin20时间心Q—lOOOrnun*Qiy-1500rmin15—一I—............y……f的机比~•、............./•…牌啊拜转「莅口的机械功寧、—•:―從r电通鹼中功*,一…,【破场调制式无刷双转子电机样机实验测试】【电机效率测试】【调速功能工况模拟测试11QRM>-M)3>6(>*O目NW/SSHrrrrtSSJQQ000Joo11flODI项奈电动状态发电状态CH2.多相永磁容错电机研究背景□传统三相电机对自身故障容错能力很差,限制了其在館I靠性领域的应用；□新能源汽车、航空航天等领域对电机的可靠性、容错性能要求很高，多相容错电机系统成为研究重点。扌兆堆）诃期I口研究具备劃f离性能的电机结构方案；□研究高功率密度、高效率、高容错性能的系统设计方案。纯电动车轮式^动航空发动机发电系统162.多相永磁容错电机＞针对多相电机容错结构设计导致的谐波大、影响效率和温升的问题，提岀了单双层混合式和不等匝分数槽集中绕组方案，并给出电磁方案的设计原则和方法，该类绕组形式更易于实现模块化设计，便于故障时维修替换。2）双层绕组的磁动势■F伊）0g4JT一.回。）b）引入的2极磁动势c）不等匝绕组的磁动势17CH2.多相永磁容错电机＞提岀了24槽14极双三相差105度的少谐波绕组六相电机方案，将危害最大的伴生谐波5次谐波完全消去，降低了转矩波动，提高了电机效率。通过调整绕组空间^布位置和通电方式，可抑制甚至完全抵消危害较大的空间谐波.44---------------------------------------------------------1i少谐波绕组谐波正六相绕组谐波与同等尺寸的12槽14极双三相差30度方案和12槽14极三相电机对比：转缱菠影永磁体涡流损耗18CH2.多相永磁容错电机0000050.100.1502®时间WC）相邻三相开路0040080.120.16时间⑶V—相开路00时间8b）相邻两相开路不同故障状态下的转矩变化情况一相开路故障两相开路故障三相开路故障转矩（Nm丿转矩波动（％）转矩（Nm丿转矩波动（％）转矩（Nm丿转矩波动（岫）传统方法91.973.5732.898.02-圆形磁场法96.933970.563.7446.715.65＞针对多相容错电机普遍靠牺牲平均转矩来降低转矩波动的问题，提出了不I约束中性点电流的重构圆形磁场容错控制策略，降低转矩波动的同时提高,了平均转矩,并可实现对更多故障模式的容错控制。，5550节8目Z反笨CH2.多相永磁容错电机D，6061三相开路两相开路.BDEPBCDtEDfDBF#丨一相开路;lilllli四相开路I《I】从空间电压矢量角度分析两相开路四种情况下六相电机输出能力＞针对各种开路故障，给出了完整的容错控制策略和故障状态下所能提供的最大平均转矩输出能力。s9SM冬X二壷.20CH2.多相永磁容错电机>020>0405000a）支路1正常部分绕组的电流匕J020J040500OwraffWi位咒RC）支路3的电流弓JO1030403060Wd）短路匝的电流厶21>提岀了考虑导线井绕的短路故障参数化分析模型，得出了不同短路故障下的电流、铜损等分布规律，并提出一种基于新型探测线圏的短路故障检测〔方法,为多相容错永磁同步电机的短路故障分析和检测提供指导8f?40>oloM>此羣亲vfiw8R:SJO狞""1>!?W热CH2.多相永磁容错电机A1013TinKiimiNF\-S、PWM＞针对故障状态各相电流不对称的问题，提出了基于五相六桥臂拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，解决了非平衡负载情况下，各相电压幅值不等、给定不准的问题。>r彎专孩¥2d22CH2.多相永磁容错电机【样机及控制器】四相轴向磁场非晶样机五相外转子样机六相内转子样机六相外转子电机23CH2.多相永磁容错电机【样机及控制器】六相全桥逆变器24CH2.多相永磁容错电机检矩我速仪行星齿轮减速器【实验台架及部分S则试纟吉果】抑容严电机J5110.501OO15O2OO25O3OO350400450500衿速(Imin)lo^MOB0930[09*■’091009000590.ossoI0S7OOS60.o.wo.o.m■owo人知sfllc相s0JO0000.05010015020ng一相开路故障下的转矩波形）0020（H00600SOK»<W»a）电流信专矩铜损比■半）一相开路故障下的容错控制电流波形0.000020040时间（引b）电流（转矩铜损比-全）501iN)05ooa90s5so11la®Jo0510sffi矽o5w253.自由活塞直线发电机研究背景口由自由活塞发动机和直线发电机组成的自由活塞能量转换器具有结构紧凑、高效率的优势，在新能源汽车、航空航天等领域具有巨大应用潜力；□直线发电机是其中的关键技术。3.自由活塞直线发电机＞针对横向磁通电机纵向漏磁大的问题，提出并硏究了一种错齿型横向磁通圆筒型直线电机，漏磁系数可以降低40%。27CH3.自由活塞直线发电机时冋（8变速下的一相空载反电势时间（B计算空载反电势与实测空载反电势又寸比圏024081012UId1320时间g匀速下仿真计算的空载反电势函数预测法dr「WW

么d—《------・——---didxdrdx-、％＞针对该电机三维磁路结构计算量大的问题，提出了用匀速计算数据推演各种变速计算数据的方法，速度快，精度高。CH3.自由活塞直线发电机型J我心轴向心心5削减齿顶厚度后的电机效率和推力密度变化情况!削减齿顶寛度后的电机效率和推力密度变化情况I削减齿顶厚度削减齿顶宽度推力1612N8492%25V0.732.44X105N/m5推力163亦>削减以顶厚度方案功率因84.36%数更高；26\・>削减齿顶厚度方案在实际加工过程工艺ft更好.0662.45XL05N/m5效率效率反电势基波幅值功率因数推力密度反电势基波幅值功率因数推力密度>通过削减齿顶厚度或削减齿顶宽度的方法对电机的效率和推力密度进行了优化。CH3.自由活塞直线发电机11522533551%66%71%煜5160【将洒卒和空气流速对电机最髙温度的影响】155＞针对错齿型横向磁通圆筒型直线电机高温、高速、有限安装空间的工作条件，研究了槽满率、空气流速、电流过载倍数等敏感性因素对电机冷却效果的影响规律，为该类电机在极端条件下的安全运行提供了保障。545352515049111111O35,•2J—41OJOOOOOOOOOO98-/654321sooooooo302520151058買3.自由活塞直线发电机31CH3.自由活塞直线发电机电动实验时冋⑶位移与推力波形1000800«>04002000-200-400-600•80000001002005004003径向充磁下仿竇為测量值对比定位力测试与计算结果对比【电机测试实验】空载实验定位力测试定位力测试平台发电实验咨4樓芻白皂40302020-10-20-30丄电动*台105O51090807060504030202言示波记录仪拉力传感器样机CH4.少稀土/无稀土永磁电机□问题1:永磁体存在局部退磁问题研究背景解决方案>>>>少稀土/无稀土电机：组合磁极式永磁同步电机：同时使用钗铁硼与铁氧体两种特性互补的永磁材料。多层内置式电机：永磁体采用内置弐多层结构，为每层永磁体设置磁障，可节省永磁体用量。可调磁通电机：可以通过施加充、去磁电流改变永磁体磁状态，从而调节气隙磁通的永磁电机，具有宽调速范围。新型铳铁硼永磁体电机：采用价格低于纹铁硼，性能优于铝镇钻的铳铁硼材料。4.少稀土/无稀土永磁电机＞提岀了多种组合磁极式永磁电机方案，研究了组合磁极电机正弦气隙磁场的产生机理，解决了传统永磁电机中谐波损耗大的问题。□组合磁极式永磁同步电机拓扑结构I□组合磁极改善气隙磁密正弦度的原理经线性叠加可得组合磁极的合成气隙磁密，形状为阶梯状。保持永磁体厚度一定，结合不同永磁材料的剰磁，改变两种磁极材料配比，可实现气隙磁场更正弦的目的。。434CH4.少稀土/无稀土永磁电机电磁转矩解析分析磁极及磁桥优化性能对比电机性蜂数组台曲》电机俱/CfeW电机浅反电动绘呈波帕值(V)73137738显气障施建波嚇百(T)0.75083淺气舶磁由THD(%)2382%2509%1943rpm®W^M(Nw)0.491.97平均电瘁走(Nm)369.88369.78传走瀚1(%)4.747.78淺反电动绘呈波帕值(V)26259278.567000rpm平均96879610稚土甌SfmN)106584911721903,＞研究了组合磁极永磁电机中的磁阻转矩和永磁转矩的最佳匹配规律，提岀了组合磁极电机的综合设计和优化方法。I考虑交叉耦合丿=---------邮长度「至高尊矿]!遗传算法广就渓素”]!响应面法IUttttV2—僅'm-NrHWJWWCH4.少稀土/无稀土永磁电机＞研究了组合磁极电机在不同工况负载下的退磁规律，提岀了提高传统永磁电机高温抗退磁能力的解决方案。组合磁极方案高温抗退磁能力分析、极''■■H

0820.073。500400M300200100/0-100-200-300-400-500Id(A)F点(传统磁极150。0500400扌300&200100°0-100-200-300-400-5OC■(A)F点(组合磁极150°C)＞组合磁极中铁氧体的加入有助于提升电机在高温下的抗局部退磁能力。＞组合磁极和传统磁极的退磁风险都达到最大时，组合磁极的退磁区域小于传统磁极。M

0950021901750.1310M75b0D4370.00退磁对磁极参数的约束分界线方程Length

=-0.2254lxTheta+

50.4918Length+0.22541xTheta

-50.4918>0CH4.少稀土/无稀土永磁电机＞提岀了多层内置式电机的空载次g轴磁路模型，优化了永磁体和磁障尺寸，校核了转子的机械强度。多层内置式电机的空载磁路模型最大压力点出现于第三个磁障处，为21