電動汽車用六相永磁同步容錯電機設計

劉慧博，楊 歡

(內蒙古科技大學，包頭 014010)

0 引 言

汽車產量的快速增長，加速了世界石油資源的消耗，同時，汽車尾氣也給環境造成了一定程度的污染。因此，電動汽車的研究愈加重要。電動機是汽車的核心，它的性能好壞直接決定著汽車的性能。傳統的三相永磁同步電機在運行過程中發生缺相故障后，電機的輸出轉矩大幅下降，轉矩脈動大幅增加，發熱、噪聲和振動增大，嚴重時會燒毀電機，不利于實際運行。電機故障嚴重威脅著整個汽車的安全以及人身安全。所以，研究具有容錯性能的多相電機具有很好的應用前景。

文獻[2]提出容錯電機的定義，分析了故障類型，并研制了一臺六相八極電機，但其氣隙磁密不高，輸出轉矩以及效率低。文獻[3]設計了一臺混合動力汽車用五相永磁電機，提高了電機的電磁轉矩性能，但其有很大的磁耦合，不利于容錯算法控制。國內方面，文獻[4]研究了十五相永磁電機的矢量控制，提出全數字矢量控制法。文獻[5]設計了一種半十二相永磁電機，采用分數槽集中繞組，使電機的電磁轉矩有很大提高。文獻[6-7]研究了六相十極永磁電機，深入分析了極數槽數對電機空載轉矩的影響，并研究了相應的容錯控制策略。當前，在多相永磁電機原理上的研究比較成熟，但其應用在電動汽車上的研究還處于起步階段，對其的電機設計、容錯控制算法及故障檢測等方面還需深入研究。

本文針對六相雙Y移30°繞組永磁同步容錯電機進行研究，根據電動汽車所用電機的性能指標進行電機設計，在Maxwell軟件中建立模型，仿真分析電機空載和負載時的反電動勢、轉矩等基本性能。分析了電機在發生故障后電機轉矩波動的原因，從磁動勢出發，提出降低轉矩波動的容錯控制策略，通過仿真實驗驗證容錯控制策略的可行性。

1 電機設計分析

永磁同步容錯電機需要做到物理隔離、熱隔離、磁隔離、電氣隔離等。需要采用單層集中繞組來實現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，避免各相繞組發生物理接觸，進而產生的熱量不會直接傳遞到相鄰相。選擇窄而深的槽形，可抑制短路電流產生的磁鏈進入其他繞組，避免了磁耦合。

1.1 性能指標

根據電機技術要求和客戶要求，所設計的電機性能指標：額定功率22.5 kW，額定轉速3 900 r/min，額定電壓220 V，額定電流50 A，額定轉矩5.5 N·m，鐵心長度140 mm，定子外徑不超過300 mm，效率大于85%。

1.2 永磁體的選擇

在電機設計時，永磁體材料的選擇至關重要，需要滿足以下幾個要求：機械性好，便于加工；磁性能好，能夠產生相應的磁場強度；價格便宜。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 ℃。

不同結構形式的轉子具有不同的特性，按永磁體安裝方式可分為表面貼裝式、輻條式和嵌入式。表面貼裝式沒有凸極效應，漏感系數小，同時其結構簡單，相對其他結構可減少成本，此外采用表貼式結構的電機輸出功率大于其他結構，反電動勢波形中的總諧波變形也比其他結構的小。因此轉子結構選擇表面貼裝式。

1.3 極數槽數的選擇

電動汽車用電機要兼顧低速和高速的性能，當電機的極數太多時，不利于電機的高速運行；當極數太少時，會使定子軛部變厚，增大了電機的體積，同時，會使永磁體極弧度變大，不利于永磁體安裝，增加了電機的成本。所以要綜合考慮各個因素來確定電機極數。定子槽數的確定需要考慮諧波、損耗等，合理的槽數可以降低齒槽轉矩幅值，減小振動、噪聲。極數槽數選擇時需要滿足以下條件：對于六相雙Y移30°電機，其定子槽數選擇必須為12的整數倍；采用集中式繞組結構，其節距為1。滿足以上條件的極槽數，仿真分析其氣隙磁場，最終選擇電機的極槽數為10/24。

1.4 電機主要尺寸設計

電機主要尺寸與電機轉速、功率和電磁負荷等有一定的內在關系，如下式：

1.5 繞組設計

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°的電角度和機械角度。和傳統三相電機繞組結構相比，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、降低諧波損耗等優勢。

圖1 雙Y移30°

1.6 電機參數

綜合考慮以上因素，可以得到電機主要參數如表1所示。

表1 電機參數

1.7 驅動電路設計

驅動電路采用6個H橋式逆變電路，6個H橋相互獨立，每個H橋連接一相繞組，當逆變電路或繞組出現短路、斷路等故障時，由于沒有中性點連接，可以直接斷開母線上的開關，從而不會影響其他相繞組。驅動電路如圖2所示。

圖2 單相H橋電路

2 仿真分析

Ansoft軟件中有兩個設計仿真所用的工具，分別為Maxwell和RMxprt[9-12]。這里采用Maxwell模塊進行電機模型建立，建立的模型如圖3所示。電機模型中各個部分都添加相應的材料，然后每相繞組加上對應的電流激勵。A,B,C三相之間互差120°，D,E,F與A,B,C相差30°。

圖3 電機模型

2.1 空載反電動勢分析

永磁同步電機中，空載反電動勢是由永磁體產生的氣隙磁密的基波主磁通切割繞組產生的。它的大小影響著電機的動態性能和穩態性能，將其設計好，可以降低定子的電樞電流，進而降低電機溫升，提高電機的效率。加入定子斜槽，可以降低諧波含量，從而使反電動勢波形更接近正弦波。電機空載運行時，將各相電流輸入設置為零，可以得到相應的空載反電動勢，A相反電動勢波形如圖4所示。

圖4 A相空載反電動勢波形

2.2 氣隙磁密分析

通過Maxwell有限元分析，可得到空載時氣隙徑向磁密，如圖5所示，以及加上電流激勵時氣隙徑向磁密，如圖6所示。由于定子開槽，所以會有尖峰，尖峰越大，說明定子槽口越寬。通過對比可知，負載時氣隙徑向磁密受交軸電樞反應影響，一些氣隙磁密加強，一些氣隙磁密減弱?？傊?，負載時氣隙徑向磁密和空載時一樣。

圖5 電機空載氣隙徑向磁密

圖6 電機負載氣隙徑向磁密

2.3 轉矩分析

在永磁電機定子繞組不輸入電流時，永磁體與電樞齒之間相互作用會產生齒槽轉矩，它會使電機產生噪聲和振動，使電機運行不平穩，影響電機性能。當采用定子斜槽后，電機的空載齒槽轉矩峰值僅為0.7 N·m，如圖7所示。

圖7 空載齒槽轉矩

3 缺相容錯分析

3.1 容錯策略

電機在運行過程中，電機本體及驅動電路中的電子器件都有可能發生故障，通過故障檢測以及故障隔離，可以把故障轉化為缺相故障。電機正常運行時，各相繞組通以正弦電流，分別如下：

(1)

當D相缺相時，D相的電流為零，如果其他相電流不變的話，氣隙中產生的磁場將變成橢圓形，轉矩波動會明顯增大，電機無法正常運轉。為了保證電機運行的連續性，需要調整剩余相電流，使氣隙中仍產生圓形旋轉磁場。將六相繞組看成兩套對稱三相繞組，A,B,C三相無故障的相電流保持不變，改變E，F兩相電流的相位。重新施加電流：

(2)

式(2)中的α,β是E,F相電流需要調整的角度。發生缺相前后，D,E,F三相產生的轉矩分別如下：

應使T=T′。正常情況下D，E，F三相產生的基波磁動勢：

發生故障后，產生的基波磁動勢：

由故障前后基波磁動勢應相等，解得:

則D,E,F電流重構：

同理，當ABC繞組和DEF繞組中各有一相發生故障時，以A相和D相發生缺相為例進行說明，A,B,C,D,E,F相電流重構:

對于雙Y移30°的六相電機來說，其在運行過程中發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)。在實際運行中出現缺一相故障的概率為 10.85%，兩相同時發生故障且故障相為相鄰兩相差120°的概率為0.22%，同時出現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

電機在正常工作下、D相缺相以及采用容錯控制時，轉矩波形如圖8～圖10所示。由圖8～圖10可知，電機在輸入額定電流情況下，輸出轉矩比較平穩，轉矩波動很小；當D相發生故障后，轉矩波動增大，平均輸出轉矩有所下降；當采用容錯控制策略后，轉矩波動明顯減小。

圖8 正常工作時轉矩波形

圖9 D相缺相時轉矩波形

圖10 采取容錯控制時轉矩波形

4 結 語

本文根據性能指標要求，設計了一種電動車用六相永磁同步容錯電機，其具有可靠性和容錯性高，轉矩波動小等優點。通過有限元軟件Ansoft Maxwell，仿真分析了所設計電機的空載反電動勢波形、空載齒槽轉矩、負載轉矩等數據波形，驗證了設計的合理性。研究了電機在發生一相繞組缺相故障和兩相繞組缺相時的容錯控制策略，不采用容錯控制策略時轉矩波動增大，電機無法正常工作；當采用容錯控制策略時，轉矩波動明顯降低，并保持了較好的轉矩性能，從而驗證了容錯策略的有效性，大大提高了系統的效率。