哈爾濱工業(yè)大學(xué)-新能源汽車用新型電機(jī)系統(tǒng)的研究

主要內(nèi)容復(fù)部吉構(gòu)電機(jī)多相永磁容錯電機(jī)自由活塞直線發(fā)電機(jī)少稀土/無稀土永磁電機(jī)414155/電機(jī)優(yōu)化設(shè)計平臺1CH復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)＞取代Priu沖行星齒輪、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的混合動力方案＞提供純電氣的動力分酹口無級變速傳動方案2CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)有刷式復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究現(xiàn)狀:!1!象限能量轉(zhuǎn)換器(4QT)復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)(CS-PMSM)QX/電氣變速器(EVT)雙鷲蚤膘路U嘴合A!1!開關(guān)磁阻式四端口機(jī)電能量變換器雙機(jī)械端口電機(jī)(DMP)3CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)項目組工作:有刷式復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)4CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)無另無刷饋電爪極復(fù)合電機(jī)無刷式復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究現(xiàn)狀:磁場調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)電磁耦合無級變速)傳切器■爪極無刷雙機(jī)瞬口電機(jī)5CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)項目組工作:爪極無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)橫向磁通無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)61.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)項目組工作:*1徑向/徑向式徑向，軸向式徑向，軸徑向式場調(diào)制型復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)7II軸向/軸向式■1HF1nini軸向/徑向式inin軸向融徑向式CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子永磁轉(zhuǎn)于定子定心I

導(dǎo)呻人/火帽休水fcw「幟心。咽0定f-1調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)亍?1水4￡Hf調(diào)制環(huán)料r-2定f-2徑向磁場調(diào)制式無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)叫環(huán)轉(zhuǎn)f闞制環(huán)珀i調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)了iRMFM-BDRM)水""牛\i/心亠內(nèi)tic軸向磁場調(diào)制式無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)^AMFM-BDRM)8＞重點硏究了四種復(fù)合結(jié)構(gòu)無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)方案，解決了早期方案中存在的內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組嚴(yán)重發(fā)熱、電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)可靠性差、旋轉(zhuǎn)繞組動平衡難以保證等瓶頸問題。JCH復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)橫向磁通式無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(TF?BDRM)((Jt會fA構(gòu)祺向艇迪水娘1句步電機(jī)橫向破迪KMtiHV?Hr?um電機(jī)?了炒岫組岫'慣向炊*WH/女隱休無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(BCDRM)9CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)＞針對車用電機(jī)的性能要求和磁場調(diào)制原理的特殊性，通過對導(dǎo)磁塊和永磁體最佳尺寸配比、極對數(shù)匹配規(guī)律、繞組排布方式等關(guān)鍵參數(shù)匹配規(guī)律的研究，形成了MFM-BDRM高功率密度和低轉(zhuǎn)矩波動的設(shè)計方法。磁場調(diào)制原理混合動力系統(tǒng)以發(fā)動機(jī)的工作特性為岀發(fā)點滿足車輛運行性能的前提下使發(fā)動機(jī)始終工作在最佳燃油曲線上＞額定參數(shù)設(shè)計原則＞特征參數(shù)設(shè)計原則＞如何提高基波磁場幅值＞降低諧波磁場影響＞最大輸出轉(zhuǎn)矩＞較正弦的反電勢波形＞較低的轉(zhuǎn)矩波動專門的電機(jī)設(shè)計方法磁場諧波多t車用電機(jī)的電磁性能要求101.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)0JO2050MOX60TOSO內(nèi)功車因畝flh])0102030?506070SO內(nèi)功率國S(的s')11功率因數(shù)＞從導(dǎo)磁塊和永磁轉(zhuǎn)子極對數(shù)配比、槽形設(shè)計、內(nèi)功率因數(shù)角三個方面入手,解決了MFM-BDRM功率因數(shù)低的特殊電磁問題，目前功率因數(shù)可達(dá)0.81?！緲O對致配比】【槽口影響］【內(nèi)功率因數(shù)角影響】導(dǎo)磁塊數(shù)和永磁體極對數(shù)配比的影響31951K9J71^21172i?l29*25仔後塊W水模體核對散各種電抗比例49.5%4瞧N.4%C°主電抗諧波潺抗槽漏抗端部漏抗槽口對功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響F50M蛇3。峯電紡占胃步電抗比例-■-g卩￡-?-UUftJVi10

E9

IQHUI室度Gua)Mzx王2?A3isCH復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)短和功率因數(shù)對比效率對比傳統(tǒng)方案提出方案【永碣:體排布方式對電Mt性能影響】【纟有構(gòu)和材料對調(diào)制J環(huán)轉(zhuǎn)子機(jī)標(biāo)I強(qiáng)度和效率的影響］導(dǎo)豪塊+非導(dǎo)磁金局端環(huán)導(dǎo)磁塊+環(huán)氧樹脂支架導(dǎo)磁塊+氧化飴支架12＞從永磁體排布方式、調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選取三個方面入手，解決了MFM.BDRM的諧波損耗大和調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度低的問題。CH1.復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)1011J.4JI定了41汩9觸。電魂之比鐵心損耗影響繞組損耗影響電流與水冷參數(shù)匹52規(guī)律【混合動力工況溫升】＞針對MFM-BDRM雙氣隙結(jié)構(gòu)散熱復(fù)雜的特點，提出了MFM-BDRM定子水冷和軸向風(fēng)冷的冷卻系統(tǒng)，并給出了不同工況負(fù)載和冷卻參數(shù)的匹配規(guī)律，為雙氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)的安全可靠運行提供了保障?！疢M2源終1013CH復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)【磁場調(diào)制式無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)與實驗測試平臺】[MFM-BDRMJ永磴?5*調(diào)制環(huán)疽g[BCDRM][TF-BDRMJ永沔子+橫向磁通場轉(zhuǎn)子【AMFM-BDRM】轉(zhuǎn)迫整速收更動物14/【實驗測試平臺】CH復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)水泠momZ汚90100調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為lOOOrVmm眺讓議體肝工2：050*為&)時(nJCmi-iQ-lOOOrnun%□py-SOOrmin20時間心Q—lOOOrnun*Qiy-1500rmin15—一I—............y……f的機(jī)比~?、............./?…牌啊拜轉(zhuǎn)「蒞口的機(jī)械功寧、—?:―從r電通鹼中功*,一…,【破場調(diào)制式無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)實驗測試】【電機(jī)效率測試】【調(diào)速功能工況模擬測試11QRM>-M)3>6(>*O目NW/SSHrrrrtSSJQQ000Joo11flODI項奈電動狀態(tài)發(fā)電狀態(tài)CH2.多相永磁容錯電機(jī)研究背景□傳統(tǒng)三相電機(jī)對自身故障容錯能力很差,限制了其在館I靠性領(lǐng)域的應(yīng)用；□新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的可靠性、容錯性能要求很高，多相容錯電機(jī)系統(tǒng)成為研究重點。扌兆堆）訶期I口研究具備劃f離性能的電機(jī)結(jié)構(gòu)方案；□研究高功率密度、高效率、高容錯性能的系統(tǒng)設(shè)計方案。純電動車輪式^動航空發(fā)動機(jī)發(fā)電系統(tǒng)162.多相永磁容錯電機(jī)＞針對多相電機(jī)容錯結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致的諧波大、影響效率和溫升的問題，提岀了單雙層混合式和不等匝分?jǐn)?shù)槽集中繞組方案，并給出電磁方案的設(shè)計原則和方法，該類繞組形式更易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計，便于故障時維修替換。2）雙層繞組的磁動勢■F伊）0g4JT一.回。）b）引入的2極磁動勢c）不等匝繞組的磁動勢17CH2.多相永磁容錯電機(jī)＞提岀了24槽14極雙三相差105度的少諧波繞組六相電機(jī)方案，將危害最大的伴生諧波5次諧波完全消去，降低了轉(zhuǎn)矩波動，提高了電機(jī)效率。通過調(diào)整繞組空間^布位置和通電方式，可抑制甚至完全抵消危害較大的空間諧波.44---------------------------------------------------------1i少諧波繞組諧波正六相繞組諧波與同等尺寸的12槽14極雙三相差30度方案和12槽14極三相電機(jī)對比：轉(zhuǎn)繾菠影永磁體渦流損耗18CH2.多相永磁容錯電機(jī)0000050.100.1502?時間WC）相鄰三相開路0040080.120.16時間⑶V—相開路00時間8b）相鄰兩相開路不同故障狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩變化情況一相開路故障兩相開路故障三相開路故障轉(zhuǎn)矩（Nm丿轉(zhuǎn)矩波動（％）轉(zhuǎn)矩（Nm丿轉(zhuǎn)矩波動（％）轉(zhuǎn)矩（Nm丿轉(zhuǎn)矩波動（岫）傳統(tǒng)方法91.973.5732.898.02-圓形磁場法96.933970.563.7446.715.65＞針對多相容錯電機(jī)普遍靠犧牲平均轉(zhuǎn)矩來降低轉(zhuǎn)矩波動的問題，提出了不I約束中性點電流的重構(gòu)圓形磁場容錯控制策略，降低轉(zhuǎn)矩波動的同時提高,了平均轉(zhuǎn)矩,并可實現(xiàn)對更多故障模式的容錯控制。，5550節(jié)8目Z反笨CH2.多相永磁容錯電機(jī)D，6061三相開路兩相開路.BDEPBCDtEDfDBF#丨一相開路;lilllli四相開路I《I】從空間電壓矢量角度分析兩相開路四種情況下六相電機(jī)輸出能力＞針對各種開路故障，給出了完整的容錯控制策略和故障狀態(tài)下所能提供的最大平均轉(zhuǎn)矩輸出能力。s9SM冬X二壷.20CH2.多相永磁容錯電機(jī)>020>0405000a）支路1正常部分繞組的電流匕J020J040500OwraffWi位咒RC）支路3的電流弓JO1030403060Wd）短路匝的電流厶21>提岀了考慮導(dǎo)線井繞的短路故障參數(shù)化分析模型，得出了不同短路故障下的電流、銅損等分布規(guī)律，并提出一種基于新型探測線圏的短路故障檢測〔方法,為多相容錯永磁同步電機(jī)的短路故障分析和檢測提供指導(dǎo)8f?40>oloM>此羣親vfiw8R:SJO獰""1>!?W熱CH2.多相永磁容錯電機(jī)A1013TinKiimiNF\-S、PWM＞針對故障狀態(tài)各相電流不對稱的問題，提出了基于五相六橋臂拓?fù)涞南噜徫迨噶縎VPWM方法，解決了非平衡負(fù)載情況下，各相電壓幅值不等、給定不準(zhǔn)的問題。>r彎專孩￥2d22CH2.多相永磁容錯電機(jī)【樣機(jī)及控制器】四相軸向磁場非晶樣機(jī)五相外轉(zhuǎn)子樣機(jī)六相內(nèi)轉(zhuǎn)子樣機(jī)六相外轉(zhuǎn)子電機(jī)23CH2.多相永磁容錯電機(jī)【樣機(jī)及控制器】六相全橋逆變器24CH2.多相永磁容錯電機(jī)檢矩我速儀行星齒輪減速器【實驗臺架及部分S則試纟吉果】抑容嚴(yán)電機(jī)J5110.501OO15O2OO25O3OO350400450500衿速(Imin)lo^MOB0930[09*■’091009000590.ossoI0S7OOS60.o.wo.o.m■owo人知sfllc相s0JO0000.05010015020ng一相開路故障下的轉(zhuǎn)矩波形）0020（H00600SOK?<W?a）電流信專矩銅損比■半）一相開路故障下的容錯控制電流波形0.000020040時間（引b）電流（轉(zhuǎn)矩銅損比-全）501iN)05ooa90s5so11la?Jo0510sffi矽o5w253.自由活塞直線發(fā)電機(jī)研究背景口由自由活塞發(fā)動機(jī)和直線發(fā)電機(jī)組成的自由活塞能量轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效率的優(yōu)勢，在新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力；□直線發(fā)電機(jī)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。3.自由活塞直線發(fā)電機(jī)＞針對橫向磁通電機(jī)縱向漏磁大的問題，提出并硏究了一種錯齒型橫向磁通圓筒型直線電機(jī)，漏磁系數(shù)可以降低40%。27CH3.自由活塞直線發(fā)電機(jī)時冋（8變速下的一相空載反電勢時間（B計算空載反電勢與實測空載反電勢又寸比圏024081012UId1320時間g勻速下仿真計算的空載反電勢函數(shù)預(yù)測法dr「WW

么d—《------?——---didxdrdx-、％＞針對該電機(jī)三維磁路結(jié)構(gòu)計算量大的問題，提出了用勻速計算數(shù)據(jù)推演各種變速計算數(shù)據(jù)的方法，速度快，精度高。CH3.自由活塞直線發(fā)電機(jī)型J我心軸向心心5削減齒頂厚度后的電機(jī)效率和推力密度變化情況!削減齒頂寛度后的電機(jī)效率和推力密度變化情況I削減齒頂厚度削減齒頂寬度推力1612N8492%25V0.732.44X105N/m5推力163亦>削減以頂厚度方案功率因84.36%數(shù)更高；26\?>削減齒頂厚度方案在實際加工過程工藝ft更好.0662.45XL05N/m5效率效率反電勢基波幅值功率因數(shù)推力密度反電勢基波幅值功率因數(shù)推力密度>通過削減齒頂厚度或削減齒頂寬度的方法對電機(jī)的效率和推力密度進(jìn)行了優(yōu)化。CH3.自由活塞直線發(fā)電機(jī)11522533551%66%71%煜5160【將灑卒和空氣流速對電機(jī)最髙溫度的影響】155＞針對錯齒型橫向磁通圓筒型直線電機(jī)高溫、高速、有限安裝空間的工作條件，研究了槽滿率、空氣流速、電流過載倍數(shù)等敏感性因素對電機(jī)冷卻效果的影響規(guī)律，為該類電機(jī)在極端條件下的安全運行提供了保障。545352515049111111O35,?2J—41OJOOOOOOOOOO98-/654321sooooooo302520151058買3.自由活塞直線發(fā)電機(jī)31CH3.自由活塞直線發(fā)電機(jī)電動實驗時冋⑶位移與推力波形1000800?>04002000-200-400-600?80000001002005004003徑向充磁下仿竇為測量值對比定位力測試與計算結(jié)果對比【電機(jī)測試實驗】空載實驗定位力測試定位力測試平臺發(fā)電實驗咨4樓芻白皂40302020-10-20-30丄電動*臺105O51090807060504030202言示波記錄儀拉力傳感器樣機(jī)CH4.少稀土/無稀土永磁電機(jī)□問題1:永磁體存在局部退磁問題研究背景解決方案>>>>少稀土/無稀土電機(jī)：組合磁極式永磁同步電機(jī)：同時使用釵鐵硼與鐵氧體兩種特性互補的永磁材料。多層內(nèi)置式電機(jī)：永磁體采用內(nèi)置弐多層結(jié)構(gòu)，為每層永磁體設(shè)置磁障，可節(jié)省永磁體用量。可調(diào)磁通電機(jī)：可以通過施加充、去磁電流改變永磁體磁狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)氣隙磁通的永磁電機(jī)，具有寬調(diào)速范圍。新型銃鐵硼永磁體電機(jī)：采用價格低于紋鐵硼，性能優(yōu)于鋁鎮(zhèn)鉆的銃鐵硼材料。4.少稀土/無稀土永磁電機(jī)＞提岀了多種組合磁極式永磁電機(jī)方案，研究了組合磁極電機(jī)正弦氣隙磁場的產(chǎn)生機(jī)理，解決了傳統(tǒng)永磁電機(jī)中諧波損耗大的問題?！踅M合磁極式永磁同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I□組合磁極改善氣隙磁密正弦度的原理經(jīng)線性疊加可得組合磁極的合成氣隙磁密，形狀為階梯狀。保持永磁體厚度一定，結(jié)合不同永磁材料的剰磁，改變兩種磁極材料配比，可實現(xiàn)氣隙磁場更正弦的目的。。434CH4.少稀土/無稀土永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩解析分析磁極及磁橋優(yōu)化性能對比電機(jī)性蜂數(shù)組臺曲》電機(jī)俱/CfeW電機(jī)淺反電動繪呈波帕值(V)73137738顯氣障施建波嚇百(T)0.75083淺氣舶磁由THD(%)2382%2509%1943rpm?W^M(Nw)0.491.97平均電瘁走(Nm)369.88369.78傳走瀚1(%)4.747.78淺反電動繪呈波帕值(V)26259278.567000rpm平均96879610稚土甌SfmN)106584911721903,＞研究了組合磁極永磁電機(jī)中的磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩的最佳匹配規(guī)律，提岀了組合磁極電機(jī)的綜合設(shè)計和優(yōu)化方法。I考慮交叉耦合丿=---------郵長度「至高尊礦]!遺傳算法廣就渓素”]!響應(yīng)面法IUttttV2—僅'm-NrHWJWWCH4.少稀土/無稀土永磁電機(jī)＞研究了組合磁極電機(jī)在不同工況負(fù)載下的退磁規(guī)律，提岀了提高傳統(tǒng)永磁電機(jī)高溫抗退磁能力的解決方案。組合磁極方案高溫抗退磁能力分析、極''■■H

0820.073。500400M300200100/0-100-200-300-400-500Id(A)F點(傳統(tǒng)磁極150。0500400扌300&200100°0-100-200-300-400-5OC■(A)F點(組合磁極150°C)＞組合磁極中鐵氧體的加入有助于提升電機(jī)在高溫下的抗局部退磁能力。＞組合磁極和傳統(tǒng)磁極的退磁風(fēng)險都達(dá)到最大時，組合磁極的退磁區(qū)域小于傳統(tǒng)磁極。M

0950021901750.1310M75b0D4370.00退磁對磁極參數(shù)的約束分界線方程Length

=-0.2254lxTheta+

50.4918Length+0.22541xTheta

-50.4918>0CH4.少稀土/無稀土永磁電機(jī)＞提岀了多層內(nèi)置式電機(jī)的空載次g軸磁路模型，優(yōu)化了永磁體和磁障尺寸，校核了轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度。多層內(nèi)置式電機(jī)的空載磁路模型最大壓力點出現(xiàn)于第三個磁障處，為21