电动车用高功率密度高效模块化多盘组合式永磁电机系统关键技术研究

In order to satisfy the requirement of high torque output with rated speed and short acceleration time, and to adapt to the complex work conditions such as starting, accelerating, climbing and frequent start-stop, etc., the existing driving system for electric vehicles is usually designed with high power reserve, while the efficiency is low in entire speed range. Therefore, the energy efficiency and endurance mileage of electric vehicles are inferior compared to traditional fuel vehicle. In view of above, the applicant proposed a modularization combined multi-disc permanent magnet motor system for electric vehicles. The efficiency and power density can be greatly improved by adopting novel structures and new technologies, such as combined multi-disc motor unit, fan-ring hybrid switching winding, two-way skewed rotor pole, and multi-unit cooperative control with PWM phase-shifting technique. This project will focus on the electromagnetic structure design rule of the motor, discuss the accurate calculation method of electromagnetic properties and parameters, carry on 3-D electromagnetic field analysis and multi-field coupling analysis, implement transient simulation of motor system, and explore the multi-unit cooperative control and optimal efficiency control strategies. The aim is to construct a theoretical system on the design optimization and operation control of this novel structure motor system, develop an experimental prototype and driving control system and lay a foundation for application.

现有电动车用电机系统为满足基速下大转矩输出，极限加速时间等要求，以及适应车辆起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况，往往设计后备功率较大，全转速范围内工作效率低，导致电动车在能效和续驶里程方面难与燃油汽车相比。鉴于此，本项目提出一种新型模块化多盘组合式车用永磁电机系统，采用多盘式单元组合、扇-环混合式可换接绕组、转子双向斜极、特殊齿槽以及多单元PWM移相协同控制等新结构与技术，大大提升电机系统的功率密度和效率，改善转矩品质，提高电动车运行性能与续驶里程。项目重点研究其电磁与结构设计规律，电磁特性和参数的准确计算方法，三维电磁场数值计算及多物理场耦合分析，电机及控制系统瞬态仿真，多单元协调控制和最优效率控制策略等关键技术。构建这一新型电机系统设计优化与运行控制理论体系，研制工程样机和驱动控制装置，奠定实用基础。

电动车用电机系统为满足基速下大转矩输出，极限加速时间等要求，以及适应车辆起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况，往往设计后备功率较大，全转速范围内工作效率低，导致电动车在能效和续航里程方面难与燃油汽车相比。鉴于此，本项目提出一种新型模块化多盘式车用永磁同步电机系统，电机本体采用多盘式单元组合、扇-环混合式可换接绕组、转子双向斜极、特殊齿槽等技术，大大提升电机系统的功率密度和效率，改善转矩品质，提高电动车运行性能与续航里程。项目重点研究多盘式电机电磁与结构设计规律，电磁特性和参数的准确计算方法，三维电磁场数值计算及多物理场祸合分析，电机及控制系统瞬态仿真，多单元协调控制和最优效率控制策略等关键技术，并针对电机齿槽转矩进行了齿槽转矩分析与抑制专题研究，分析齿槽转矩对电机运行性能的影响，研究通过定子辅助齿槽设计、转子斜极角度优化以及多单元电机电磁和结构匹配抑制齿槽转矩的方法。控制策略上提出了基于机电系统全局参数性能匹配的硬件系统设计方法，采用双逆变器拓扑结构，分析了双逆变器系统数学模型、电压矢量解耦调制和钳位调制，进行了以数字化实现为目的的时序设计和优化处理。对多盘组合式电机绕组换接多了专题研究，分析了换接时刻对电流和转矩瞬时冲击，提出了抑制电流冲击的控制算法。提出基于小信号扰动模型的频率补偿方法，实现永磁电机的稳定开环标量控制，并基于磁编码器研究了带频率补偿的V/F控制方法。研究了永磁电机矢量解耦控制、闭环调节器设计、退饱和设计等算法开发和程序优化。针对电流环控制中对参数的依赖，研究了电机定子的参数识别方法和转子补偿脚检测。针对电动汽车复杂工况与高可靠要求，开发了高精度高冗余磁电式编码器。针对磁电信号发生部分，研究了对称差分结构和霍尔元件内嵌式结构；针对磁电信号处理部分，提出了重构映射查表和双同步坐标变换轴角数字转换方法，解决解算结果的恒值和跳变问题，实现了缺相情况下的位置解算，编码器具有最高40kHz的采样频率，13.5位的位置分辨率。基于项目的研究，构建了新型电机系统，研制工程样机和驱动控制装置，奠定实用基础。

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