1 前言

    隨著人類科技水平的日益提高，環(huán)境污染卻越來(lái)越嚴(yán)重，全球變暖，霧霾天氣等一系列的問(wèn)題愈發(fā)引起人們的關(guān)注。同時(shí)，傳統(tǒng)的化石能源（煤，石油等）越用越少，面臨著枯竭的危機(jī)。為了解決以上兩大問(wèn)題，科學(xué)工作者們開始了對(duì)可再生清潔能源的研究，并將其投入到實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，電動(dòng)汽車因此應(yīng)運(yùn)而生。

    傳統(tǒng)汽車通常以汽油為燃料，燃燒產(chǎn)生的廢氣排放到空氣當(dāng)中，既消耗了化石能源，又污染了環(huán)境，是造成當(dāng)今環(huán)境問(wèn)題的魁首之一。近年來(lái)汽車的數(shù)量又與日俱增，使得這矛盾更加突出。而電動(dòng)汽車在純電動(dòng)狀態(tài)下具有零排放，高效，節(jié)能的特點(diǎn)，己成為世界汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

    作為與人類生活密切相關(guān)的現(xiàn)代化交通工具，電動(dòng)汽車的安全可靠性至關(guān)重要。它要求在電機(jī)本身或其驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，汽車不能停止運(yùn)行。這就要求電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)能力。同時(shí)電動(dòng)汽車還要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩輸出，使乘客乘坐時(shí)不會(huì)感到不適。傳統(tǒng)的三相電機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)能力較差，發(fā)生故障后電機(jī)系統(tǒng)性能大大下降，甚至不能工作。與傳統(tǒng)的三相電機(jī)相比，多相電機(jī)具有：可以低壓實(shí)現(xiàn)大功率；具有高可靠性和容錯(cuò)性；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)��；更多的控制資源等優(yōu)點(diǎn)。因此，多相電機(jī)更適合被應(yīng)用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

    目前對(duì)于多相電機(jī)的研究主要針對(duì)感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)展開。與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

    (1)電機(jī)體積較小，重量較輕，能量密度高；

    (2)具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，快速響應(yīng)能力好；

    (3)永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通大小不變且與電樞電流有著固定的相位關(guān)系，因而控制比較簡(jiǎn)單；

    (4)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有較強(qiáng)的魯棒性。

    由于多相電機(jī)和永磁同步電機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，將兩者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的多相永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

    本文研究的是用于電動(dòng)汽車輪驅(qū)的六相外轉(zhuǎn)子永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)。該電機(jī)在能夠輸出平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)還要求具有一定的容錯(cuò)能力，在電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器發(fā)生開路或短路故障時(shí)通過(guò)合理的控制策略，將故障部件隔離開，使輸出轉(zhuǎn)矩盡可能不變。這樣可以保障電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行，防止拋錨事件的發(fā)生，為乘客提供良好的出行環(huán)境。

2 六相永磁容錯(cuò)電機(jī)的理論分析

    2.1 永磁容錯(cuò)電機(jī)的基本設(shè)計(jì)原則

    永磁容錯(cuò)電機(jī)的本體設(shè)計(jì)要求電機(jī)在發(fā)生故障時(shí)，故障相的電機(jī)繞組對(duì)正常相干擾盡可能地小。這就要求永磁容錯(cuò)電機(jī)相與相之間要進(jìn)行物理隔離、熱隔離、磁隔離和電氣隔離。

    2.1.1 物理隔離

    永磁容錯(cuò)電機(jī)的定子繞組采用隔齒繞制方式，即電機(jī)的每個(gè)定子槽中只存在一相繞組的線圈。這樣各個(gè)相的繞組就被隔離開了，未繞線的定子齒除了作為磁通回路以外還起到了相繞組物理隔離的作用，進(jìn)而防止了相間短路故障的發(fā)生。

    2.1.2 熱隔離

    由于永磁容錯(cuò)電機(jī)各相繞組間不存在物理接觸，而每相繞組主要通過(guò)定子表面散熱，使得故障相產(chǎn)生的熱量很難傳遞到相鄰或者其它正常相繞組的線圈邊，從而實(shí)現(xiàn)了繞組間的熱隔離。

    2.1.3 磁隔離

    選用合適的繞組排布方式，重點(diǎn)考慮集中繞組排布，可以極大地降低相間的磁耦合。同時(shí)適當(dāng)增大電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度，減弱電樞反應(yīng)的影響也是一種提升相間磁隔離性能的有效辦法。

    2.1.4 電氣隔離

    傳統(tǒng)的電機(jī)繞組一般采用星型接法，逆變電路采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣各相繞組間存在中性點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)某相的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障時(shí)，故障相的電流或母線電壓就會(huì)通過(guò)中性點(diǎn)耦合到其他正常相，影響正常相的工作。而容錯(cuò)電機(jī)的每相繞組采用H橋單獨(dú)供電，各相繞組沒(méi)有中心點(diǎn)相連。這樣就消除了各相繞組間的電氣耦合。

    2.2 基本電磁方案的確定

    2.2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)形式

    從繞組與逆變器連接方式的角度來(lái)看，不同相繞組間的連接方式包括星型連接和三角型連接。本方案采用每相繞組由獨(dú)立的H橋驅(qū)動(dòng)，各相繞組沒(méi)有中性點(diǎn)連接。這樣當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時(shí)，故障相的電流不會(huì)通過(guò)連接點(diǎn)影響到正常相的工作。從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)相與相之間的電氣隔離。

    從繞組空間排布的角度來(lái)看，六相繞組有正六相和半十二相（不對(duì)稱六相）兩種排布方式。本文采用的是半十二相繞組排布方式。同正六相繞組排布方式相比，半十二相繞組的磁動(dòng)勢(shì)諧波含量?jī)H為正六相的一半。這有利于減小電機(jī)損耗，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。然而半十二相的槽數(shù)選擇余地相對(duì)較小，每相繞組要同時(shí)存在一套正繞組和一套負(fù)繞組。因此半十二相電機(jī)的槽數(shù)只能選取12的整數(shù)倍。對(duì)于隔齒繞制的集中線圈，半十二相電機(jī)的槽數(shù)應(yīng)當(dāng)選擇24的整數(shù)倍。本文中選擇的定子槽數(shù)為48槽。電機(jī)的繞組排布如圖2-1所示。

圖2-1半十二相電機(jī)繞組空間排布

    2.2.2 半十二相繞組排布的磁動(dòng)勢(shì)分析

    首先對(duì)相數(shù)為m的電機(jī)進(jìn)行磁動(dòng)勢(shì)分析。假設(shè)電機(jī)每對(duì)極有m個(gè)均勻的相帶，空間上每個(gè)相帶占2∏/m電角度，每相繞組占據(jù)一個(gè)相帶，則相鄰兩個(gè)相繞組互差2∏/m空間電角度。當(dāng)這m相繞組的電流依次在時(shí)間相位上互差2∏/m電角度時(shí)，以其中一個(gè)相繞組的軸線作為空間零點(diǎn)，通電的相位設(shè)為0，此時(shí)該相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)見(jiàn)公式1。式中：

公式1 磁動(dòng)勢(shì)

    V=1,2,3·····

    F1——一相繞組產(chǎn)生的極對(duì)數(shù)為v的磁動(dòng)勢(shì)；

    Ⅳ——每相串聯(lián)匝數(shù)；

    I——每相電流有效值；

    kNv——第V次諧波每相繞組系數(shù)。

    類似地，我們能夠得到其他m-l相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為：

公式2 m-l相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

     利用積化和差公式，m相磁動(dòng)勢(shì)的合成磁動(dòng)勢(shì)1，次諧波為：

公式3 次諧波

    在上式中，只有在km=v-l或是km=v+l時(shí)，即v=km±1才會(huì)存在F≠0，否則F就可以看成兩組m個(gè)等大均勻輻射狀分布的矢量合成后在某一方向上的投影的疊加，而在v≠km±1這種情況下這些矢量的合成恒為零矢量，故F也恒為零。當(dāng)磁動(dòng)勢(shì)次數(shù)為v=km+1時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組通電的順序相同，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為正轉(zhuǎn)波。當(dāng)磁動(dòng)勢(shì)次數(shù)為v=km-1時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組通電的順序相反，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為反轉(zhuǎn)波。

    半十二相電機(jī)雖然只有六相繞組，但從磁動(dòng)勢(shì)的角度來(lái)看，它與十二相電機(jī)是相似的，只是磁動(dòng)勢(shì)的幅值減半。因此將m= 12代入式中，得到半十二相電機(jī)產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)諧波次數(shù)v=12k土1。其中1，13，25次諧波磁動(dòng)勢(shì)是正轉(zhuǎn)波，11，23次諧波磁動(dòng)勢(shì)為反轉(zhuǎn)波。對(duì)于48槽的半十二相電機(jī)，考慮到槽數(shù)與極數(shù)接近時(shí)繞組因數(shù)最大，此時(shí)能夠獲得較高的轉(zhuǎn)矩密度，特別適合應(yīng)用于需要直接提供轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，因此23對(duì)極和25對(duì)極是比較理想的選擇。本文采用48槽46極的極槽配合方案，電機(jī)具有較大的功率密度。同時(shí)，定子采用分?jǐn)?shù)槽繞組能夠削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，能夠降低繞組的端部長(zhǎng)度，減小電樞繞組的端部損耗。電機(jī)的槽電勢(shì)星形圖及相帶劃分如圖2—2所示。

圖2-2 48槽槽電勢(shì)星形圖及相帶劃分

    2.3 容錯(cuò)方案分析

    2.3.1 繞組開路故障分析

    繞組開路故障是交流電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中十分常見(jiàn)的故障，半十二相電機(jī)發(fā)生繞組開路故障后將無(wú)法形成圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)必然大大增加，同時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)受到影響。若是擔(dān)心發(fā)生開路故障后，故障相會(huì)影響正常相的工作而終止電機(jī)的運(yùn)行，對(duì)于純電動(dòng)汽車而言將會(huì)失去其唯一的動(dòng)力來(lái)源。這在某些情況下會(huì)威脅到司機(jī)和乘客的生命安全，是絕對(duì)不允許發(fā)生的。

    本文設(shè)計(jì)的六相永磁容錯(cuò)電機(jī)遵循容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)相與相之間的物理隔離、熱隔離、磁隔離和電氣隔離，每相繞組由獨(dú)立的H橋驅(qū)動(dòng)，無(wú)中性點(diǎn)連接。發(fā)生繞組開路故障時(shí)，可以通過(guò)控制功率開關(guān)管的關(guān)斷將故障相隔離，不用擔(dān)心故障相會(huì)對(duì)正常相的工作產(chǎn)生影響。同時(shí)可以通過(guò)控制開關(guān)管對(duì)剩余相繞組中電流的幅值和相位進(jìn)行控制，形成新的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，提高電機(jī)發(fā)生故障后的運(yùn)行性能。

    若要維持故障后的電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值不變，勢(shì)必要增加剩余相的電流激勵(lì)，這必然會(huì)提高開關(guān)管的功率等級(jí)，提高電機(jī)的成本。但是故障狀態(tài)屬于非正常狀態(tài)，若是為了保障電機(jī)在故障狀態(tài)下的性能而提高開關(guān)管的功率等級(jí)則在平時(shí)是一種很大的浪費(fèi)。因此在本文中采用的開路容錯(cuò)控制策略采用中的補(bǔ)償策略，在不增加每相電流激勵(lì)的情況下盡可能提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

    (1)-相開路補(bǔ)償策略

    電機(jī)一相繞組開路后，將不能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此時(shí)有兩種磁動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償策略。一種是“5相補(bǔ)償”控制策略，即同時(shí)改變剩余五相繞組電流激勵(lì)的相位，形成新的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。另一種是“3+2相補(bǔ)償”控制策略，即將六相繞組看成兩套對(duì)稱三相繞組，無(wú)故障相的對(duì)稱三相繞組正常工作產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，有故障相的對(duì)稱三相繞組改變剩余兩相電流激勵(lì)的相位，形成新的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。這樣總的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為對(duì)稱三相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)和剩余兩相產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)的疊加，所以稱為“3+2相補(bǔ)償”控制策略。

    以F相繞組開路為例，“5相補(bǔ)償”控制策略和“3+2相補(bǔ)償”控制策略的電流激勵(lì)如公式(2-6)，(2-7)所示。

    (2)兩相開路補(bǔ)償策略

    電機(jī)兩相繞組開路存在四種情況：互差300的相鄰兩相開路、互差900的相鄰兩相開路互差1200的不相鄰兩相開路和互差1500的不相鄰兩相開路。根據(jù)不同情況下的補(bǔ)償激勵(lì)值設(shè)置如下：

    ①互差300的相鄰兩相開路，以EF相開路為例，見(jiàn)公式(2-8)。

    ②互差900的相鄰兩相開路，以AF相開路為例，見(jiàn)公式(2-9)。

    ③互差1200的不相鄰兩相開路，以DF相開路為例，見(jiàn)公式(2-10)。

    ④互差1500的不相鄰兩相開路，以CF相開路為例，見(jiàn)公式(2-11)。

 
    2.3.2 繞組端部短路故障分析

    一相繞組端部短路時(shí)，端電壓為零。此時(shí)的同步電機(jī)電壓方程可以表示為U= Eo+IMRa+jIMX s=0，根據(jù)電壓方程畫出的一相繞組短路時(shí)的相量圖如圖2-3所示。

圖2-3 繞組端部短路時(shí)的相量圖

    由相量圖可以得知，電樞電流由具有去磁作用的直軸電流和產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的交軸電流合成。一般情況下，同步電抗X。遠(yuǎn)大于電樞電阻R，若忽略電樞電阻，則因短路產(chǎn)生的短路電流磁鏈將完全抵消繞組中的永磁磁鏈。不忽略電樞電阻時(shí)，短路電流中含有產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的交軸電流成分，因此一相短路故障時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩將低于一相開路故障時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

    分析相量圖還可以知道，發(fā)生一相短路故障后，短路電流的穩(wěn)態(tài)值可由公式(2-12)得到。

    顯然同步電抗在很大成分上決定了短路電流的大小，同步電抗越大，短路電流越小。而同步電抗的主要成分是漏抗，通過(guò)電機(jī)優(yōu)化，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變電機(jī)的槽漏抗，可以有效地抑制短路電流。

3 六相永磁容錯(cuò)電機(jī)的有限元分析

    這里采用ANSYS下的Maxwell模塊對(duì)六相永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行仿真。

    3.1 Maxwell 2D模型的建立

    利用ANSYS Maxwell建立的電機(jī)2D仿真模型如圖3-1所示：

圖3-1 六相永磁電機(jī)的仿真模型

    電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3-1所示。

表3-1 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

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