混合励磁定子永磁型电机匝间短路特性的研究

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混合励磁定子永磁型电机(Hybrid-excited Stator Slot Permanent Magnet machine,HSSPM machine)具有转矩密度高、调磁性能好、退磁风险低、适合高速运行的特点,在电动汽车领域具有良好的应用前景。受振动、温度、湿度等随机因素的影响,电机运行过程中可能发生匝间短路故障,并产生较大的短路电流,影响电动汽车驱动系统的可靠性。为了降低短路电流带来的危害,本文以HSSPM电机为研究对象,建立了匝间短路等效电路模型和等效磁路模型,并通过解析法和有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)对其匝间短路特性进行计算,同时设计了三种模块化结构HSSPM电机,以增强其匝间短路电流抑制能力。文章的主要工作内容如下:从电磁关系的角度分析了6/4(定/转子极)HSSPM电机的匝间短路特性,通过建立匝间短路等效电路模型,推导了匝间短路电流的计算公式,并对匝间短路电流的影响因素进行了说明;通过建立匝间短路等效磁路模型,分析了短路匝数和短路位置对匝间短路特性的影响,并对故障相绕组自感和互感、短路绕组反电动势、短路电流进行了解析计算和有限元分析。结果表明,电机发生单匝短路故障时,匝间短路电流最大可达额定电流的2.66倍,其中,短路绕组位于定子槽口时的匝间短路电流比位于定子槽底的匝间短路电流下降了5.18%,即位于槽底的单匝短路故障对电机的危害最大。为了抑制HSSPM电机的匝间短路电流,通过在交替绕组HSSPM电机的定子或转子上引入径向气隙,设计了定子模块化HSSPM电机、转子模块化HSSPM电机和定转子模块化HSSPM电机,同时建立了各电机的匝间短路等效磁路模型,由于引入了径向气隙,采用模块化结构后电机的总气隙磁导下降。对不同匝间短路故障情况下各电机匝间短路电流的计算结果进行对比发现,定子模块化HSSPM电机、转子模块化HSSPM电机和定转子模块化HSSPM电机的匝间短路电流相比与交替绕组HSSPM电机最大分别降低了8.51%、19.06%和24.59%。最后,制作了一台6/4 HSSPM样机,并搭建了反电动势和电感测试平台,通过实验验证了HSSPM电机匝间短路等效磁路模型的有效性,同时验证了短路匝数与短路位置对其匝间短路特性的影响。
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