模块化级联电机系统

In this project, a new type of modular cascade machines (MCM) will be studied, which belongs to a multi-machine combined working system. Every machine unit is taken as a module, just similar to a battery. Multiple machines work together in cascading form. Power regulation can be realized by means of changing the numbers of machines. Also a better outer performance than single machine will be obtained through different configuration and there are some obvious advantages that it can reduce cost and improve the fault-tolerant ability. The idea of modular cascade machine is just proposed recently with less research achievement for reference. And many problems are to be resolved, for example, the methodology of design to achieve competitive density and reliability, and how to achieve synchronization, high efficiency and fault tolerance of several motors. This application proposes to research into the electromagnetic theory and control theory. It will research design methods and control technology, analyze practicable scheme and structure, and resolve the key problems such as the match and optimization of multiple targets with constraint, the reliability of link structure and the optimization control of systems. It will also make prototype and do experiments based on the application on electrical vehicles. It plans to establish design methods and control strategy of the system and raise practicable structures. The achievements include more than ten papers, three patents, five doctor and master degree papers and two MCM systems.

本项目研究一种新型模块化级联电机。属于多电机联合工作系统。即把一个电机单元像电池一样作为一个模块，多个电机模块级联式工作；改变模块电机的数量即可调节功率大小，通过不同配置还可得到比整体电机更好的外特性；降低了成本，提高了容错能力。针对模块化级联电机思想刚刚提出，只有一些相关的研究成果供参考，很多问题还没有系统地解决，如：如何设计才能达到可以与整体式电机相竞争的功率密度、可靠性，如何控制才能实现其多个电机的同步、高效、容错等问题；本申请打算从电磁理论和控制理论方面，对其进行研究。研究设计方法与控制技术，探讨可实施的方案与结构，解决有约束多目标的匹配优化、连接结构的可靠性以及系统最优控制等关键问题。以电动车应用为背景，研制样机，进行实验研究。建立系统的设计方法和控制策略，给出可行的结构。发表论文10篇以上，申请发明专利3项，完成博士、硕士研究生论文5本，完成MCM系统2套。

针对传统电动汽车用驱动电机难以满足低速大转矩，高速大功率及在较宽范围内有较高效率的问题，本项目提出一种新型模块化级联电机。为提高系统功率密度及可靠性、高效与容错控制等问题，本项目主要研究设计方法与控制技术，探讨可实施的方案与结构，解决有约束多目标的匹配优化、连接结构的可靠性以及系统最优控制，以电动车应用为背景，研制样机，进行实验研究。取得的研究成果包括：.提出了 MCM 系统的基本概念和基本组成模式，建立了MCM系统电、磁、热、力多场有限元仿真分析模型，给该电机系统的设计与分析奠定了理论基础。.探讨了不同模式下的匹配方法，给出具体匹配流程和匹配原则。提出了基于额定点的永磁电机全区域效率快速估算方法，可以用于电机参数为变量时，动力系统的先期匹配和系统优化。提出的基于遗传算法的多模方式匹配方法，实现对多电机参数指标的确定。.研究了适于 MCM 系统模块电机的设计方法，阐述了 MCM 系统的结构及设计特点，分析了不同类型电机构成的 MCM 系统以及MCM系统减小转矩波动的方法。采用基于遗传优化算法结合有限元仿真的电机设计方法，能兼顾功率密度和效率。模块电机级联时采用转子错极的方法，可以有效减小系统转矩波动。.建立了基于 EMR 建模方法的动态仿真模型，分析了不同工作模式的特点。建立了基于EMR的考虑电机温升的仿真模型，研究了影响模块电机热负荷分布的因素，给出了适合 MCM 系统的转矩分配控制策略。.根据整车控制策略的特点，提出了基于转矩补偿的MCM系统模块电机间容错控制策略；提出了针对于单个电机的无位置传感器故障检测和容错方法。.研制了 MCM 系统模型样机，并对其分别进行外特性和效率等性能测试。搭建了动态控制模拟实验平台，对转矩分配控制策略和容错控制方法进行实验验证。.研究表明：MCM 系统很容易实现低速大转矩和高速大功率。通过采用优化的控制策略，能扩大系统高效区，提高系统容错能力，在电动汽车上具有良好的应用前景。MCM也可以应用在如风力发电、舰船推进等变速范围宽、功率变化大、工况复杂、可靠性要求高的场合。.结合该项目的研究，培养硕士3名，博士3名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文16篇，被SCI收录3篇、EI收录16篇、ISTP收录4篇，申请和获准国家发明专利4项，研发样机2套。