摘要
电动汽车用驱动电机不断向高效高功率密度方向发展。SiC功率器件具有高压高耐温、高开关频率、低损耗特性，为电驱动系统效率和功率密度提升带来了新机遇。但在SiC逆变器高频高dv/dt激励下，扁线绕组电机绝缘可靠性等问题变得更加突出，为充分发掘SiC逆变器驱动下扁线电机性能提升潜力，避免由此产生的绝缘破坏等负面影响，本文将对SiC逆变器驱动下的扁线绕组电机交流损耗、槽内热分布和绝缘电压应力等问题展开研究，主要工作包括以下几个方面： 为了分析SiC逆变器激励特性对扁线绕组电机的影响，本文首先建立了电流谐波快速解析计算模型，以及考虑器件动态特性?电缆分布参数的电机绕组端部过电压仿真模型，以分析器件开关瞬态上升时间、电缆长度、开关频率和电感等参数对电流谐波和过电压的影响规律。研究表明，过电压幅值与上升时间和电缆长度有关，而脉冲振荡频率与上升时间无关，与电缆长度负相关。随着开关频率的增加，电机绕组中电流谐波含量下降，但同时也会导致PWM脉冲前后沿时间变短，进而产生双脉冲现象，可能引起更高幅值的脉冲过电压。 针对高频激励下扁线绕组的交流损耗问题，本文从扁线绕组损耗产生机理、计算模型和抑制方法等方面展开研究。提出了基于解析和有限元方法的扁线绕组交流损耗混合计算方法，解决了现有解析方法不能考虑内置式永磁转子磁场对绕组交流损耗的影响问题。针对靠近槽口导体损耗聚集的问题，提出基于利兹扁线和实心扁线的混合换位绕组（HTHW），针对样机的仿真结果表明，该绕组在频率大于200Hz后具有良好的交流损耗抑制效果。搭建绕组交流损耗分离实验平台，对绕组的交流损耗进行了测量，验证了所提方案的有效性。针对HTHW绕组的制造工艺问题，提出了一种基于3D打印技术的分段式HTHW绕组结构，可解决利兹线绕组的应力回弹、绝缘去漆和端部多股导线焊接问题。 针对高频激励下扁线绕组电机发热问题，重点研究了槽内温度分布不均和槽口出现局部热点的问题。建立了扁线绕组电机槽内热网络模型，充分考虑各层导体和两侧定子铁心损耗分布不均现象，通过仿真和实验对比，验证了扁线绕组热分析模型的准确性。进一步从主动损耗抑制和被动冷却散热角度，提出了扁线绕组外移和机壳水路内移的槽内直接冷却方案，对比分析了不同冷却方案的温升抑制效果，分析不同开关频率、绕组位置和冷却参数对局部最高温度的影响规律。给出模块化槽内水路设计构想和材料选取原则，为后续研究和样机制造提供有利参考。 为了准确评估SiC逆变器高dv/dt激励下扁线绕组匝间电压应力，提出一种适用于层间换位扁线绕组的高频等效电路模型，对扁线绕组匝间电压应力进行计算。针对传统层间换位方式导致的扁线绕组首尾两匝线圈间高电压应力问题，提出一种新型层间换位扁线绕组结构，并给出适用于不同层数扁线绕组的低电压应力通用设计原则。最后，结合SiC逆变器驱动下扁线绕组的槽内热分布和匝间电压应力分布情况，给出电热耦合应力作用下扁线绕组匝间绝缘局部放电的计算模型和分析方法。 本论文以SiC逆变器驱动下的扁线绕组永磁同步电机为研究对象，针对高频高dv/dt激励下的扁线绕组损耗、槽内热和匝间电压应力分布不均匀等关键问题，围绕产生机理、计算模型、影响因素和抑制方法等方面展开研究，为下一代SiC逆变器驱动的扁线绕组电机高效高功率密度设计和高可靠运行提供了有益参考。
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