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《南京航空航天大学》 2010年
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六相永磁容错电机及其控制系统的设计和研究

郝振洋  
【摘要】:近年来,随着多电/全电飞机和混合/纯电动汽车的发展,对系统安全可靠性提出了很高的要求。希望即使电机驱动系统发生故障后,系统还能可靠地完成任务。因此设计一套具有容错功能的电机本体及其控制系统日益成为国内外的研究热点。在工程上容错技术指当系统一个或多个关键部件出现故障时,系统能够将发生故障的部件从系统中隔离开,并采取相应措施维持其规定功能,在可接受的性能指标变化下,继续稳定可靠运行。本文致力于研究和设计具有高可靠性的永磁容错电机(FTPMM)及其控制系统,保证系统出现一相及多相故障时,电机仍可输出规定功率,同时转速不变,实现电机驱动系统的强容错控制。 本文详细分析了永磁容错电机的结构形式及特点,通过绕组单层集中隔齿绕制的方式实现了各绕组间的磁隔离、物理隔离及热隔离;采用H桥的供电方式实现了绕组间的电气隔离;利用增大槽口漏感达到抑制短路电流目的。研究了定子槽数与转子磁极对数的配合对绕组系数、齿槽脉动转矩、径向不平衡磁拉力以及功率管选取的影响。采用离心磁钢设计方案,提高空载反电势波形的正弦度,降低齿槽脉动转矩,便于实现高性能的电机控制。 具备抑制短路电流能力是永磁容错电机与一般永磁无刷电机的主要区别,因此对电枢绕组的电感分析及其解析式求取成了永磁容错电机设计的主要问题之一。通过分析电机内的磁力线分布得出绕组自感由激磁感、谐波漏感、槽口漏感和槽内漏感组成。建立了电机磁阻网络,研究了不同电感组成分量之间的比例关系,并引入槽口磁压降参数和槽口计算厚度参数,推导出了具有高精度的非线性绕组自感及其组成分量的解析式。 利用解析法对转子磁钢离心式的永磁容错电机进行电磁场分析,考虑槽口对气隙磁密的影响,得到了气隙处径向磁密和切向磁密的解析式,以此为基础,分别推导出空载反电势和齿槽脉动转矩的解析式,便于电机优化设计,并对其进行磁场有限元分析验证。 依据航空用电力作动器的转矩及其动态响应要求,直接求出永磁容错电机的定子内径和轴向有效长度,推导了永磁容错电机的电磁参数设计的解析式。针对永磁容错电机的特点,以抑制短路电流和高输出性能(空载反电势波形正弦度高、齿槽脉动转矩小)为优化目标,建立了永磁容错电机的优化设计准则。设计并制造了一台航空用750W六相十极永磁容错电机的原理样机和一台7.5kW的工程样机,通过发电试验、磁隔离试验以及绕组短路试验验证电机设计合理性和正确性。 建立了六相十极永磁容错电机的数学模型及其MATLAB系统仿真模型,并对电机驱动系统的正常态及故障态的电磁转矩进行分析。根据功率守恒原理,对各相绕组进行单独控制,提出了基于电流直接控制法的容错控制策略,无需具体的故障诊断类型信息和软件算法切换,通过补偿故障相的平均电磁转矩,实现了具备强容错性能的永磁容错电机及其控制系统,即当电机或变换器出现一相、两相甚至三相故障时,系统可以分别输出100%、80%及60%的额定功率,而输出转速不变。通过系统的多相组合故障试验对基于电流直接控制算法的容错系统进行了验证。 电流直接控制的容错系统具备简单可靠的优点,但系统在故障态存在一定的周期脉动转矩,因此适合用于电机负载对转矩脉动不敏感的一般场合,特别是高速大惯量场合。为了将容错系统应用到高性能要求的驱动系统(如伺服驱动系统),本文利用相量叠加法,分析了不同故障态下电机输出脉动转矩的规律,提出了最优电流控制策略,通过补偿故障相的平均转矩和抵消故障态的脉动转矩,实现故障态下转矩脉动最小化控制,从而使电机驱动系统实现强容错的基础上,提高故障态的输出性能。MATLAB仿真和试验验证了该容错控制方案的有效性。 为了体现本论文所提出的电机设计方案以及容错控制方案工程应用价值,本文针对航空用某机型的电力作动器,设计了一套7.5kW/9000rpm六相永磁容错电机及其控制系统的工程样机,并通过发电试验、短路能力测试试验以及单相故障态试验证明该工程样机达到预期的容错性能。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM351

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 张晓晨;永磁容错电机结构设计与仿真[D];大连海事大学;2012年
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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10 陆晓峰;新型永磁式开关磁阻电机控制系统的研究与设计[D];南京理工大学;2012年
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