开关磁阻电机驱动系统可靠性定量评估研究

摘要

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor,SRM）是一种结构简单、坚固，控制性能与容错性能优异的特种电机，目前已被应用于军事、航空航天、汽车制造等领域。随着开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Motor Drive,SRD）的推广与使用，其可靠性开始逐渐受到关注。开展对SRD的可靠性研究能够预防系统运行期间故障的发生，减少由系统故障导致的不必要的经济损失，降低后期的维护费用，对SRD的使用与推广具有重要意义。 本文结合SRD的结构与运行特点，选取马尔科夫模型对系统进行了可靠性分析，并给出了一种可靠性评估与提高方法，展示了其主要分析步骤与实现过程。该方法按照系统—模块—元器件的方式逐步提高系统的可靠性，全文包含可靠性工程介绍、SRD基本结构分析、故障模式汇总、系统级马尔科夫模型的建立、元器件重要性分析、薄弱环节可靠性评估、元器件可靠性提高等内容。 采用四相8/6结构SRM与不对称半桥式功率变换器组成初始SRD系统。通过故障模式分析汇总了系统中的潜在故障，采用理论分析、仿真与硬件实验相结合的方式判定了系统在故障下的运行状态，并在此基础上建立了SRD的马尔科夫可靠性模型。根据马尔科夫模型的特点选取可信潜在提高值（Credible Improvement Potential,CIP）衡定法实现对元器件重要度的衡定，确定了影响SRD可靠性的关键元器件为功率变换器中的开关管与二极管，由此判定功率变换器为系统中的薄弱环节。针对功率变换器与关键元器件进行了相应的可靠性评估与提升，运用所得结果组成新的SRD系统并对其展开了可靠性建模与评估。 对比原系统与新系统的可靠性评估结果后得出结论，该方法能够有效提高系统的可靠性，且不受SRM结构的限制，具有实用性与普适性。最后总结了本文开展的主要工作，并对后续研究进行了设想与展望。

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致谢

变量注释表

1 概述

1.1 引言

1.2 可靠性工程研究现状

1.2.1 可靠性设计与常用度量参数的选取

1.2.2 故障（失效）模式分类与常用可靠性模型

1.2.3 电机驱动系统可靠性研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 基于马尔科夫模型的系统级可靠性分析

2.1 马尔科夫模型介绍

2.2 SRD故障模式分析

2.2.1 功率变换器故障

2.2.2 位置传感器故障

2.2.3电机本体故障

2.2.4 元器件与故障模式符号定义

2.3 基于MATLAB/Simulink的SRD仿真模型

2.3.1 设置SRD运行状态判定指标

2.3.2 SRD仿真模型的搭建

2.4 故障仿真与硬件实验

2.4.1故障仿真

2.4.2硬件实验

2.5 基于马尔科夫模型的SRD可靠性建模

2.5.1元器件失效率计算

2.5.2 SRD状态判定与分析汇总

2.5.3 绘制系统状态转换图

2.5.4 可靠性参数定量计算

2.6 本章小结

3 SRD元器件重要性分析

3.1 元器件失效率对比

3.2 元器件重要性衡定方法

3.2.1 Birnbaum衡定法

3.2.2 潜在提高值衡定法

3.3 基于CIP的SRD元器件重要性衡定

3.3.1 CIP衡定算法调整

3.3.2 SRD元器件重要性衡定

3.4 本章小结

4 SRD功率变换器可靠性评估及提高

4.1 功率变换器可靠性分析与拓扑选择

4.1.1 Miller功率变换器可靠性评估

4.1.2 m-switch功率变换器可靠性评估

4.1.3 三种功率变换器可靠性对比

4.2 关键元器件的可靠性提高

4.3 可靠性提高效果验证

4.3.1 基于马尔科夫模型的新系统可靠性建模

4.3.2 SRD与新系统的可靠性对比

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文主要工作总结

5.2 设想与展望

参考文献

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