六相永磁容错电机电磁设计与容错运行研究

摘要

永磁容错电机不仅具有传统永磁电机结构简单、运行可靠、功率密度高等显著优点，且在某些故障工况下通过合适的控制策略仍能够持续运行，因此广泛应用于航空航天、舰船驱动以及电动汽车等对可靠性要求较高的领域。电机本体设计及故障后的容错运行策略是决定电机驱动系统容错性能的关键。为提高军用车辆电机驱动系统的可靠性，本文以六相永磁容错电机为研究对象，对永磁容错电机的电磁设计与绕组故障下的容错运行策略展开研究。　　首先，根据多相永磁容错电机设计的基本原则，提出六相永磁容错电机电磁方案的选择方法，包括电机相数、极槽数配合、绕组排布及转子结构等；针对带中性线半桥逆变器的主回路拓扑结构，提出一种对称六相分数槽集中绕组永磁容错电机方案，通过电磁场有限元方法对该电机的基本电磁性能以及磁隔离、抑制短路等相关容错能力进行验证，结果表明该电机具有良好的运行性能与容错潜力。　　为便于以相为单位研究电机容错运行时的机电能量转换关系，建立六相永磁容错电机在自然坐标轴系下的数学模型，基于虚位移法对电机电磁转矩进行推导与分析，并着重分析三次谐波磁链对电机运行的影响，为电机容错运行研究奠定基础。　　针对电机绕组开路与短路故障，对电机的合成磁动势与电磁转矩进行分析，提出基于转矩脉动最小原则的容错运行策略，进而确定相应容错运行的绕组激励，并通过电磁场有限元方法对容错电机的容错性能进行验证，结果显示采用该容错运行策略可以在满足转矩输出需求的前提下显著减小容错电机在故障后的转矩脉动。

目录

1 绪 论

1.1 背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 永磁容错电机电磁设计的研究现状

1.2.2 容错运行策略的研究现状

1.3 本文主要内容

2 永磁容错电机的电磁设计

2.1 引言

2.2 永磁容错电机设计的基本原则

2.2.1 电气隔离

2.2.2 磁隔离

2.2.3 热隔离

2.2.4 抑制短路电流能力

2.3.1 相数选择

2.3.2 极槽数配合

2.3.3 分数槽集中绕组

2.3.4 绕组排布方式

2.3.5 转子结构选择

2.4.1 主要性能指标

2.4.2 主要尺寸确定

2.4.3 优化设计

2.5 电机主要参数与主回路拓扑

2.6 有限元仿真分析

2.6.1 空载运行仿真

2.6.2 负载运行仿真

2.6.3 容错能力验证

2.7 小结

3 六相永磁容错电机数学模型与电磁转矩分析

3.1 引言

3.2 六相电机的合成磁动势分析

3.3 六相永磁容错电机的数学模型

3.4 电磁转矩分析

3.5 谐波磁场对电机运行的影响

3.6 小结

4 绕组开路故障的容错运行策略研究

4.1 引言

4.2.1 不同绕组开路故障

4.2.2 开路故障后的合成磁动势分析

4.2.3 开路故障后的电磁转矩分析

4.3 绕组开路故障的容错运行策略

4.3.1 基于转矩脉动最小原则的容错运行策略

4.3.2 容错运行分析

4.4 仿真分析与验证

4.5 小结

5 绕组端部短路故障的容错运行策略研究

5.1引言

5.2 绕组端部短路故障分析

5.2.1 短路电流分析

5.2.2 短路故障后的合成磁动势分析

5.2.3 端部短路故障后的电磁转矩分析

5.3 绕组端部短路故障的容错运行策略

5.3.1 基于磁动势不变的短路故障容错运行策略

5.3.2 基于转矩脉动最小的短路故障容错运行策略

5.3.3 容错运行分析

5.4 仿真计算分析

5.4.1 短路故障仿真分析

5.4.2 容错运行策略验证

5.5 小结

6 结论与展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢