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多齿容错永磁磁通切换电机的拓扑优化及控制策略研究

作　者: 吴一丰
导　师: 邓智泉
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子及电力传动
关键词: 永磁磁通切换电机多齿容错转矩密度绕组故障转矩脉动故障分解
分类号: TM351
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

全电/多电飞机对电力作动器系统可靠性的要求进一步提高。为了提高基于永磁电机的电力作动器系统的可靠性和容错性，本文研究了一种高功率密度、强容错能力的永磁容错磁通切换电机，并通过容错控制策略实现绕组一相或多相故障后的容错运行。本文以提高磁链正弦度、转矩密度、故障隔离能力和短路电流抑制能力等为目标，结合有限元仿真，对多齿容错永磁磁通切换电机进行拓扑结构的优化。通过电机轴向结构的设计，获得正弦度较高的磁链、反电势；以电磁转矩和互感自感比为优化目标优化了转子极对数和定子隔磁齿宽等参数。与传统的转子永磁式容错电机进行对比，验证了两者在同样具备故障隔离能力的前提下，多齿容错永磁磁通切换电机在转矩密度和抑制短路电流能力方面更具优势。此外，以增强抑制短路电流能力为目标的容错设计获得了较大的绕组交直轴电感，为电机在恒功率区弱磁扩速运行提供了有利条件，理论分析了该电机的弱磁特性。为了使电机在绕组开路或短路故障时仍能输出满足一定要求的转矩，研究了容错电流优化控制策略。针对开路故障，利用扩展坐标变换，建立电机开路的电流、铜耗数学模型。通过控制转子同步旋转坐标系下的交轴电流和零序电流，实现转矩脉动的补偿。为适应不同的应用场合及考虑功率变换器的限制，分别研究了铜耗最小补偿和铜耗相等补偿，优化了转矩铜耗比。针对短路故障，提出一种故障分解补偿法，对短路电流及绕组正常电流缺失引起的转矩脉动和转矩缺失分别进行补偿，矢量合成补偿电流。该策略在实现容错控制的同时，避免了复杂的在线计算。实验结果验证了研究的控制策略能够在电机绕组故障情况下，抑制转矩脉动，同时有效地限制绕组铜耗，提高电机的运行效率。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-20
  1.1 研究背景及意义  12
  1.2 磁通切换电机概述  12-15
    1.2.1 磁通切换电机的发展概况与研究现状  12-14
    1.2.2 永磁磁通切换电机的结构特点和工作原理  14-15
  1.3 永磁容错电机概述  15-17
    1.3.1 容错电机系统的要求和特点  15
    1.3.2 永磁容错电机的发展概况  15-17
  1.4 容错控制概述  17-19
    1.4.1 功率变换器容错结构  17-18
    1.4.2 容错控制策略  18-19
  1.5 主要内容及结构安排  19-20
第二章 MT-FTFSPM 电机的工作原理与拓扑优化  20-31
  2.1 MT-FTFSPM 电机的拓扑结构和工作原理  20-21
  2.2 基于绕组互补性的电机轴向结构设计  21-25
    2.2.1 绕组一致性和互补性分析  21-23
    2.2.2 MT-FTFSPM 电机轴向结构设计  23-25
  2.3 转子极对数的选择  25-28
  2.4 定子隔磁齿宽的影响  28-29
  2.5 样机参数  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章 MT-FTFSPM 电机的电磁特性和容错性能  31-40
  3.1 传统转子永磁式容错电机的优化设计  31-32
  3.2 转矩特性  32-33
  3.3 容错性能  33-35
    3.3.1 MT-FTFSPM 电机电感特性分析  33-34
    3.3.2 故障影响  34-35
    3.3.3 短路电流抑制能力  35
  3.4 弱磁特性  35-39
    3.4.1 同步旋转坐标系电感特性  36-37
    3.4.2 弱磁特性分析  37-39
  3.5 本章小结  39-40
第四章开路故障和短路故障的补偿控制  40-57
  4.1 容错控制系统  40-41
  4.2 i_d=0 电流矢量控制的数学模型  41-43
  4.3 开路故障的补偿  43-48
    4.3.1 单相开路的数学模型  43-44
    4.3.2 铜耗最小补偿  44-45
    4.3.3 铜耗相等补偿  45
    4.3.4 两相开路补偿  45-47
    4.3.5 三相开路补偿  47-48
  4.4 短路故障补偿  48-50
    4.4.1 短路故障容错控制概述  48
    4.4.2 故障分解补偿策略  48-50
  4.5 实验验证  50-56
    4.5.1 正常工作  51-52
    4.5.2 单相开路故障  52-53
    4.5.3 多相开路故障  53-55
    4.5.4 短路故障  55-56
  4.6 本章小结  56-57
第五章 MT-FTFSPM 电机系统实验平台设计  57-63
  5.1 系统实验平台  57-58
  5.2 功率电路及其驱动电路  58-60
  5.3 采样及调理电路  60-62
  5.4 本章小结  62-63
第六章总结和展望  63-65
  6.1 本文主要工作  63-64
  6.2 工作展望  64-65
参考文献  65-70
致谢  70-71
在学期间的研究成果及发表的学术论文  71

多齿容错永磁磁通切换电机的拓扑优化及控制策略研究

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