航天伺服用四相容错永磁电机研究

发布时间：2020-05-01 23:06

【摘要】：近年来,面对航天伺服领域对可靠性和容错性等方面的需求,国内外学者们提出了多相容错电动伺服系统的概念,该伺服系统具备结构简单、易于维护、功率密度高、容错性能好等优点,可以满足航天领域尖端装备的发展需求。但是目前多相容错电动伺服系统的理论体系仍不够完善,在多相容错伺服电机本体设计、系统故障检测和诊断,以及容错控制等方面需要进一步的研究。针对这些问题,本文结合航天伺服应用背景需求,对四相容错永磁电机电磁设计、容错控制和温度场等方面的问题展开研究,主要工作如下:首先,对四相容错永磁电机的电磁方案选取、设计和优化进行了研究。根据应用背景需求选取了8槽6极单层分数槽集中绕组结构,采用离散拼装Halbach永磁体结构降低了转矩波动和永磁体损耗,进一步通过合理选取转子铁心厚度提高了电机动态响应性能,并研究了槽口宽度对短路电流的影响,给出了槽口宽度的选取原则。其次,对四相容错永磁电机开路故障的影响和容错控制方法进行了研究。分析了不同开路故障状态下电机的运行性能,采用容错控制策略对开路故障进行了补偿,并通过有限元仿真对各容错控制方法进行了验证和比较。结果表明,不约束零序电流的条件下,基于磁动势不变原则和瞬时功率平衡原则的容错控制方法均能保证故障状态下电机的全额输出能力和运行的平稳性。再次,对四相容错永磁电机相短路故障的影响和容错控制方法进行了研究。通过解析计算和有限元仿真方法计算了电机在绕组端部以及逆变器开关管短路情况下的短路电流,并分析了短路故障对电机性能的影响规律。结果表明,逆变器开关管短路故障对电机的影响更为严重。在此基础上,对相短路故障容错控制方法进行了研究,采用瞬时功率平衡原则进行补偿后电机可以获得更为良好的容错运行性能。最后,对四相容错永磁电机在正常和容错运行状态下的温度场分布进行了分析。在对各关键区域进行等效的基础上,建立了电机二维温度场分析模型,并给出了关键区域导热系数和换热系数的求解方法,利用有限元仿真对电机在正常和容错运行状态下的温度场分布情况进行了评价。结果表明,该电机可以在给定工况下可靠运行。
【图文】：

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.2.1 多相容错永磁电机本体设计良好的故障隔离能力和短路电流抑制能力是多相永磁电机容错运行的，目前所提出的多相永磁电机方案主要通过绕组结构设计（采用分数槽集组）和定子槽型的优化（增大漏感）来达到这两点要求，学者们进一步针用分数槽集中绕组和大漏感设计带来的影响进行了分析，并提出了一系列方案，下面围绕这些问题对多相容错永磁电机本体方面的研究现状进行总析。2004 年，英国纽卡斯尔大学的 B. C. Mecrow 等人在前期六相电机研究的上，研制了应用于航空燃料泵的 16kW、15000r/min 四相容错永磁电机，结图 1-1 所示[1]。该电机定子采用分数槽集中绕组结构，，永磁体采用 Halbac构，增大了气隙磁密。并且通过将电机浸没在航空燃料中，获得了良好的性能，从而使电机能够在很高的电负荷下工作。该团队在将上述四相电机推广到 100kW 功率等级时，发现电机转子涡流损耗较大，从而使电机效率。为了降低电机的转子涡流损耗，他们首先研究了转子涡流损耗的计算方后采用图 1-2 所示的定子不等齿宽设计使转子涡流损耗降低了 29%[2,3]。

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2004 年，英国纽卡斯尔大学的 B. C. Mecrow 等人在前期六相电机研究的上，研制了应用于航空燃料泵的 16kW、15000r/min 四相容错永磁电机，结图 1-1 所示[1]。该电机定子采用分数槽集中绕组结构，永磁体采用 Halbac构，增大了气隙磁密。并且通过将电机浸没在航空燃料中，获得了良好的性能，从而使电机能够在很高的电负荷下工作。该团队在将上述四相电机推广到 100kW 功率等级时，发现电机转子涡流损耗较大，从而使电机效率。为了降低电机的转子涡流损耗，他们首先研究了转子涡流损耗的计算方后采用图 1-2 所示的定子不等齿宽设计使转子涡流损耗降低了 29%[2,3]。a) 定子 b) Halbach 转子图 1-1 四相 Halbach 永磁电机实物图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V442

【参考文献】