發(fā)布時間：2020-05-01 23:06

【摘要】：近年來,面對航天伺服領(lǐng)域?qū)煽啃院腿蒎e性等方面的需求,國內(nèi)外學(xué)者們提出了多相容錯電動伺服系統(tǒng)的概念,該伺服系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、功率密度高、容錯性能好等優(yōu)點(diǎn),可以滿足航天領(lǐng)域尖端裝備的發(fā)展需求。但是目前多相容錯電動伺服系統(tǒng)的理論體系仍不夠完善,在多相容錯伺服電機(jī)本體設(shè)計、系統(tǒng)故障檢測和診斷,以及容錯控制等方面需要進(jìn)一步的研究。針對這些問題,本文結(jié)合航天伺服應(yīng)用背景需求,對四相容錯永磁電機(jī)電磁設(shè)計、容錯控制和溫度場等方面的問題展開研究,主要工作如下:首先,對四相容錯永磁電機(jī)的電磁方案選取、設(shè)計和優(yōu)化進(jìn)行了研究。根據(jù)應(yīng)用背景需求選取了8槽6極單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu),采用離散拼裝Halbach永磁體結(jié)構(gòu)降低了轉(zhuǎn)矩波動和永磁體損耗,進(jìn)一步通過合理選取轉(zhuǎn)子鐵心厚度提高了電機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能,并研究了槽口寬度對短路電流的影響,給出了槽口寬度的選取原則。其次,對四相容錯永磁電機(jī)開路故障的影響和容錯控制方法進(jìn)行了研究。分析了不同開路故障狀態(tài)下電機(jī)的運(yùn)行性能,采用容錯控制策略對開路故障進(jìn)行了補(bǔ)償,并通過有限元仿真對各容錯控制方法進(jìn)行了驗證和比較。結(jié)果表明,不約束零序電流的條件下,基于磁動勢不變原則和瞬時功率平衡原則的容錯控制方法均能保證故障狀態(tài)下電機(jī)的全額輸出能力和運(yùn)行的平穩(wěn)性。再次,對四相容錯永磁電機(jī)相短路故障的影響和容錯控制方法進(jìn)行了研究。通過解析計算和有限元仿真方法計算了電機(jī)在繞組端部以及逆變器開關(guān)管短路情況下的短路電流,并分析了短路故障對電機(jī)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,逆變器開關(guān)管短路故障對電機(jī)的影響更為嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上,對相短路故障容錯控制方法進(jìn)行了研究,采用瞬時功率平衡原則進(jìn)行補(bǔ)償后電機(jī)可以獲得更為良好的容錯運(yùn)行性能。最后,對四相容錯永磁電機(jī)在正常和容錯運(yùn)行狀態(tài)下的溫度場分布進(jìn)行了分析。在對各關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行等效的基礎(chǔ)上,建立了電機(jī)二維溫度場分析模型,并給出了關(guān)鍵區(qū)域?qū)嵯禂?shù)和換熱系數(shù)的求解方法,利用有限元仿真對電機(jī)在正常和容錯運(yùn)行狀態(tài)下的溫度場分布情況進(jìn)行了評價。結(jié)果表明,該電機(jī)可以在給定工況下可靠運(yùn)行。
【圖文】：

.2.1 多相容錯永磁電機(jī)本體設(shè)計良好的故障隔離能力和短路電流抑制能力是多相永磁電機(jī)容錯運(yùn)行的，目前所提出的多相永磁電機(jī)方案主要通過繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計（采用分?jǐn)?shù)槽集組）和定子槽型的優(yōu)化（增大漏感）來達(dá)到這兩點(diǎn)要求，學(xué)者們進(jìn)一步針用分?jǐn)?shù)槽集中繞組和大漏感設(shè)計帶來的影響進(jìn)行了分析，并提出了一系列方案，下面圍繞這些問題對多相容錯永磁電機(jī)本體方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總析。2004 年，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的 B. C. Mecrow 等人在前期六相電機(jī)研究的上，研制了應(yīng)用于航空燃料泵的 16kW、15000r/min 四相容錯永磁電機(jī)，結(jié)圖 1-1 所示[1]。該電機(jī)定子采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，，永磁體采用 Halbac構(gòu)，增大了氣隙磁密。并且通過將電機(jī)浸沒在航空燃料中，獲得了良好的性能，從而使電機(jī)能夠在很高的電負(fù)荷下工作。該團(tuán)隊在將上述四相電機(jī)推廣到 100kW 功率等級時，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗較大，從而使電機(jī)效率。為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗，他們首先研究了轉(zhuǎn)子渦流損耗的計算方后采用圖 1-2 所示的定子不等齒寬設(shè)計使轉(zhuǎn)子渦流損耗降低了 29%[2,3]。

2004 年，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的 B. C. Mecrow 等人在前期六相電機(jī)研究的上，研制了應(yīng)用于航空燃料泵的 16kW、15000r/min 四相容錯永磁電機(jī)，結(jié)圖 1-1 所示[1]。該電機(jī)定子采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，永磁體采用 Halbac構(gòu)，增大了氣隙磁密。并且通過將電機(jī)浸沒在航空燃料中，獲得了良好的性能，從而使電機(jī)能夠在很高的電負(fù)荷下工作。該團(tuán)隊在將上述四相電機(jī)推廣到 100kW 功率等級時，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗較大，從而使電機(jī)效率。為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗，他們首先研究了轉(zhuǎn)子渦流損耗的計算方后采用圖 1-2 所示的定子不等齒寬設(shè)計使轉(zhuǎn)子渦流損耗降低了 29%[2,3]。a) 定子 b) Halbach 轉(zhuǎn)子圖 1-1 四相 Halbach 永磁電機(jī)實物圖
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V442

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2647163