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在航空航天、深海探测、新能源汽车等国家重大发展项目背景下,对永磁同步电机高转矩密度和容错特性的要求不断提高,多相永磁同步电机愈发体现出其优势并引得越来越多的国内外学者投入对其结构设计、调速控制系统和容错算法的研究。本文将以五相永磁同步电机为研究对象,为提高其转矩密度设计了一种定子绕组非正弦分布的结构,并以此为基础展开对三次谐波注入式五相永磁同步电机(Third Harmonic Injection-Five-phase Permanent Magnet Synchronous Motor,THI-FPMSM)调速系统以及一相开路故障容错策略的研究。本文首先对多相电机的设计、建模和容错控制理论系统归纳,总结多相电机的研究历史和近况。接着建立THI-FPMSM正常和一相开路故障时自然坐标系下的数学模型。并类比三相电机坐标变换矩阵进行推导,获得五相电机的Clark、Park矩阵,将自然坐标系下五相电机数学模型变更到旋转坐标系下,实现电机交、直轴分量解耦控制。本文的主要工作及研究成果包含以下三个方面:1.以高转矩密度为目标,设计一款30槽32极表贴式外转子五相永磁同步电机。对三种不同绕组方法的气隙磁密、反电动势和互感等参数研究比照。最后选择采用双层绕组方式设计的五相电机,同时考虑损耗增加与转矩密度提高,研究其最优3次谐波注入率问题。2.研究THI-FPMSM电压型逆变器(Voltage Source Inverter,VSI)空间矢量调制方式(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)。首先推导了绕组正弦分布五相电机的两种常用SVPWM算法,即最大矢量SVPWM和相邻四矢量SVPWM的设计过程。然后提出一种适合绕组非正弦分布五相电机的四维SVPWM调制算法,能够在逆变器空间矢量调制时同时考虑基波和3次谐波。3.提出一种针对THI-FPMSM单相开路的容错控制(Fault Tolerant Control,FTC)方法。基于故障前后基波和3次谐波磁动势不变原则,推导得到故障后剩余相电流表达式,据此对坐标变换矩阵降阶处理。提出一种故障前后只改变坐标变换矩阵不改变控制方式的容错策略。本文电机设计在Maxwell/Ansoft软件中实现,有限元法验证其电感、电磁转矩等参数。提出的3次谐波注入率算法、四维SVPWM算法和一相开路容错控制策略通过在MATLAB/Simulink环境下仿真验证,并通过RT-LAB和dSPACE半实物平台实验证明有效性。