六相开关磁阻电机绕组拓扑及其容错技术研究

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开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)具有结构简单、成本低、启动转矩大和容错性能高等优点,在航空航天以及其他高速领域具有独特的优势。随着应用领域的不断拓展,现代工业对电机的容量、可靠性及容错性能等指标均提出了更高的要求,多相开关磁阻电机(Multi-phase SRM,简称MSRM)成为高性能SRM研究的热点。为了进一步研究MSRM绕组拓扑、容错控制技术,丰富MSRM的设计理论及其相关规律,提高SRM竞争力,本文以六相SRM作为研究对象,围绕MSRM本体设计理论、绕组拓扑结构和容错技术展开理论分析与研究,主要研究内容如下:1.介绍了MSRM的相关原理,系统地推导了适合MSRM的非线性磁参数设计实用计算公式,基于该公式建立多台MSRM样机,并验证了理论的正确性。研究发现,六相SRM系统具有输出转矩高、脉动低且容错性能高等优点。建立六相SRM多参数化仿真模型,研究结构参数对电机性能的影响,总结多相电机的优化设计规律。2.在研究六相SRM正串与反串绕组电感与互感特性的基础上,提出了适合偶数相SRM的磁极极性的判定方法,该方法弥补了现有检测方法的不足,能够实现SRM磁极极性排列的快速判定,为后续六相SRM电磁特性的研究奠定基础。3.不同于常规三相SRM,MSRM绕组极性更为灵活,当六相SRM采用NS磁极交替排列(定义为NS模式)时,相间绕组存在着较强的耦合现象,系统容错性差。因此本文对不同绕组拓扑结构下的六相SRM静态与动态特性展开研究。研究表明,正常运行时NS模式下的六相SRM输出转矩与效率均高于NNSS磁极交替排列(定义为2NS模式)的模式。4.深入分析了六相SRM绕组NS模式和2NS模式两种拓扑结构的电磁特性,研究发现,NS模式中的电流“鼓包”现象由相间耦合造成,提出减少导通宽度的方法降低NS模式下的电流“鼓包”现象;轭部饱和是造成2NS模式下电流不对称现象的主要原因,提出了不对称角度控制策略和提高轭宽比两种方法降低2NS模式下的电流不对称现象。5.轭宽比的增加导致电机重量增加,针对此提出了一种定子不等轭的电机结构,该结构下的六相SRM电流不对称现象显著降低,且定子重量降低了11.2%。6.六相SRM正常运行时NS模式启动转矩大,效率高,但是故障运行时2NS模式容错性能较高。基于此,提出了一种六相SRM单绕组驱动的模块化变极性控制方法,即系统正常运行于NS模式,缺相时实现NS模式与2NS模式的切换,提高系统的容错性能。研制了原理样机并构建了实验平台对上述研究内容进行了相关的实验验证。实验结果显示,本文提出的极性判定方法能够实现电机极性的快速判定;降低导通宽度时,NS模式下的“鼓包”明显减小;采用不对称角度控制时,2NS模式下电流幅值相等,转矩脉动降低;利用H桥模块电路,实现了NS模式与2NS模式的切换,提高了系统的容错性能。构建了一台六相定子不等轭结构样机平台并进行了相关的实验,实验结果表明,该结构样机在降低电流不对称现象的基础上减轻了定子重量。
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