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电动机在驱动领域的应用越来越广泛,可靠性问题是影响其在各领域进一步应用的重要因素。因此,研究提高系统可靠性的策略,减少或避免因故障造成的损失,具有十分重要的现实意义。定子永磁型电机是一类新型的永磁无刷电机,不仅具有效率高、功率密度高等传统转子永磁型电机的诸多优点,而且更兼具转子结构简单、坚固以及永磁体易于散热等优点,具有较好的应用前景。本文以定子永磁型电机为研究对象,分别基于单极性永磁磁链、双极性永磁磁链、模块化结构、冗余结构等多种电机结构,系统性地研究了该类电机的可靠性技术相关问题,提出了新型容错式电机结构和容错控制策略,进行了实验分析和验证,为该类电机在航空航天、军事装备、矿井轧钢等对系统效率和连续运行有较高要求的领域的应用奠定了基础。论文主要研究成果包括以下几个方面:
1.对定子永磁型电机进行故障分析,揭示出定子永磁型电机兼具容错电机的特点,即电路、磁路各相独立性较高。
2.研究了具有单极性永磁磁链的定子永磁型电机——双凸极永磁(DSPM)电机的容错控制策略。基于二相、三相、四相电机结构,考虑其空载反电势特性(梯形波或正弦波),分别提出了容错控制策略。
3.研究了具有双极性永磁磁链的定子永磁型电机——磁通切换永磁(FSPM)电机的容错控制策略。建立了基于转子坐标系的电机数学模型,提出了基于定子磁场定向的容错矢量控制策略。
4.提出了具有模块化结构的新型定子永磁型电机——模块化磁通切换永磁(M-FSPM)电机。建立了有限元分析模型,研究了该种电机的静态特性,如空载永磁磁链、空载反电势、电感以及定位转矩等。
5.提出了具有冗余结构的新型定子永磁型电机——双通道磁通切换永磁(DC-FSPM)电机。分析了绕组结构特点以及电磁特性,基于谐波转矩相互抵消的原则,提出了适用于该种电机结构的容错控制策略。
6.建立了多种定子永磁型电机驱动控制系统的场路耦合仿真模型,为电机驱动系统的故障分析提供了良好的仿真平台。
7.构建了基于DSP的电机数字驱动控制系统,设计了软硬件驱动电路,编制了控制系统软件程序,实验验证了多种定子永磁型电机的容错运行,为开发出高可靠性、高效率电机驱动系统提供了实验基础。