永磁/磁阻混合转子双定子模块化低速大转矩同步电机系统关键问题研究

At present, the widely used low-speed large-torque transmission equipments mostly adopt the driving mode by the “normal-speed motor + reduction gear mechanism”, which has the disadvantages of large size, high maintenance cost, low system reliability and operating efficiency, and so on. The direct drive mode of canceling deceleration mechanism is an inevitable choice to develop high-end equipment and improve machine system performance in the future. Permanent magnet synchronous machine has a broad application prospect in low-speed large-torque direct drive system because of its outstanding advantages such as simple structure, reliable brushless, high efficiency and power factor, large starting torque and wide economic operation range. To further improve this machine performance, this project proposes a low-cost, low-torque pulsation, high-efficiency and high-torque density dual-stator modular low-speed large-torque synchronous machine with permanent magnet/reluctance hybrid rotor and its vector control system. Plan to comprehensively and deeply study the key fundamental issues such as the dual-stator single-rotor modular structure design and mechanical performance analysis, the novel hybrid rotor design theory and optimization, and the high-response strong-robust sensorless vector control strategy for this type of machine system. A complete theoretical system and analysis design method for this type of machine and its speed control system are formed through theoretical and experimental analysis. This subject is not only oriented to the national major demand, but also contains abundant scientific issues, which has important scientific significance and engineering value.

目前广泛应用的低速大转矩传动装备大多采用“常速电机+减速齿轮机构”的驱动方式，存在体积庞大、维护成本高、系统可靠性和运行效率低等缺点，取消减速机构的直驱方式是未来发展高端装备、提升电机系统性能的必然选择。永磁同步电机具有结构简单、无刷可靠、效率和功率因数高、起动转矩大、经济运行范围宽等突出优良性能，在低速大转矩直驱系统中应用前景十分广阔。为进一步提高该种电机的运行性能，本项目提出一种低成本、低转矩脉动、高效、高转矩密度的永磁/磁阻混合转子双定子模块化低速大转矩同步电机及其矢量控制系统，拟对该种电机系统的双定子单转子模块化结构设计与机械性能分析、新型混合转子设计理论与优化、高响应强鲁棒无位置传感器矢量控制策略等关键基础问题进行全面深入研究，通过理论与实验分析，形成该种电机及其调速控制系统完整的理论体系和分析设计方法。本课题既面向国家重大需求又蕴含丰富的科学问题，具有重要的科学意义和工程价值。

目前广泛应用的低速大转矩传动装备大多采用“常速电机+减速齿轮机构”的驱动方式，存在体积庞大、维护成本高、系统可靠性和运行效率低等缺点，取消减速机构的直驱方式是未来发展高端装备、提升电机系统性能的必然选择。永磁同步电机具有结构简单、无刷可靠、效率和功率因数高、起动转矩大、经济运行范围宽等突出优良性能，在低速大转矩直驱系统中应用前景十分广阔。为进一步提高该种电机的运行性能，本项目提出研究一种低成本、低转矩脉动、高效、高转矩密度的永磁/磁阻混合转子双定子模块化低速大转矩同步电机及其矢量控制系统，对该种电机系统的双定子单转子模块化结构设计与机械性能分析、新型混合转子设计理论与优化、高响应强鲁棒无位置传感器矢量控制策略等关键基础问题进行了全面深入研究，为该种电机系统在高效节能高端装备等领域的推广应用提供了理论与技术支撑。.主要研究内容如下：.（1）基于混合转子双定子低速大转矩同步电机的结构特点与运行机理，提出了一套该种电机主要尺寸设计原则和电磁性能计算方法，以及永磁/磁阻混合转子结构参数选取原则和优化方法，为该种电机的设计与优化提供了技术支撑；.（2）研究了该种电机的模块化设计技术、装配和绕组排布方案，并基于结构受力和形变分布规律，提出了其机械结构和装配方式，为大型模块化低速大转矩直驱电机的研制与推广提供了实现依据；.（3）推导了该种电机的空间矢量数学模型、电磁转矩和功率等表达式，提出了适用于该种特殊电机的最大转矩电流比控制方法，并实现了无传感器控制技术，为深入研究其调速系统设计与性能提升夯实了理论基础；.（4）研制了一套46.7kW实验样机系统，完成了电机参数、性能、温升等测试，验证了所提出电机系统分析理论与方法的正确性和有效性，通过理论与实验研究，形成了该种电机及其控制系统较为完整的理论体系和分析设计方法。.依托本项目研究，发表学术论文22篇，其中被SCI/EI检索收录14篇；获授权国家发明专利5项、实用新型专利10项、软件著作权2项，申请并已公开国家发明专利5项；获得中国机械工业科技进步一等奖1项；培养博士生2名，硕士生15名，其中8名硕士生已顺利毕业。