多相电机电磁耦合特性分析及驱动技术研究

多相电机系统（Mutliphase Machine）泛指电机相数大于3的交流电机驱动系统。它与传统三相电机驱动系统相比具有十分突出的优点，特别适合于舰船推进、电动车辆、航空航天等低压、大功率、高可靠性要求的驱动应用场合。由于系统中相数增加，多相电机驱动系统突出的难题是系统中电、磁量的时间谐波和空间谐波之间存在着与相数、定转子结构相关的强电磁耦合，同时带来了控制方面的强耦合。本项目以电机内时空谐波之间的耦合为焦点，采用有限元分析与实验测试结合的方法来研究不同的电机结构型式与耦合的关系以及耦合对电机系统性能的影响；以此为基础建立多相电机驱动系统数学模型，提出电机优化设计准则；进一步研究高阶强耦合多相电机系统的多相多维PWM技术与解耦矢量控制方法，完善多相电机控制技术的理论体系；同时相关研究成果也能为类似机电系统的耦合问题研究提供指导。

本项目的目标是通过对多相电机电磁耦合、数学模型、PWM技术和控制策略等几方面的研究，为多相电机系统的推广提供理论基础。首先，研究多相电机电磁耦合影响因素，探索多相电机电磁耦合成因及其对电机性能的影响，并在此基础上，提炼多相电机优化设计方法及建立以相数为自变量的多相电机稳态、动态数学模型。其次，研究多相PWM技术，找到适用于多相电机系统的低谐波含量PWM技术。最后，在多相电机数学模型的基础上，研究多相永磁同步电机矢量控制策略，解决多相永磁同步电机矢量控制的解耦问题。.研究内容包括四个方面：多相永磁电机电磁耦合的成因及其表现形式，多相永磁电机系统优化设计；多相电机稳态、动态数学模型研究；多相电机PWM技术研究；多相永磁同步电机矢量控制策略研究。解决的关键科学技术问题有：研究多相电机电磁耦合影响因素，揭示了电机内部电磁耦合的成因及其对电机性能的影响，提炼出了可以指导多相电机优化设计的重要结论；建立了多相电机多维正交空间数学模型，求取了表贴式对称十五相永磁同步电机的模型参数；研究了多相电机PWM技术，提出了降低驱动器谐波的PWM技术；提出了一种谐波平面矢量控制技术，解决了永磁同步电机在采用矢量控制时的解耦和谐波问题。.取得的成果和创新点包括：1）通过对多相电机绕组磁动势的分析，揭示了电磁耦合的成因，通过对目标电机进行有限元的建模仿真，研究了电磁耦合的已知影响因素（相数与供电方式、中性点的接法、极槽匹配于绕组排布）对电机性能（转矩脉动以及损耗）的影响。得到结论，多相电机可通过增加相数、极槽数及中性点的选择来减少内部谐波磁场的含量，降低电机的损耗和转矩脉动。基于多相电机电磁耦合影响因素的研究，提出了多相电机优化设计思路，即从相数、极槽数以及中性点的选择上达到对多相电机性能的优化，该项内容的研究为多相电机的优化设计提供了理论基础。2）建立了能够体现电磁耦合特性的以相数为自变量的多相传动系统的稳态和动态数学模型，采用绕组函数法求取了表贴式对称十五相永磁同步电机的模型参数，通过广义Park变换，得到了该类电机的多维正交空间数学模型。得到结论，表贴式对称永磁同步电机的定子电感矩阵是一个常数对称循环阵，电磁转矩中没有磁阻转矩一项。在表贴式对称15相永磁同步电机的多维正交空间数学模型中，电机的电感矩阵是一个对角阵，电机可以看成是7个独立的隐极式电机的叠加。3）研究了三种适用于多相电机控制系