基于环形绕组结构的多相大容量无刷直流电机转矩脉动抑制技术研究

Integrated Power System (IPS) technology is another profound revolution for vessel power platform. After the successful development of integrated full electric propulsion (IFEP) using advanced induction machines (AIM), the next-generation IFEP is trending towards using permanent magnet machines as the primary propulsion motor. Compared to the state-of-the-art permanent magnet synchronous machines (PMSM), permanent magnet brushless dc machines (BLDC) have higher torque density, lower vibration and noise at high frequencies, and more simple control. However, the high torque ripple of the BLDC machine significantly limits its application in high-power and high-performance propulsion areas. By reexamining and rethinking topologies of the BLDC machine, this project proposes using the multiphase arrangement, and a circular winding topology that is similar to the armature windings in traditional DC machines, to reduce the torque ripple of BLDC machine. By studying optimal combinations of the number of poles, slots, and phases in a fractional-slot circular winding brushless dc machine (CWBLDC), and solving the load commutation and forced commutation problems, the CWBLDC machine can match the torque smoothness of a PMSM, thus eliminating the greatest hurdle of applying BLDC to high-power high-performance applications. The technology proposed in this project can be readily extended to many other electric traction and propulsion systems at various power levels, and exhibits significant academic, military and economic values.

综合电力技术是舰船动力平台的又一次深刻变革。继先进感应电机（AIM）成功应用于全电舰船推进系统之后，永磁电机已成为下一代全电舰船推进系统的主要发展方向。与目前主流的永磁同步电机（PMSM）技术相比，永磁无刷直流电机（BLDC）的转矩密度更高，高频振动噪声更小、控制更为简单，但是由于其转矩脉动过大，严重限制了其在中大容量高性能传动领域的应用。本项目从BLDC电机的拓扑结构入手，提出了利用多相化和类似于传统直流电机的环形绕组结构来抑制BLDC转矩脉动的新思路。通过开展分数槽CWBLDC的最优极数、槽数、相数设计技术研究，以及CWBLDC的负载换向与强迫换向控制技术研究，可将电机的转矩品质提高至PMSM的同一水平，排除无刷直流电机用于大容量高性能推进场合的最大障碍。相关技术可推广至其他各功率等级的电力牵引和推进系统，具有很高的学术价值、重大的军事意义和社会经济效益。

环形绕组无刷直流（CWBLDC）电机是一种新型的多相无刷直流（BLDC）电机，其各相绕组为环形连接，采用电子换向器进行换向，具有转矩密度高、无需PWM供电等先天优势，在大容量舰船推进领域具有良好的应用前景。但是，无刷直流电机一般都存在转矩脉动较大的问题，因此本课题围绕CWBLDC的这一瓶颈问题开展研究。.首先，深入分析了CWBLDC电机的工作原理，揭示了CWBLDC转矩脉动的主要成因是其换向转矩脉动。基于此发现，创新性的提出了采用分数槽绕组抑制换向转矩脉动的思路，在保持电机槽数基本不变的情况下，可大幅增加电机相数，将各相绕组的换向时间错开，有效降低了电机的换向转矩脉动，并通过场路耦合仿真进行了验证。.随后，深入研究了CWBLDC电机的低转矩脉动控制技术，提出了负载换向方法，采用晶闸管等半控器件构成换向电路，通过绕组自身反电势实现相电流的换向。同时，提出了一种基于电机拓扑周期变换的负载换向解析分析方法，实现了负载换向过程的精确分析。利用此方法分析了电机的稳态性能析，发现电机在负载换向下存在重载时功率因数低的问题，不利于转矩密度的提高。为此，又提出了基于全控开关的混合换向方法，并推导了CWBLDC电机的动态数学模型，结合电路仿真软件，实现了混合换向过程的高效准确分析。利用此分析模型，研究了混合换向控制参数对电机电磁转矩性能和功率因数的影响规律。.最后，深入研究了CWBLDC电机的低转矩脉动设计技术，系统归纳了CWBLDC的极槽配合及环接方式，分析了电机齿槽转矩和负载电流转矩的产生机理，揭示了不同极槽配合和环节方式对负载电流转矩的影响规律。在前述电机动态模型和电磁转矩性能分析的基础上，提出了一种综合考虑电机结构参数和控制参数的CWBLDC电机的多目标优化设计方法。本课题的研究成果，扫除了CWBLDC电机用于大容量高性能推进场合的最大障碍，具有较高的学术价值。.