直线容错式人工心脏电机及其系统研究

克服传统血泵在血液破坏性、系统复杂度以及使用寿命等方面的缺陷，提出一种人工心脏用高可靠性、高性能直线电机，并研究其驱动控制技术。基于理论解析与有限元方法，研究不同拓扑结构、电磁参数对电机容错性能、损耗发热、边端效应以及功率/体积(质量)比的影响规律；计算分析系统温升和血液相容性情况；探索直线电机不同故障条件下的容错控制策略；研究故障状态下电机驱动系统的分析方法，建立磁场、电路的瞬态联合仿真模型，进行系统级仿真；构建基于dSPACE的数字化驱动控制系统实验平台，以及人工心脏循环仿真系统实验平台，进行相应的实验研究；提炼基础科学问题，探索直线电机驱动系统容错技术的一般性规律。本项目属电气工程和生物医学交叉学科的应用基础领域，通过本项目的实施，为人工心脏、电磁发射等高可靠性直线驱动领域的发展需要奠定理论与实验基础。

引入容错思想，设计了双定子永磁容错直线电机。采用动子内、外侧凸极齿整体错位1/4极距，通过优化设计使得动子内、外侧定位力成180°的关系，实现了定位.力互补抵消，提升了电机推力性能。设计了具有组合永磁体阵列的永磁直线游标电机。引入径向、切向组合式永磁阵列，实现了聚磁效应，提高电机推力密度；运用电枢电流引起的脉动力与定位力互相抵消，抑制电机推力波动。提出基于磁通反向结构的永磁容错直线电机。该电机引入容错齿定子设计，克服了传统磁通反向永磁电机漏磁大的弊端。电机具有结构简单、容错性能好的优点。提出了两相容错式磁通切换永磁直线电机结构。电机的电枢绕组和永磁体在磁路上是并联的，大大降低了绕组短路电流对永磁体工作点的影响。研究了永磁电机的容错控制策略。基于永磁容错电机采用集中式绕组结构具有相间解耦、容错能力强等优点，针对H桥和星形两种驱动拓扑结构，分别提出了电机的容错控制策略，并对两种容错控制策略进行了推导和对比分析。研究了电机短路和开路故障容错控制策略。提出了电机的谐波容错控制策略，分析电机反电势谐波分量，通过注入二次谐波电流，实现谐波量相互抵消，容错状态下电机能够保持正常运行时的性能。设计制造了试验样机，并进行了初步测试，实测数据与仿真结果具有较好的一致性，验证了理论分析的正确性。发表学术论文22篇，其中SCI收录6篇（5篇论文发表于IEEE Transactions汇刊）、Ei收录13篇；申请发明专利6件，其中2件已授权；成果获教育部技术发明一等奖。