谐波电流注入式高转矩密度多相永磁电机研究

现代交通和风力发电等新兴行业对电机的转矩密度、效率和可靠性等提出了更高要求。具有集中整距绕组的多相永磁电机，突破了传统正弦波电机的设计理念，也不同于方波电流供电的无刷直流电机，而是采用谐波电流注入法供电，能够有效提高转矩密度。由于它同时还具有可靠性高、效率高和转矩波动小等诸多优点，应用前景良好，备受国内外关注。本项目拟围绕这种高转矩密度多相永磁电机，针对现存关键问题，开展深入的理论和应用基础研究，为其工程化应用奠定基础。研究转矩密度与谐波电流的关系，提出任意相数多相永磁电机谐波电流注入量的确定方法；研究并提出非理想反电势多相永磁电机的高性能谐波电流注入控制策略；开展容错运行性能分析与容错控制技术研究，提出具有短路故障容错能力的高转矩密度多相永磁电机设计和控制方法；最终形成一套面向转矩密度最大化的多相永磁电机优化设计理论。通过研制样机，并进行综合性能测试，验证理论研究和仿真分析结果的正确性。

具有梯形波反电势的多相永磁电机可以通过注入特定次数的谐波电流来提高其转矩密度，在对电机体积和重量要求较高的场合有良好的应用前景。本项目以高转矩密度多相永磁电机及其驱动控制系统为研究对象，围绕现存关键问题，进行深入的理论、仿真分析和样机实验研究。.项目主要研究了转矩密度与谐波电流的关系，提出任意相数多相永磁电机谐波电流注入量的确定方法，并进一步分析了注入谐波电流对电机性能的影响。研究并提出多相永磁电机精确建模方法和高性能谐波电流注入控制策略。考虑空间谐波，建立了多相永磁电机基于有限元的精确相变量数学模型，并与传统多维d-q模型和场路耦合模型进行了仿真对比研究；将基于比例积分谐振控制器和基于电压空间矢量的滞环PWM控制技术应用于多相永磁电机，实现了高性能谐波电流注入的控制。开展了容错运行性能分析与设计以及容错控制技术研究，提出具有短路故障容错能力的高转矩密度多相永磁电机设计与控制方法。完善了面向转矩密度最大化的多相永磁电机电磁优化设计理论，总结了容错型谐波电流注入式高转矩密度多相永磁电机的基本设计原则；针对所提出的新型多相分数槽集中整距绕组永磁电机，研究了综合采用相移法和磁障法抑制绕组磁动势次谐波的方法；提出了采用准梯形永磁体提升电机转矩性能，并给出了永磁体形状优化的方法。最后，研制了两台试验样机和一套多相逆变器系统，并对多相永磁电机的转矩性能、谐波电流注入控制方法和短路容错性能进行了实验研究，验证了设计方案和控制方法的有效性。.通过本项目的研究，取得了一些创新性研究成果，已发表学术论文12篇，其中5篇被SCI收录，12篇均被EI收录；项目实施过程中，培养博士后1名、博士3名和硕士3名；研制了两台五相永磁电机试验样机和一套多相逆变器试验台架，达到了预期的研究目标。本项目研究工作和成果拓展和充实了电机设计和控制理论，可有助于高转矩密度永磁电机本体设计和控制技术的发展，并为解决实际应用中的问题奠定了必要的理论基础。