新型高转矩密度无源转子容错横向磁通电机的基础研究

Fault tolerant motor is one key technology of the more-electric/ all-electric aircraft. The fractional-slot concentrated winding permanent magnet motors (PMMs) are adopted in most aircraft fault tolerant drives. The large winding inductances are required to limit the short circuit current. With the fractional-slot concentrated winding PMM, there are two ways to realize the large inductances. The first one is to increase windings turns and to reduce the flux. The other one is to increase the slot leakage inductance. Both methods are not good for the high torque density. The transverse flux motor (TFM) shows naturally not only the physical isolation between phases, but also large phase inductances. The project will research in-depth the fault tolerant TFM based on the proposed passive rotor topology. The electromagnetic characteristics of the single phase structure will be studied by the magnetic circuit method and 3-D finite element analysis. The optimal design method for the specified phase inductance will be concluded. The modular unit of the fault tolerant TFM is proposed to improve power factor. The interaction rules between the adjacent phases will be discovered by 3-D simulation. Then the fault tolerant TFM structure can be determined. The coupling asymmetry among the phases of the proposed high torque density passive rotor TFM will be analyzed, and the TFM simulation model for control system will be setup. The power/loss balanced algorithm between channels with the normal and fault situations are proposed and will be realized. Finally, the test stand will be built to verify the theory and method in this project. The comparison with the fractional-slot concentrated winding PMM will also be conducted. The project will lay the theoretical and application foundation for independent innovation of the aircraft fault tolerant motor technology.

容错电动机属于多电/全电飞机的关键技术。分数槽集中绕组永磁电机是目前航空容错电动机采用最多的拓扑，但它要通过增加匝数、减小磁通或加大槽口漏感来增大相电感，以限制短路相电流，从而制约了电机的转矩密度。横向磁通电机天然实现了各相绕组间的物理隔离，相电感大，本项目提出无源转子横向磁通电机新型拓扑，采用磁路计算和三维有限元相结合，研究新型拓扑单相结构的电磁特性，总结理想相电感的优化设计方法；提出并研究改善功率因数的容错横向磁通电机单元结构，通过三维场仿真分析，揭示相邻两相之间的相互影响规律，进而确定容错横向磁通电机的系统结构；考虑多相容错横向磁通电机的相间耦合不对称性，建立电机本体的控制模型，针对正常运行情况研究各通道间的功率平衡控制策略，针对故障情况提出损耗平衡控制策略，构建系统平台进行对比研究与实验验证，从而为自主创新的飞机容错电动机技术奠定理论和应用基础。

多电/全电飞机是现代飞机的发展趋势，而容错电动机是多电/全电飞机上的关键技术。本项目利用横向磁通电机（TFM）天然具备各相绕组间物理隔离的特性，研究具有容错能力的横向磁通永磁电机（TFPMM）。主要研究内容包括：（1）电机拓扑方面。在环形绕组无源转子TFPMM新型拓扑的基础上，提出双环形绕组的单元结构，在提高反电动势的同时，减小绕组的等效电感，改善功率因数；针对环形绕组TFPMM需要通过增加轴向尺寸获得多相结构电机的不足，提出轴向磁通TFPMM的新拓扑，并在此基础上提出径向-轴向磁通TFPMM，充分利用径向气隙和轴向气隙提高电机的转矩密度，为高转矩密度电机的研究提供了一个思路；在TFPMM的研究基础上，提出具有磁场调节能力的混合励磁TFM。（2）电机特性分析方面。利用ANSYS搭建电机本体模型，针对内转子结构电机进行电磁场和应力场分析，包括对电机电磁特性三维有限元分析、发电短路分析、空载漏磁分析、电磁力分析以及电机转子机械强度分析。（3）电机优化设计方面。针对利用动态等效磁网络对电机进行优化精度较差的问题，提出结合响应面建模的粒子群优化算法对外转子TFPMM进行优化。针对粒子群算法引起电机齿槽转矩增大的问题，提出一种通过转子齿偏移来削弱齿槽转矩的方法，并通过增大齿宽以补偿由于转子齿偏移带来的转矩减小的问题。（4）控制技术方面。对TFPMM电机控制策略进行研究，以内转子结构TFPMM为例，本项目利用simulink搭建双闭环控制系统，对空间矢量控制、三电平滞环控制以及直接转矩控制三种控制策略进行研究，实现了TFPMM在稳态、加卸载及单相故障状态均可稳定运行；以此为基础搭建了双通道控制系统，针对双通道系统两套控制器不同步问题加入均流环节，验证了电机在起动过程、动态加卸载过程的均流效果，并对通道之间存在速度、电流等采样误差的情况进行了仿真分析；仿真还表明双通道控制系统在故障切除时也具有良好的控制效果。（5）样机与实验。完成样机加工制造和控制器的软硬件设计，并完成发电和电动实验，为进一步研究更高转矩密度的电机创造了条件。