高功率密度双转子永磁容错电机系统的理论及关键技术研究

In this project, a high-power-density dual-rotor permanent- magnet fault-tolerant machine system will be researched. In order to increase the fault-tolerant capability, we will investigate the restricting law between the phases number,winding set and the fault-tolerant capability, the structure of the machine and its controller, and provide theoretical reference for selecting suitable phases number and winding set. The varying law of the power density with the power grade will be researched, and the suitable power grade range for this machine structure will be discussed. In order to improve the power density and the electromagnetic performance, it will be researched from the aspects of the reasonable space and power distributuion of the inner and outer machine, the optimal choice of the structure of stator and rotor, the ultimate application of materials, and so on. The mutual influence laws between the electromagnetic properties, mechanical structure and cooling conditions are also investigated. According to different winding connection, the multidimensional decoupling mathematical models at different states will be established with considering the electromagnetic coupling between the inner and outer layers windings. In order to solve force fighting caused by dual structure，the control method to make the inside and outside machines work coordination will be researched. In order to make the machine operates with high-power-density and high-fault-tolerant capability, the optimal control strategies for different operate states will be investigated. The experimental research will be carried out. Based on the theory and experimental research, the special theory and practical analysis and design method for this kind of machine system will be summarized.

本项目拟研究一种高功率密度双转子永磁容错电机系统。为了提高电机的容错性，研究电机相数、绕组形式与电机容错能力、电机及控制器结构的相互制约规律和对电机解耦特性的影响，为绕组形式与相数选择提供理论依据；研究功率密度随功率等级的变化规律，确定最适合此结构的功率等级范围；为了提高电机功率密度和电磁性能，研究内外电机的功率和空间合理分配、定转子磁结构的优化选择、材料的极限应用等，研究电机的电磁性能与机械结构和散热技术等各方面因素的相互影响规律；针对电机不同的绕组连接方式，建立不同状态下考虑内外层绕组电磁耦合问题的电机多维解耦数学模型；针对双转子结构带来的内外侧电机运行时的力分争问题，研究内外电机的协调工作的控制方法；为了使电机实现高功率密度、高容错能力运行，研究正常运行时及不同故障状态下的最佳控制策略；并进行相应的实验研究。通过理论和实验研究，形成该种类型电机系统的专门理论和工程实用的分析设计方法。

本课题提出的高功率密度双转子永磁容错电机集多相永磁容错电机和双转子电机的优点于一身，定子绕组内外两层绕组可采用串联或并联形式，还可以根据需求进行连接方式的切换，容错能力及适用性可进一步增强，电机运行时相当于内外两台电机同时工作，转轴上输出的是等效的内外两电机的力矩和。该电机方案不仅具有极高的容错性能，其功率密度也大为提高，可同时满足现代设备对高功率密度和高容错性、高可靠性的要求。本课题从以下几方面展开了研究：. 首先，针对定子内外两套绕组的串联连接和并联连接，在考虑两套绕组之间的互感矩阵条件下分别建立了高功率密度双转子永磁容错电机的数学模型，为实现复合两电机的独立控制提供了理论基础。同时，针对高功率密度双转子永磁容错电机因结构特征引起的复合在一起的两电机的磁耦合问题，分析了不同工作条件下定子绕组结构、永磁体充磁类型和定子轭厚对磁耦合的影响规律，为内电机单元和外电机单元之间的磁解耦设计及高容错设计提供依据。.其次，双转子永磁容错电机高功率密度的优化设计，研究了五种不同功率等级电机，给出了长径比对不同功率等级电机电磁性能的影响规律及功率密度等性能随电机等级的变化规律。研究了电机在自然条件和不同风速下的温升特性，并给出了其变化规律。研究了电机在不同负载条件下的机械特性，并给出定子形变量和应力强度的变化规律。. 再次，借助绕组函数法和有限元法对比分析得出了开路故障条件下定子磁动势主波幅值波形与电机转矩波形的相似性关系。分析了电机在串联和并联两种不同的驱动方式下各种开路故障类型的容错控制策略，实现了开路故障后电机的平稳运行，设计了电机驱动控制器的软硬件方案，为该种电机的高可靠运行提供了重要参考。. 最后，搭建了双转子永磁容错电机系统样机实验平台，通过电气参数，空载反电势、转矩特性、温升特性等实验研究，验证了本课题提出的设计方法和计算方法的正确性与可行性，为电机的工程实用提供重要借鉴。