五相双转子永磁同步电机设计及其电磁特性研究

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1、五相双转子永磁同步电机设计及其电磁特性研究李玉猛2015年6月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540五相双转子永磁同步电机设计及其电磁特性研究作者姓名李玉猛学院名称自动化学院指导教师伍清河教授答辩委员会主席杨耕教授申请学位工学博士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月DesignandResearchonElectromagneticPropertiesofFive-PhaseDual-RotorPermanentMagnetSynchronousMotorCandidateName：LiY

2、umengSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyMentor:Prof.WuQingheChair,ThesisCommittee：Prof.YangGengDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行

3、的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要为了满足现代工业特别是航空航天及电动车领域，对驱动电机高功率密度、高可靠性的要求，本文提出了一种五相双转子永磁同步电机（five-phasedualrotorpermanentmagnetsynchronousmo

4、tor,FDRPM），其集双转子永磁电机和永磁容错电机的优点于一身，同时兼有高功率密度和高容错性的优势。对于这种复合结构电机，本文主要从以下几个方面进行了研究，并取得了一些有价值的成果。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FDRPM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FDRPM因结构特征引起的复合在一起的两电机的磁耦合问题进行了研究。通过有限元仿真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

5、间的磁解耦设计提供依据。在此基础上，利用粒子群-田口组合算法对FDRPM进行优化设计，通过对转子永磁体极弧系数和定子槽口宽度进行全局优化，使FDRPM在转矩波动最小时，获得了最大的平均转矩。其次，为了研究开路故障条件下定子磁动势和转矩之间的关系，借助绕组函数法和有限元法对比分析了定子磁动势主波的时空分布特征和电机的转矩性能，通过结果对比和构造等效电流幅值函数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。同时基于绕组函数，通过引入等效电流分析了开路故障时电机的转矩波动，提出了基于无扰磁动势的容错控制策略，并实现

6、了开路故障后电机的平稳运行，从而为该种电机的高可靠运行提供了主要参考。再次，为了研究开路故障引起的定子磁动势变化对转子损耗的影响，运用绕组函数法分析了定子磁动势的谐波分布，构建了转子损耗有限元分析模型。借助有限元仿真得到了磁动势谐波在转子上产生的涡流损耗，并给出了不同运行条件下转子损耗的分布规律，从而为该种电机的损耗温度特性的评估提供重要依据。最后，本文设计了FDRPM的测试系统，包括硬件设计和软件设计，并进行了电机实验。通过电气参数测试可知，电机样机的实际加工和理论设计基本相符；从空载反电势测试结果可知，电机的实际反电势和有限元分

7、析近似一致；经过比较空载和负载条件下的反电势，以及合成转矩大小可知，复合在一起的两电机基本上是磁解耦的。I北京理工大学博士学位论文另外，通过一相开路故障仿真实验可知，所提的控制策略能够实现开路故障容错控制。实验结果验证了本文提出的设计方法和计算方法的正确性与可行性，为电机的工程应用提供重要借鉴。关键词：五相双转子永磁同步电机；高功率密度；容错；磁解耦设计；优化设计；磁动势；转矩；转子损耗II北京理工大学博士学位论文AbstractInordertosatisfytherequirementsofhighpowerdensityand

8、highreliabilityforthedrivemotorsusinginthemodernindustry,particularlyinthefieldsofaerospaceandelectricvehicles,afive-