極端環境永磁電機及其驅動控制系統的關鍵基礎問題

《極端環境永磁電機及其驅動控制系統的關鍵基礎問題》是依託哈爾濱工業大學，由鄒繼斌擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：極端環境永磁電機及其驅動控制系統的關鍵基礎問題
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：鄒繼斌

項目摘要

極端環境電機系統指可以在環境溫度和壓強大範圍變化條件下工作的電機驅動與控制系統，是深空、深海、深地等極端探測與開發領域的關鍵與基礎部件。極端環境給電機系統帶來新的問題，內部物理現象和過程發生變化，電磁場、流體場、損耗、溫度場、應力場之間的耦合問題突出，材料及器件特性發生變化，參數非線性變化，電機系統特性發生變化，驅動與控制策略複雜。課題將針對極端環境下永磁電機的基本理論問題及關鍵技術進行系統的研究，主要內容包括：極端環境電機的電、磁、熱、流體、應力場的分析與計算；極端環境下機電材料與器件特性演化規律及模型；發熱散熱機理及熱平衡方法；極端環境條件下永磁電機設計準則和最佳化設計；極端環境電機驅動控制技術。研製出能在-100℃～180℃溫度範圍、真空～140MPa壓強範圍工作的永磁電機系統。課題將揭示極端環境下電機系統特性的變化機理和規律，形成系統的理論與技術體系，極大地提高電機系統的環境適應性。

結題摘要

極端環境電機是複雜的電磁系統，涉及多學科，且由於工作環境的特殊性，很多常規設計手段和所用材料的特性均發生了很大的改變，這都給極端環境電機的研髮帶來了極大的考驗。為了設計出適合運行在極端環境的電機系統，本研究首先對高低溫、真空至高壓強環境下材料特性測量方法和典型性能參數變化規律與影響機理以及材料特性的非線性和耦合特性的精確描述方法進行了深入的研究。確定了高溫高壓等極端環境中材料的變化特性，並據此研究了高壓環境中永磁電機內的電磁損耗。並對高壓環境充油電機內流體損耗的機理及計算方法做了詳細的研究，特別是針對真空環境和高壓環境下電機溫度場的分布情況，做了深入的分析。同時研究了極端高壓環境永磁電機各物理場之間的耦合關係。並建立了適合高壓極端環境運行電機的設計準則並成功研製了樣機。對極端環境下永磁電機驅動器的設計進行分析研究。詳細研究了電機系統參數、狀態與運行條件之間的匹配關係，電機系統性能綜合最佳化的控制策略，以及電機系統的安全運行機制。所設計的針對極端環境的無刷直流電機可能存在續流角過大的問題。這會導致電機的長時間換相續流，從而出現轉矩波動、機械振動和噪聲等問題。因此，深入研究了各種因素對無刷直流電機換流的影響，為電機設計提供依據。為了電機在極端環境下的安全運行，需要研究單電流感測器方法。針對現有方法控制算法複雜、電流畸變嚴重、低轉速運行性能差等問題，提出了一種新型的相電流重構技術——零電壓矢量採樣法。同時，提出一種基於零電壓矢量採樣法的功率管開路故障診斷方法。針對極端環境，提出了兩種最佳化的控制策略。對於無刷直流電機控制系統，對換相續流可控的驅動電路拓撲進行了研究。首先從理論上證明了逆變器直流母線電壓分段控制對換相續流角的實時調節作用；然後構造了雙極性C-dump變換器。對於永磁同步電機控制系統，對不同拓撲結構的容錯控制策略進行分析，提出一種基於零電壓矢量法的三相四開關容錯控制策略。