諧波電流注入式高轉矩密度多相永磁電機研究

《諧波電流注入式高轉矩密度多相永磁電機研究》是依託華中科技大學，由周理兵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：諧波電流注入式高轉矩密度多相永磁電機研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周理兵
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

現代交通和風力發電等新興行業對電機的轉矩密度、效率和可靠性等提出了更高要求。具有集中整距繞組的多相永磁電機，突破了傳統正弦波電機的設計理念，也不同於方波電流供電的無刷直流電機，而是採用諧波電流注入法供電，能夠有效提高轉矩密度。由於它同時還具有可靠性高、效率高和轉矩波動小等諸多優點，套用前景良好，備受國內外關注。本項目擬圍繞這種高轉矩密度多相永磁電機，針對現存關鍵問題，開展深入的理論和套用基礎研究，為其工程化套用奠定基礎。研究轉矩密度與諧波電流的關係，提出任意相數多相永磁電機諧波電流注入量的確定方法；研究並提出非理想反電勢多相永磁電機的高性能諧波電流注入控制策略；開展容錯運行性能分析與容錯控制技術研究，提出具有短路故障容錯能力的高轉矩密度多相永磁電機設計和控制方法；最終形成一套面向轉矩密度最大化的多相永磁電機最佳化設計理論。通過研製樣機，並進行綜合性能測試，驗證理論研究和仿真分析結果的正確性。

結題摘要

具有梯形波反電勢的多相永磁電機可以通過注入特定次數的諧波電流來提高其轉矩密度，在對電機體積和重量要求較高的場合有良好的套用前景。本項目以高轉矩密度多相永磁電機及其驅動控制系統為研究對象，圍繞現存關鍵問題，進行深入的理論、仿真分析和樣機實驗研究。 項目主要研究了轉矩密度與諧波電流的關係，提出任意相數多相永磁電機諧波電流注入量的確定方法，並進一步分析了注入諧波電流對電機性能的影響。研究並提出多相永磁電機精確建模方法和高性能諧波電流注入控制策略。考慮空間諧波，建立了多相永磁電機基於有限元的精確相變數數學模型，並與傳統多維d-q模型和場路耦合模型進行了仿真對比研究；將基於比例積分諧振控制器和基於電壓空間矢量的滯環PWM控制技術套用於多相永磁電機，實現了高性能諧波電流注入的控制。開展了容錯運行性能分析與設計以及容錯控制技術研究，提出具有短路故障容錯能力的高轉矩密度多相永磁電機設計與控制方法。完善了面向轉矩密度最大化的多相永磁電機電磁最佳化設計理論，總結了容錯型諧波電流注入式高轉矩密度多相永磁電機的基本設計原則；針對所提出的新型多相分數槽集中整距繞組永磁電機，研究了綜合採用相移法和磁障法抑制繞組磁動勢次諧波的方法；提出了採用準梯形永磁體提升電機轉矩性能，並給出了永磁體形狀最佳化的方法。最後，研製了兩台試驗樣機和一套多相逆變器系統，並對多相永磁電機的轉矩性能、諧波電流注入控制方法和短路容錯性能進行了實驗研究，驗證了設計方案和控制方法的有效性。 通過本項目的研究，取得了一些創新性研究成果，已發表學術論文12篇，其中5篇被SCI收錄，12篇均被EI收錄；項目實施過程中，培養博士後1名、博士3名和碩士3名；研製了兩台五相永磁電機試驗樣機和一套多相逆變器試驗台架，達到了預期的研究目標。本項目研究工作和成果拓展和充實了電機設計和控制理論，可有助於高轉矩密度永磁電機本體設計和控制技術的發展，並為解決實際套用中的問題奠定了必要的理論基礎。