【摘 要】
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永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM）本身具有高效率、高功率密度、低振动噪音等优势,在电气化交通、航空航天、国防军工等战略性高端领域逐渐被重视,其可靠性研究成为多领域研究热点。多余度和多相技术是提高永磁电机系统可靠性的两种主要技术途径,其本质上均是提高电机系统的冗余度,保障电机系统在故障状态下的平稳运行。综合系统成本、故障率和故障运行功率
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永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM）本身具有高效率、高功率密度、低振动噪音等优势,在电气化交通、航空航天、国防军工等战略性高端领域逐渐被重视,其可靠性研究成为多领域研究热点。多余度和多相技术是提高永磁电机系统可靠性的两种主要技术途径,其本质上均是提高电机系统的冗余度,保障电机系统在故障状态下的平稳运行。综合系统成本、故障率和故障运行功率,本课题以分数槽集中绕组五相永磁同步电机为研究对象。首先,本文提出并详细分析了定子齿偏移永磁容错电机（Permanent Magnet Fault-Tolerant Machines with Stator Tooth Offset,PMFTM-STO）结构形式及特点,通过容错齿结构和单/双层绕组设计,增加了电机相自感,降低了相与相之间的互感,从而提高了永磁电机的容错能力。研究了该电机的极槽配合和裂比对绕组系数、空载特性、负载特性以及径向电磁力的影响。在此基础上,提出偏移电枢齿及其齿靴的方法,充分利用了电枢槽面积,提高了电机的输出转矩,降低了转矩脉动。其次,对比分析了PMFTM-STO、传统永磁电机（Traditional Permanent Magnet Machine,TPMM）和传统隔齿绕永磁容错电机（Traditional Permanent Magnet Fault-Tolerant Machine with Alternative Teeth,PMFTM-AT）的基本电磁性能,包括空载反电势及其谐波、空载气隙磁密及其谐波、转矩能力、径向电磁力和效率等。其中转矩能力的对比包括了额定负载能力、过载能力,以及在恒电流幅值条件下,三种电机在注入三次谐波电流后电机输出转矩的对比。然后对三种电机的容错能力进行了深入分析,包括了磁隔离能力和抑制短路电流能力。分别建立了PMFTM-STO的匝间短路、绕组端部短路的等效电路模型和短路电流数学表达式,并结合有限元仿真软件,分析了短路匝数、槽口设计、短路匝位置对短路电流幅值的影响以及绕组端部短路对电机反电势和转矩的影响。在PMFTM-STO定子结构基础上,通过分析电机自感对短路电流幅值的影响,采用了交替极转子进一步抑制其匝间短路电流。最后,加工了PMFTM-STO及其交替极转子结构的两台实验样机,对样机进行静态和动态实验,验证了其转矩能力。并进行磁隔离实验和短路电流实验,验证了其容错能力。实验结果与理论分析、仿真结果相比有良好的一致性。
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