题目：同心双定子三余度无刷直流电动机研究

同心双定子三余度无刷直流电动机（Double Stator Tri-redundant Brushless DC Motor）是为了提高功率密度和动态响应而提出的一种新型结构的多余度电机，以其高功率密度、高动态响应和高可靠的特点在航空、航天领域的机电作动系统和其他伺服平台上有广阔的应用前景。本文以适用于270V高压直流供电体制的多电/全电飞机机电作动系统用同心双定子三余度无刷直流电动机为研究对象，对该电机的设计方法，稳、动态性能以及多余度电机故障期间和余度切换期间的过渡过程做了研究。论文的主要工作内容和研究成果如下：（1） 在对现有多余度电动机分析的基础上，提出了一种新型结构的多余度电机——同心双定子三余度无刷直流电动机。该电机由磁路串联的内、外两个同心定子和一个杯形转子构成，外定子布置两套空间相差30°电角度的三相绕组，内定子布置一套三相绕组，构成三个非相似余度。（2） 采用多物理场综合设计法对同心双定子三余度无刷直流电动机做了设计研究。通过同心双定子三余度无刷直流电动机的主要尺寸公式确定了电机的基本结构尺寸，从而建立了电机的二维电磁场有限元模型。基于二维电磁场有限元模型对同心双定子三余度无刷直流电动机的空载磁场和电磁参数做了计算，对该电机的磁路优化问题做了研究，研究内容包括：齿槽转矩的优化，转子保护套筒材料和厚度对电机电磁性能的影响等。通过研究确定采用内定子齿面开槽的方式来削弱电机齿槽转矩。对电机内的损耗做了分析，其中定子铁心损耗和转子涡流损耗通过瞬态电磁场计算得到。将电机的损耗作为其热场的激励，对同心双定子三余度无刷直流电动机的三维温度场分布和热流分布做了计算，研究表明内定子散热通路的设计是这种电机热设计的关键。在对现有同心双定子电机结构分析的基础上确定了本文所述高速同心双定子三余度无刷直流电动机的支撑结构和转子结构。对离心力和径向磁拉力双重作用下的杯形转子结构力学场（应力、形变、模态）做了计算，通过计算确定了转子保护套筒的设计参数。（3） 建立了同心双定子三余度无刷直流电动机的数学模型，对同心双定子三余度无刷直流电动机的稳、动态性能做了分析和实验验证。给出了同心双定子三余度无刷直流电动机正向旋转时相绕组的导通时序；通过静态电磁场计算了电机的电感；引入耦合系数矩阵及其矩阵范数对同心双定子三余度无刷直流电动机余度间的耦合程度做了评价。通过时步有限元法对同心双定子三余度无刷直流电动机不同工作模式下的输出转矩和电磁转矩做了计算，给出了每种工作模式下电机的电磁转矩系数。利用同心双定子三余度无刷直流电动机的数学模型搭建了其系统仿真模型，其中电机数学模型中的参数通过实时查询电机等效电路模型静态链接库获得。通过系统仿真模型，对同心双定子三余度无刷直流电动机不同工作模式下的阶跃响应和频率响应做了仿真，仿真结果表明，同心双定子三余度无刷直流电动机具有高动态响应能力，各种工作模式下都能满足系统的动态性能要求。搭建了同心双定子三余度无刷直流电动机样机性能试验台。在该试验台上对同心双定子三余度无刷直流电动机不同工作模式下的空载特性、额定负载特性以及转矩-转速特性做了实验验证。通过实验检验了样机的稳态性能，发现了样机需要改进的地方。（4） 研究了同心双定子三余度无刷直流电动机的两个特殊动态过程：故障期间的瞬态过程和余度切换期间的瞬态过程。首先，通过对一般的三相无刷直流电动机匝间短路的解析分析得到了匝间短路程度、绕组间耦合程度对短路电流和短路扰动转矩的影响。然后以同心双定子三余度无刷直流电动机的匝间短路故障为研究对象，分别建立了同心双定子三余度无刷直流电动机一次与二次匝间故障期间和余度切换期间瞬态过程的数学模型，给出了每个瞬态过程的初始值和求解方法。