（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电动机及其控制系统的性能计算.pdf

堕堡鎏翌三查：三兰堡圭兰堡兰兰 p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o no fp e r m a n e n t m a g e t b r u s h l e s sd cm o t o ra n dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w j t ht h ed r a m a t i cd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s p e r m a n e n t - m a g n e t m a t e r i a l s ，m i c r o p r o c e s s o r , m o d e mc o n t r o lt h e o r y , e l e c t r i c a lm a c h i n e r yt h e o r y a n do t h e rr e l a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eb m s h l e s sd cm o t o r s ( b l d c m ) h a sm a d eg r e a td e v e l o p m e n t a n dh a sb e e na p p l i e di na l lk i n d so fd r i v e na n d s e r v o - c o n t r o ls y s t e m t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nt h ed r i v es y s t e mo fc a p i t a i s h i pi nf o r e i g nc o u n t r i e sh a sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h eh i g h - p o w e rb l d c m i n d o m e s t i c ，t h em e d i u mo rl o wp o w e rb l d c mi sm a n u f a c t u r e do nal a r g es c a l e 。 w h i l et h ed e v e l o p m e n te f f o r to nt h eh i g h - p o w e rb l d c md r i v ei ss t i l lp r e l i m i n a r y i nm i ss u b j e c t o n e2 2 k wb r u s h l e s sd c m o t o ri sd e v e l o p e df o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h eh i g h p o w e rb l d c m t h em o d e l i n ga n dd e s i g na n a l y s i so f t h es a m p l e sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a d e r f i r s t l y , t h r e em e t h o d so fd e s i g n i n gb l d c ma r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d w i t he a c ho t h e r , a n daf i e l d - c i r c u i tc o u p l e dm e t h o di sa p p l i e d b yu s i n gt h i s m e t h o da n dc o m b i n i n g c o n s i d e r i n ge c o n o m i cp e r f o r m a n c e a n do p e r a t i n g p e r f o r m a n c e t h e2 2 k wb m s h l e s sd cm o t o rw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d a tt h e s a m et i m e ，o p e r a t i o nr u l eo fb r u s h l e s sd cm o t o rw 船a n a l y z e d ，t o p o l o g i c a l c i r c u i ta n de q u i v a l e n tc i r c u i te q u a t i o ni ns i xo p e r a t i o ni n t e r v a l su n d e rs i n g l e f l o w a n di n v e r s i o nm o d ew e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t r 丑n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fa 2 2 k we i g h t - p o l e sp mb l d cm o t o rw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e db yt i m e - s t e p f e mc o u p l i n gf i e l d ，a n dc i r c u i t ，a n dc a l c u l a t i o nm o t h o d so fs o m ei m p o r t a n t p a r a m e t e r sa l s ow e r er e s e a r c h e d m e a n w h i l e t h ee 髓c to fm a g n e t i cs t e e l d i m e n s i o no nb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ，a n dt h et o r q u ew e r ea n a l y z e du n d e rr a t e d l o a d s t h el e a k a g ef l u xw a sa n a l y z e dt o o a tl a s t e x p e r i m e n tp l a t f o r mw a sg i v e n a n dt h em e t h o do fm o t o rt e s ta n dm e a s u r e m e n tw a si n t r o d u c e di nd e t a i l b y c o m p a r i n gs i m u l a t e dr e s u l ta n dt e s tr e s u l t ，t h ev a l i d i t yo f t h ef i e l d - c i r c u i tc o u p l e d m e t h o di sp r o v e d k e y w o r d sp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ；m a g n e t i cf i e l d s ； s i m u l a t i o n ；d e s i g n n - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文永磁无刷直流电动机及其 控制系统的性能计算，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：再p 逾日期：。- 7 年j 月7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 永磁无刷直流电动机及其控制系统的性能计算系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：卅 援1日期：毒。7 年弓月7 日 导师签名：荃 辛力日期：0 2 ，叼年歹月7 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 直流无刷电动机是在有刷电机上发展起来的。由于传统的直流有刷电机具 有控制特性好的优点，因此，传统的伺服驱动电机大都采用直流电机，然而直 流电机采用换向器和电刷机械方法进行换向，换向器和电刷的存在使电机结构 复杂、可靠性下降，存在相对的机械摩擦，由此带来了噪音、火花、无线电干 扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本及维修困难等缺点，从而大大的限 制了其应用范围【l 】。无刷电机是指无电刷和换向器( 或集电环) 的电机。早在上世 纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动 机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷， 以致电机技术发展缓慢【2 l 。1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了用整流管来取代有刷直流电 动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。1 9 5 5 年，美国的 d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶闸管换相电路来代替有刷直流电动机机械电刷 专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生 3 1 1 4 1 。这种新型无刷电机称为电子换向 式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。实用性新型无刷电机是与电子技 术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不 仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。应用十分 广泛。 随着电子技术、新兴电力电子器件和高性能永磁材料技术和工艺的发展， 已将直流电动机的励磁部分用永磁材料替代，产生了永磁无刷直流电动机。由 于这种直流电动机的体积小，结构简单，效率高、无转子损耗，所以目前已在 中小功率范围内得到广泛的应用。其特点为p j ： 1 ) 无刷直流电机可以无级调速，工作转速范围很大，可满足各种运行模式 下的转速要求。电机可以工作在超低转速，这一点超越了交流变频器的性能， 所以新型无刷直流电机完全可以取代小功率交流变频器。 2 ) 无刷直流电机起动转矩大，几乎不受电网电压波动的影响。且效率比交 流变频系统还要高。 3 ) 无刷直流电机温升较低，与同功率交流电机相比温升可低3 0 左右，因 而其寿命要大大高于交流电机，且噪音较低。 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 4 ) 稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，因此可产生很大的气隙磁通。大大 缩小了永磁转子的外径，从而减小了转子的转动惯量，降低时间常数，改善电 机的动态特性。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以选 取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的力矩波动，也可以抑制电枢反映 对力矩波动的影响。 5 ) 稀土永磁材料的内禀矫顽力极高，磁场定向性好，容易实现在气隙中建 立近似矩形的磁场，点击可以设计成方波，当与1 2 0 度导通型三相逆变器相配 合，可实现方波驱动，从而有效地减小力矩波动，同时提高电机的出力。而且， 电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电动机更适合突 然反转，堵转驱动等特殊运行场合的性能要求。 综上，永磁无刷直流电机配以高性能高速实时数字控制器构成的调速装置， 系统控制相对简单，成本低，高效节能，转速平稳，噪音低，是节能型绿色环 保产品。国内外电机界普遍认为该电机是一种最具有发展前途的电机。而且该 电机系统由电机本体、位置传感器、驱动与控制电路等构成，因而涉及到电机、 电力电子、自动控制和传感器等多个领域，技术含量高，是典型的高科技电机 产品。 由于以上优点，永磁无刷电机在许多领域有广泛的应用，而且应用领域发 展势头良好，如电梯驱动、录像机中的伺服电动机、自动控制系统、计算机硬 盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机等，均数以百万计的运用无刷电动机。 尤其是稀土电机的应用领域，遍及计算机、汽车、工业机器人、柔性制造系统、 新型医疗设备、自动化仪表、变速制冷技术、纺织机械、油田矿山等众多的行 业部门，发展成为一个拥有相当规模的产业群体。展示出稀土永磁电机开发的 广阔前景和强大的生命力。而且随着人民生活水平的不断提高，对家用电器的 要求越来越高。例如家用空调器，既是耗电大件，又是噪声的主要来源，其发 展趋势是使用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能根据室温的变化，自 动调整到适宜的转速下长时间运转，减少了噪声和振动，使人的感觉更为舒适， 还比不调速的空调器节电1 ，3 。其他如电冰箱、洗衣机、除尘器、风扇等也在逐 步改用无刷直流电动机。 1 2 国内外研究现状 无刷直流电机的发展与其相关支撑科技包括电机理论、微电子及电力电子 技术、永磁材料技术以及控制理论等的发展相辅相成互为促进的。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 随着社会的发展和科技的进步，有刷直流电机本身结构上存在机械换向器 这一致命弱点逐渐限制了其发展和应用，其在变速传动领域的主导地位开始动 摇，人们一方面开始转向研究交流电机的调速技术，而另一方面也试图寻找改 善有刷直流电机固有缺陷的方法1 6 】。 早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研究用电子换向来代替机械换向器，并取 得了一定成果。但由于当时电力器件制造水平的限制，这种无刷直流电机仅限 于实验室研究，没有得到推广应用。1 9 5 5 年，美国人d h a r r i s o n 等首次申请了应 用晶体管换相线路代替有刷直流电动机机械换向装置的专利，标志着现代无刷 直流电动机的诞生。但是该电动机存在尚无自起动转矩以及由于信号前沿陡度 不够引起的晶体管功耗大等问题。为了克服这些弊病人们采用了离心装置的换 向器，或在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电动机可靠的起动。但是前者结 构复杂，而后者尚需要附加起动脉冲。而后又经过多年的实践和努力，人们终 于找到了用位置传感器和电子换向电路来代替有刷直流电机换向装置的方法， 从而为直流电机的发展史翻开了新的一页。 2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子技术蓬勃发展，使得无刷直流电机的驱动控 制电路的可靠性和稳定性得到极大提高，此时使用的电力电子器件主要是晶闸 管。8 0 年代中期以后，第二代电力电子器件g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t e t u r no f f t h ”i s t o o 、v d m o s i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 等相继出现并 应用于逆变器，大大提高了其性能。9 0 年代，第三代电力电子器件成为制造逆 变器的主流产品。9 0 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，已经实 用化的主要有：高压i g b t 器件、i g c t ( i n s u l a t e dg a t ec o n t r o l l e dt r a n s i s t o r ) 、 i e g t ( i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r ) 和s g c t ( s y m m e t r i c a lg a t ec o m m u t a t e d t h y r i s t o r ) 。第四代电力电子器件模块化更为成熟嘲，如：智能化模块i p m 、专 用功率器件模块a s p m 等，大大简化了外围电路尤其是驱动电路的设计，为逆变 器实现智能化、高频化、小型化等创造了条件。无刷直流电机的电机本体的发 展是与永磁材料的发展密切相关的。 1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电机就是永磁体产生励磁磁场的永磁电 机。但由于采用天然磁铁矿石，磁能密度很低，不久就被电励磁电机所取代。 特别是2 0 世纪3 0 年代出现的铝镍钻永磁体和5 0 年代出现的铁氧体永磁材料，磁 性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。8 0 年代出现 了磁能积高而价格相对较低的钕铁硼永磁，使永磁电机的发展进入了一个新的 历史时期嗍。各国学者和研究人员都纷纷致力于永磁材料、无刷电动机及其驱动 控制系统的理论研究和实际应用研究，取得了丰硕的研究和开发成果。稀土永 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 磁体的退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线重合，唐任远教授川等对永磁体适当 简化处理后，提出稀土永磁电机等效磁路的解析法和图解法，并分析永磁体的 最佳工作点。张琛学者i 。1 对稀土永磁体矫顽力、剩磁密度、形状的选取，己经有 比较成熟的设计方法。姜秀梅教授i 8 1 等通过对永磁体的处理，有限元法也能方便 地分析永磁电机磁场并用于参数计算。一些永磁电机的经验公式和参数也相继 得到并在设计中被采用，如漏磁系数、极弧系数 9 1 等。在电机设计中，磁路法、 有限元法、场路结合法、等效磁网络法各具优点，在不同的场合被广泛应用， 邱国平教授 i o l 提出的主要尺寸法也提高了电机目标设计的准确性，这些方法对 提高电机c a d 的水平有很大的促进作用。同时，电机c a d 技术方面也有了长足 的发展l l ”，基于w i n d o w s 平台的各种电机设计软件层出不穷，其界面友好，功 能较强，专家系统、智能化设计平台1 i p l l 2 1 ，远程交互系统等概念相继被提出并 被实现删，推动了电机设计的进步。通过对无刷直流电机模型的分析，电机仿 真也有了较大进展。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始跟踪这项新技术、对电动机运动控制系统中a l 电 机瞬态过程的仿真也越来越受到重视，开始考虑负载变化、扰动和故障等情况。 电机的换相过程也开始受到关注，考虑换相过程的仿真模型被提出【“】。由于电 感、反电势是电机仿真的重要参数，磁路法对这些参数的计算进行了大量的研 究，为精确计算，王群京提出用能量摄动法结合有限元法来计算绕组电感， 贺益康等提出用气隙法来计算反电势1 1 6 1 。对这些参数的准确计算，也得到了许 多有益于电机设计的结论。与此同时，m a t l a b 、p s p i c e 等软件也开始用于电 机模型仿真【i ”，这些开发软件的应用提高了电机性能仿真的可靠性和准确性。 转矩波动是p m b l d c m 存在的突出问题，特别是在低转速、高精度、调速范围 广的情况下，更要求尽量减少转矩波动，目前国际国内的研究人员正通过各种 途径来解决这个问题，因此减少转矩波动是又一主要研究方向。在1 9 7 5 年， j a w a n g e t 就利用数值法对永磁无刷直流电机的齿槽转矩进行了分析l 嘲；沈建新 等也开始从绕组连接的角度来考虑电机转矩的脉动1 1 9 i ；s h e p p a r ds a l o n 等对机械 原因产生的转矩脉动进行详细分析，并提出了一些解决办法i z o l ；李宝库等人对 永磁直流电机的转矩脉动和噪声产生也有较为详细的研究【2 l 】。为抑制转矩的脉 动，通过对电机本体研究得到一些有效办法，如斜槽等，并在电机设计中常被 采用【2 2 】。对电机控制策略的优化口3 l ，也使得电机转矩脉动有了明显的削弱，模 糊控制、p i d 调节、神经网络、遗传算法等在电机转矩控制中得到广泛的应用。 位置检测是无刷直流电机不可或缺的一部分，2 0 世纪6 0 年代初期，接近开 关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世， 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。1 9 6 2 年试制成功了借助霍尔元 件来实现换相的无刷直流电动机，开创了无刷直流电动机产品化的新纪元例i 。 2 0 世纪7 0 年代初期，又试制成功了借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电动机。 至今为止，位置传感器主要有以下三类：电磁式( 包括接近开关、铁磁谐振和 旋转变压器等) 、光电式( 包括光敏晶体管和光电编码器) 和磁敏式( 包括霍 尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻器等) 。 在试制成功各种位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感 器结构的无刷直流电动机。1 9 6 8 年米斯林格提出采用电容移相实现换相的新方 法。在此基础上，r 哈尼特司等人试制成功了借助数字式环形分配器和过零鉴 别器的组合来实现换相的无附加位置传感器的无刷直流电动机。发展至今，无 刷直流电机无位置传感器的位置估算方法主要有四种；端电压法、电流法、 状态观测器法和人工智能方法。前三种方法相对比较成熟，而采用人工智能力 法估算转子位置的研究尚处于起步阶段。 随着电机功率的增大，电机不断向高电压大电流方向发展。而单个电力电 子元器件的耐压水平和电流容量毕竟有限，多相电机1 2 6 1 1 2 7 1 2 s ( 2 9 1 的出现和发展 为解决电力电子器件串并联时存在均压、均流等技术问题开辟了新的思路。实 践证明，多相电机的优势不仅是减小了对电力电子器件的技术要求，也改善了 电机的转矩特性，同时还增强了系统工作的可靠性。 目前，我国在中小功率无刷直流电机方面已从研究阶段步入生产阶段 2 1 1 3 0 1 如西安微电机研究所研制的4 5 z w l 、5 5 z w l 、7 0 z w 1 系列产品，上海微 电机研究所研究的无刷直流力矩电动机等。但是大功率的无刷直流电机我国研 究起步较晚，与国际有较大差距。在国外，p m b d c m 的生产和应用取得很大进 展，如日本仓毛电器公司研究出的k r k 系列产品，西门子公司推出的a d 系列 产品。在大功率无刷直流电机方面，工业级的无刷直流电动机及驱动系统已达 到7 3 5 9 1 8 7 5 w 的功率范围，特别是在美国一些公司的p m b c d m 产品已占据了 不同的应用领域，例如f u n k 、u s a 的产品主要应用于工厂自动化领域，p a p s t 产品主要应用于仪器设备领域，k o l l n n o r g 的产品主要应用于国防和航天领 域，在国外大功率无刷直流电机在如舰艇、航空等对电机效率和可靠性要求高 的领域有着重要的应用。据资料1 显示：德国s i e m e n s 公司1 9 8 6 年完成了 1 1 0 0 k w 、2 3 0 r m i n 的永磁同步电机的设计，并于次年完成了实验。其与s e h o t e l 公司联合生产的s s p 吊舱式电力推进系统使用了一台1 4 m w 、1 5 0 r r a i n 的永磁同 步电动机。目前s i e m e n s 公司宣称已拥有1 7 0 0 k w 5 0 0 0 k w 的潜艇用永磁电机推 进系统的成套产品。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 法国热蒙一施耐德( j e u m o n t - s e h n e i d e r ) 工业公司1 9 8 7 年研制出了4 0 0 k w 、 5 0 0 r m i n 7 3 k 磁电动机样机，据称该电机比普通电机体积减小了3 0 4 0 ，重量也 显著减轻。1 9 9 0 年热蒙公司又研制出了1 8 0 0 k w 、1 8 0 f r a i n ，1 3 相永磁推进电机， 现宣称拥有1 0 0 0 k w 7 0 0 0 k w 潜艇用永磁电机推进系统的成套产品。 英国1 9 9 6 年展出了装有两台2 1 0 0 k w 永磁电机推进的护卫舰模型；美国 1 9 9 4 年已成功将3 0 0 0 马力实验用永磁电机应用到实验巡逻艇上。 我国在大功率无刷直流电机方面的研究尚处在起步阶段，仍未形成系列产 品，与国外技术尚有较大差距。 1 3 无刷直流电机研究中现存主要问题 尽管无刷直流电动机以其良好的性能而得到广泛的应用，但是从现有文献 和产品以及在科研实践中发现【6 1 1 2 3 1 ，在无刷直流电动机的研究领域里还存在很 多值得深入研究的问题。主要包括： 1 ) 电机本体设计 为了充分利用永磁材料的磁性能，提高无刷直流电机的性能价格比，其磁 路设计不能简单套用传统的电机结构和设计计算方法，需要研究新的分析计算 方法，以提高设计计算的准确度；目前电机的参数也是按照交流电机的参数计 算公式计算出来的，其准确性和合理性有待实践的验证，新的计算方法有待进 一步探索；采用永磁激磁使磁场分布情况比较复杂，传统的等效磁路法不能完 全适用，以等效磁路法和磁场数值分析相结合是电机设计发展的一种趋势1 3 2 1 2 ) 无刷直流电机电枢反应 在一般中小功率的无刷直流电机设计分析中，电枢反应的影响可以忽略， 但是在大功率的电机中电枢反应会造成反电势畸变和转矩波动，甚至可能使永 磁材料出现不可逆退磁1 7 j ，忽略其影响势必造成较大误差，因此在大功率无刷直 流电机的分析和设计中，如何考虑电枢反应的影响，以及如何抑制电枢反应的 影响一直是永磁电机的研究热点和难点。 3 ) 多相系统的建模和仿真 在设计开发无刷直流电机的过程中，采用数字仿真可实现并行工程，缩短 开发时间，节约开发费用。系统的计算机仿真，就是根据控制系统的数学模型 建立仿真模型，再依据仿真模型编制程序，在计算机上模拟控制系统的运行， 从而研究、分析控制系统的定量关系并迸行计算，为控制系统设计、调试提供 所需的信息、数据或资料。因此准确建立电机的数学模型和仿真模型是系统仿 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 真的前提和依据。无刷直流电机建模普遍参考的是直流电机模型，而对于多相 系统来说，建立仿真模型时如何考虑各单元之间的相互影响，理论上还有待进 一步解决。 4 1 逆变器的选取 目前无刷直流电机采用的逆变器分为电流源型和电压源型。电流源型主电 路较复杂，参数选择苛刻，但电压畸变较小，电流谐波少，因而电磁兼容性好， 谐波损耗小；电压源型主回路简单，但电流畸变比较大，电流波形不易控制， 电磁干扰严重。二者各有优缺点，实际系统中采用哪种方案应视具体情况而定。 5 ) 实际应用问题 在实际应用中，电磁兼容问题是一个越来越受到重视的问题。无刷直流电 动机是一种新型电机，其控制电路是强、弱电共存的电路，因此要求其具有抗 干扰能力和防止对外界产生干扰。目前的新型控制方法的研究大部分停留在理 论上，而且许多算法复杂，运用到实际产品中的极少。因而需要研究一些有效 的、实用的控制方法和技术，来改善系统的性能u i 。 1 4 课题来源 论文来源于哈尔滨市科学研究基金项目“三相稀土永磁无刷直流电动 机的研制”，项目编号为：2 0 0 4 a f l x j 0 1 3 。 论文研究的主要内容为： 1 ) 设计一台2 2 k w 三相永磁无刷直流电动机； 2 ) 基于时步有限元法，计算并分析电机瞬态过程和反电动势； 3 ) 采用有限元法和等效电路方法，计算永磁体的工作点； 4 ) 研究影响永磁直流无刷电动机转矩及漏磁系数的因素。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章稀土永磁无刷直流电动机的设计与分析 2 1 永磁无刷直流电动机的基本结构 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成是电动机本体、控制器和转子位置传 感器三部分，如图2 1 所示。 图2 - l永磁无刷直流电动机构成框图 f i g 2 - l s t r u c t u r a ld i a g r a mo f p mb l d cm o t o r 普通的直流电动机使用电刷和换向器进行换向，定子磁场在电机运行过程 中始终保持与电枢磁场垂直从而产生最大转矩，使电机顺利运转。无刷直流电 动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布 的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流恒定，以产生恒定的转矩。无刷电机的 运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动 与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在 定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送 出信号，以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变， 因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电动机运转起来。 下面以星形连接三相绕组六状态两相导通的永磁无刷直流电机为例，通过 图2 2 和图2 3 对其工作原理进行说明2 4 1 1 3 3 l ： 当转子稀土永磁体位于如图2 - 3 a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位 置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管v l 、v 4 导通，即 绕组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空间的合成磁势为凡，如图2 - 3 a ) 所示。 此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动，电流流通路径为：电源正 极一v ，管一a 相绕组一b 相绕组一v 4 管一电源负极。当转子转过6 0 。电角度， 到达图2 - 3 b ) “p 位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管v 4 截止， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 v 6 导通，此时v l 仍导通。则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成 磁场如图2 3 6 ) 中尼。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。 电流流通路经为：电源正极一v l 管一a 相绕组一c 相绕组一v 6 管一电源负极， 依此类推。当转于继续沿顺时针每转过6 0 口电角度时，功率开关管的导通逻辑为 v 3 v 6 一v 3 v 2 一v 5 v 2 一v 5 v 4 一v l v 4 ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作 用并沿顺时针方向连续转动。 吲d j v 3 jd 3c 吲码 k l 屯】 i上 ；e = 2 剞码 li从 v 4 jd 4 l 膨 b 】【吲d 】6l ll t 丁 匝囹仁 图2 - 2 永磁无刷直流电动机的系统图 f i g 2 - 2 t h es y s t e mo f p e r m a n e n tm a g n e tb l d cm o t o r a ) 状态ib ) 状态i i 图2 - 3 永磁无刷直流电动机原理示意图 f i g 2 - 3o p e r a t i o nt h e o r yd i a g r a mo f p m b l d cm o t o r 在图2 3a ) 到b ) 的6 扩电角范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成 磁场在空间保持图2 3a ) 中心的位置不动，只有当转予磁场转够6 0 - 电角度到达 图2 3b ) 中乃的位置时，定子合成磁场才从图2 3a ) 中乃位置顺时针跃变至” 中兄的位置。可见定于合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 旋转磁场，每个步进角是6 0 电角度。 当转子每转过6 0 电角度时，逆变器开关管之问就进行一次换流，定子磁状 态就改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组 中流过电流的时间相当于转予旋转1 2 0 电角度，每个开关管的导通角为1 2 0 ， 故该逆变器为1 2 0 。导通型。 下面具体介绍一下稀土永磁无刷直流电动机的基本构成： 1 ) 电动机本体 无刷直流电动机是一种永磁电机。电机本体在电磁结构上与永磁同步电动 机相似，它的电枢绕组放在定予上，转子励磁采用永磁材料，目前使用最多的 为稀土永磁材料。永磁材料的使用，大大减小了无刷电动机的重量、简化了结 构、提高了性能和可靠性一永磁体装配在转子上的结构形式决定了转子的磁路 结构，而转子磁路结构的不同，使得电机的运行性能、控制系统、制造工艺和 适用场合也不同。按照永磁体在转子上位置的不同，无刷直流电机的转子磁路 结构主要可分为两种：径向磁化式和切向磁化式。径向磁化式结构中，永磁体 通常呈瓦片形，一般位于转子铁心的表面上，永磁体提供径向的磁通。这种结 构制造工艺简单、成本低，能够提供较好的矩形波气隙磁密，应用较为广泛。 缺点是不适用于高速电机，可靠性较差，而且在电机发生短路故障时，去磁磁 势直接作用在永磁体上，容易造成永磁体的不可逆退磁。切向磁化式结构中， 永磁体安置在转子铁心内部，每极由两块永磁体并联提供磁通，可以获得较高 气隙磁密，且电枢反应不会直接作用在永磁体上，可靠性高。如图2 4a ) 、b ) 和c ) 所示。其中，图a ) 结构是转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁；图b ) 结构是 在转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体。图a ) 和图b ) 结构高速运行的转子外径 套有一个0 3 0 8 m m 的紧圈，以防止电机工作时离心力将永磁体甩出，同时在 盐雾等恶劣环境中也对永磁体起保护作用。紧圈的材料通常用不导磁的不锈钢， 也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图c ) 结构是在转子铁心外套上一个整体粘结稀 土磁环，适用于体积和功率较小的稀土永磁无刷直流电动机，该种结构的转子 的制造工艺性好。 无刷直流电动机定子绕组结构与普通的交流电机相同，铁心中一般嵌放多 相绕组，绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器中各开关管相连接。绕组 形式一般采用整距绕组，从而可获得较好的梯形波反电势。当无刷直流电动机 定子为三相对称绕组时，由于气隙磁场为梯形波，只能采用星形接法。若采用 三角形接法，由于三次谐波的存在会增加附加损耗，其输出转矩也较小聊l 。 a ) 瓦片形径向磁化永磁体 b ) 矩形切向磁化永磁体c ) 环形径向磁化永磁体 l 紧圈；2 稀土永磁体；3 铁芯；4 转轴 图2 - 4 永磁转子结构型式 f i g 2 - 4 s t r u c t u r a lt y p eo f m a g n e tr o t o r 2 ) 电子换相电路 无刷直流电动机电子换相电路一般由驱动部分和控制部分组成，除完成绕 组换向外，还需控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压 和过热等保护。驱动电路由大功率开关器件组成的逆变器构成主电路，并受控 于控制电路。逆变器主要由电力电子器件构成。正是晶闸管的出现，直流电机 才实现了从有刷到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断 能力的半控性开关器件，其开关频率较低，所以应用范围较窄，目前多用于大 功率驱动的场合。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器 件，其中有可关断晶体管( g t o ) 、电力场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性 晶体管i g b t 模块、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 及近年新开发的电子注入增强 栅晶体管( m o t ) 等。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的驱动电路也获 得了飞速发展。晶闸管由于必须电流自然过零才能关断，因此由晶闸管构成的 驱动电路需要添加辅助的强迫换流电路，但也正因为这一点，电路中不会因换 向出现过电压，且晶闸管容量相对较大，适用于中大功率无刷直流电机1 3 “。由 i g b t 构成的驱动电路则要比晶闸管容易控制得多，不需要任何辅助换向电路， 但在关断时易产生过电压，因此目前多用于中小功率无刷直流电机。 目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大和功能指标低的 普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的 电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、 高频化、小型化创造了条件。控制电路最初采用比较简单的模拟电路。如果将 电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其 可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展 到数字电路是目前的一种趋势。控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路 组成控制电路是简单实用的方法；微处理器较多的采用的是8 位和1 6 位单片机， 随着微电子技术的进步，数字信号处理器( d s p ) 已经逐步取代了单片机，因 为数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可靠，可使直流无刷 电动机的组成大为简化，性能却大为提高，有利于电机的小型化和智能化，因 而数字信号处理器的应用是控制电路发展的主要方向口1 1 3 0 1 。 3 ) 位置传感器 无刷直流电机是一种闭环的机电一体化系统，它是把转子磁极位置信号作 为电子开关线路的换向信号，因此，准确检测转予位置，并根据转子位置及时 对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器来作 为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于定子端 盖上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，主要有旋转 变压器等；目前磁敏式霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还 有光电式的位置传感器。位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和 结构尺寸，不利于电机的小型化，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵 敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信 号。 为适应无刷直流电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利 用电枢绕组的感应电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去 了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的 应用。但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止 时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题【3 ”。近年，有 人提出了一种新的无位置传感器无刷直流电动机，它不是利用反电动势来检测 转子位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料，利用定子绕组高频开关 工作时非磁性导电材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置而变化， 从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种无位置传感器的无刷电动机 克服了一般无位置无刷直流电机的启动和低速运行问题，但对电机的制造工艺 具有很高的要求。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 永磁无刷电动机的设计方法 2 2 1 等效磁路法 2 2 i i 等效磁路法的基本原理 磁路计算是电机电磁计算的基础，通过它不仅可以得到电机的空载特性， 而且还可由此计算电机的铁耗和其他工作特性，掌握磁路结构、材料和几何尺 寸与电机性能之间的关系。 等效磁路法是一种电机设计中最常用的分析方法嘲。所谓等效就是将电机 内实际存在的磁场以适当的方法化为路。场化路的基础是充分了解电机磁路结 构中的磁场。 等效磁路法基于以下假设1 3 ，】： 1 ) 电机转动部分的磁场都看作恒定磁场，且假定定、转子相对不动，经由 磁极与齿中心线相对的位置取计算回路； 2 ) 将各段磁场化为等效的磁路，各段磁路的磁位差应该等于磁场中对应点 之间的磁位差，并借助各种校正系数进行修正。 等效磁路法主要基于以下几个电磁场定律： 1 ) 磁路欧姆定律 设某段磁路由均匀截面s ，长度为l 的材料组成，材料的磁导率为肛。磁路 欧姆定律为 中= l _ ( 2 - 1 ) 胄。 其中磁通； ，磁动势； ， 如磁阻，r 。= i 专。 p 2 ) 磁路基尔霍夫第一定律 根据磁通的连续性，磁路中通过任何闭合面的磁通的代数和等于零，表示 为 罗中= 0 ( 2 - 2 ) 3 ) 磁路基尔霍夫第二定律 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在磁场中，沿任一闭合路径，磁场强度的线积分， 导线电流的代数和。即磁路中的麦克斯韦方程 g h a l = i n 式中阡磁场强度； 三磁路长度； 线积分路线所包围的导体数； 卜每根导体所流过的电流。 等于穿过该闭合路径的 ( 2 - 3 ) 在实际应用中，将实际闭合磁路分成若干段，并把每一段的磁场强度看作 为常数，则有磁路基尔霍夫第二定律 胍= i n ( 2 - 4 ) 即闭合磁路中，各段磁压降的代数和月z 等于闭合磁路中磁动势的代数和 口n 2 2 1 2 等效磁路法的应用 等效磁路法为把磁场化为磁路，进行了多种假设，所以计算结果必然存在 误差，但是只要在计算过程中适当引入一些系数进行修正，等效磁路法对于设 计大部分常用电机来讲，可以满足工程要求，并且根据这种方法也已经开发出 了比较成熟的一套计算机辅助电磁计算程序。无刷直流电机由于转子采用永磁 材料作为励磁源，是一种永磁电机，具有不同于电励磁电机的磁路，因此无刷 直流电机的等效磁路有其自身的特点。 无刷直流电机转子上磁钢的放置形式以及充磁方向可以产生多种组合，因 此磁路结构也是各式各样。但是从其实质上来看，无刷直流电机的磁路无外乎 由永久磁铁、软磁材料和气隙等三部分组成 6 1 。 1 ) 永磁体的等效磁路 无刷直流电机作为永磁电机的一种，其具体性能与所使用的永磁体的材料 和型号等密切相关。为简便起见，不妨先从目前应用较多的稀土永磁材料着手 进行分析。稀土永磁材料的特点是退磁曲线为直线且回复线与退磁曲线重合， 因而便于列写解析表达式。对其他永磁材料的分析从理论上与此是相通的 稀土永磁材料的内禀矫顽力很高且在较大退磁磁场作用下基本不变，所以永磁 体等效磁路的分析可以从内桌曲线入手。 在均匀磁性材料中，磁感应强度口磁化强度m 和磁场强度日间的关系为 b = 胁h + 鳓m ( 2 5 ) 式中鳓为真空磁导率。内禀磁感应强度 b j = o m = b 一o h ( 2 - 6 ) 在永磁磁路的实际计算中，退磁曲线在第二象限，其磁场强度为负值，但 工程计算中常把磁场强度h 表示为正值，故内禀曲线( 2 6 ) 式改写成 蜀= b + z o h( 2 - 7 ) 图2 - 5 永磁材料的内窠曲线和退磁曲线 f i g 2 5d e m a g n e t i z a t i o nc a i n eo f p e r m a n e n tm a g n e t 在b h 坐标中，永磁材料的内禀曲线和退磁曲线如图2 5 所示。 将b = f 【h ) 曲线横坐标乘以磁钢充磁方向计算长度，纵坐标乘以磁钢的计算 截面积，即可得到= f