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1、分类号：TM355 单位代码： 10335 密 级： 学 号： 10610007 博士学位论文 中文论文题目中文论文题目 ： 三次谐波法无传感器控制的三次谐波法无传感器控制的 高速永磁无刷直流电机的研究高速永磁无刷直流电机的研究 英文论文题目：英文论文题目： Study on third harmonic EMF-based sensorless high speed BLDC motor 申请人姓名： 王 凯 指导教师： 沈 建 新 合作导师： 林 瑞 光 专业名称： 电 气 工 程 研究方向： 电 机 与 电 器 所在学院： 电 气 学 院 论文提交日期论文提交日期 二 OO 九年九月十八
2、日二 OO 九年九月十八日 三次谐波法无传感器控制的三次谐波法无传感器控制的 高速永磁无刷直流电机的研究 高速永磁无刷直流电机的研究 论文作者签名论文作者签名: 指导教师签名指导教师签名: 论文评阅人 1： 评阅人 2： 评阅人 3： 评阅人 4： 评阅人 5： 答辩委员会主席： 贺益康 教授 浙江大学 委员 1： 叶云岳 教授 浙江大学 委员 2： 曹志彤 教授 浙江大学 委员 3： 戴国骏 教授 杭州电子科技大学 委员 4： 沈建新 教授 浙江大学 答辩日期：2009-09-18 Study on third harmonic EMF-based sensorless high-speed
3、 BLDC motor Authors signature: Supervisor s signature: External Reviewers: Examining Committee Chairperson: Yikang He Prof. Zhejiang University Examining Committee Members: Yunyue Ye Prof. Zhejiang University Zhitong Cao Prof. Zhejiang University Guojun Dai Prof. Hangzhou Dianzi University Jianxin S
4、hen Prof. Zhejiang University Date of oral defence：2009-09-18 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 浙江大学浙江大学 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学浙江大学 有权
5、保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播， 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 I 摘摘 要要 高速永磁无刷直流电机具有效率高、 功率密度大等优点， 因此在涡轮增压器、 高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域有着广阔 的应用前景， 成为各国学者的研究热点。 高速永磁无刷直流电机设计牵涉到转子 损耗、轴承技术、转
6、子动力学、等电磁技术与机械技术，必须重点考虑。 高速永磁无刷直流电机正因为功率密度大、体积小，其损耗密度也很大，因 此电机的温升往往比较高， 所以当霍尔元件这一类的位置传感器安装在电机内部 时往往无法正常工作。另外，位置传感器的使用也会受到体积上的限制。在功率 较大的电机中，位置传感器信号也容易受到干扰。此外，永磁无刷直流电机高速 运行时通常需要不同程度的超前触发控制， 但直接使用转子位置信号进行换相时 无法实现可变的超前触发控制。 为了解决位置传感器带来的各种缺陷， 许多学者开展了无传感器控制技术的 研究， 其主要思想是利用电机绕组中的有关电信号， 通过适当的方法估算出转子 的位置和转速，
7、以此来取代转子位置传感器。 在各种转子位置和速度的检测方法 中，最常用的是通过检测每相反电势或三次谐波反电势来获得转子的位置信息。 每相反电势法容易实现， 但续流二极管导通引起的电压脉冲将干扰该信号。 尤其 是在高速、重载、或者绕组电气时间常数大等情况下，续流二极管导通角很大， 此时通过检测每相反电势过零点的方法并不适合无位置传感器运行。 相对于每相 反电势法，三次谐波反电势法不受二极管导通角和逆变器 PWM 斩波的影响，对 滤波器要求低，有更宽的调速范围。 本文针对一台 80,000r/min， 15kW 的高速永磁无刷直流电机及其基于三次谐 波反电势的无位置传感器控制策略，研究了电机设计和
8、控制的若干重要问题。 1、研究了不同定子结构对三次谐波反电势的影响。对 3 齿 2 极和 6 齿 2 极 集中绕组结构进行了对比研究，前者由于三次谐波的绕组系数为 0，其相绕组中 并不包含三次谐波反电势， 因此其磁链和相反电势接近正弦分布， 故不适合应用 三次谐波反电势控制。后者的三次谐波绕组系数为 1，其磁链和每相反电势包含 大量的三次谐波，其波形远远偏离了正弦分布，因此适合三次谐波反电势控制， 但基波绕组系数为 0.5，绕组得不到充分利用。结合以上两种结构的优缺点，对 II 不同齿宽（注：小齿为辅助齿）的 6 齿 2 极结构进行了研究，发现该结构既能利 用三次谐波反电势控制，又能提高绕组的
9、利用率。同时，也对各种结构电机的电 感与单边磁拉力进行了对比分析。分析表明，由于 3 齿 2 极和不等齿宽 6 齿 2 极结构均具有空间不对称性，在电机运行时，具有较大的单边磁拉力，电机的噪 声较大，影响轴承的寿命。因此最终采用等齿宽 6 齿 2 极集中绕组的对称结构。 2、研究了转子结构对电机气隙磁场三次谐波和三次谐波反电势的影响。对 电机中的气隙磁场进行有限元分析与解析计算。在采用表面粘贴磁瓦时， 随着极 弧系数的减小， 气隙磁场的分布越来越偏离正弦， 气隙磁场中的三次谐波也会相 应地增加。这有利于增大每相反电势中的三次谐波。但同时，气隙磁场中的基波 随永磁体极弧系数的减小而减小。由于气隙
10、磁场的畸变增加了气隙磁场中的谐 波，使电机定子铁耗增大，将影响电机的性能。因此，为了提高气隙磁场中的三 次谐波同时又不减小气隙磁场中的基波， 采用 “平行充磁且每极分两块” 的结构。 对不同的转子磁瓦分块数的气隙磁场进行分析，可知随着分块数的增加， 气隙磁 场分布趋于径向充磁结构的分布，接近方波。随着分块数的增加，气隙磁场中基 波分量也随之增加， 但当每极转子分块数为 2 块时， 气隙磁场中的三次谐波最大。 因此为了提高利用三次谐波反电势控制时的抗干扰能力， 采用转子每极磁瓦分块 数为 2 的结构。 对 “平行充磁且极弧系数小于 1” 、“平行充磁且每极磁瓦分两块” 、 “径向充磁且极弧系数为
11、 1”共三种转子结构进行了研究。研究发现“平行充磁 且极弧系数小于 1” 、 “平行充磁且每极磁瓦分两块”这两种结构均能在电机相绕 组中产生足够大的三次谐波反电势。其次，由于转子损耗在中、低速无刷直流电 机中往往是可忽略的， 但是在高速无刷电机中比较严重， 能引起转子永磁体过热 和不可恢复性退磁。 因此，对三种不同的转子结构引起的额定负载转矩下的转子 涡流损耗进行了对比研究，结果表明： “平行充磁且极弧系数小于 1”结构引起 的转子涡流损耗小于“平行充磁且每极分两块”的结构， “径向充磁且极弧系数 为 1”结构的转子涡流损耗小于“平行充磁且极弧系数小于 1”和“平行充磁且 每极分两块”的结构。
12、但“径向充磁且极弧系数为 1”的结构应用较少，永磁体 充磁时需要专门的工装夹具，加工困难。 “平行充磁且极弧系数小于 1”结构和 “平行充磁且每极分两块”的结构容易实现。 3、研究了基于三次谐波反电势的无位置传感器超前触发控制。利用三次谐 III 波反电势控制时， 用比较器产生的过零点信号与电机触发信号密切相关。 在实际 系统中并不能确保比较器产生的过零点信号并不包含噪音信号。 如果信号中噪音 信号被控制系统误认为有效信号，将导致错误的换向信息， 并且一旦产生一次错 误的换向状态，将导致整个控制系统的崩溃。因此为了滤除噪音信号，有必要从 软件上进行数字滤波，判断是否真正的发生信号跳变。采用数字
13、滤波，必然导致 信号滞后，进而引起电机的滞后换相。滞后的时间与数字滤波的深度有关。对于 高速电机，将产生较严重的滞后。由于数字滤波引起滞后触发，电机电流变大， 同时整个系统的功率因数、效率、功率输出能力降低、电机的温升更严重，对电 机的冷却系统也提出了更高的要求， 因此有必要采取超前触发控制。 电机运行时， 由于转子转动惯量的作用， 其电周期不会发生突变， 可以认为前一个换向周期的 时间基本等于后一个换向周期，因此，如果知道前一个换向周期的时间，同时知 道由于数字滤波产生的滞后时间， 然后用延时导通来实现下一拍换相的正常触发 控制甚至超前触发控制， 研究表明超前触发可以明显的提高系统地功率因数
14、、 效 率、输出功率，同时减小了损耗。 在论文的科研工作中， 解决了以上电机设计与控制方面的重要问题， 并制作 了样机。相关实验也证明了理论分析、设计措施与控制方法的正确性。 关键词： 高速永磁无刷直流电机 无位置传感器控制 三次谐波气隙磁场 三次谐 波反电势 转子结构 定子结构 永磁体分块 转子动力学 机械应力 单边磁拉力 IV V ABSTRACT Due to the advantage of high efficiency and power density, high-speed permanent magnet brushless DC (BLDC) machines are em
15、erging as a key technology for applications such as turbocharger, spindle drives, flywheel energy storage system, machine tools, compressors, molecule pumps. Researchers all around the world are getting more and more attention on high-speed machines. However, their high rotation speed demands that careful consideration should be given to both electromagnetic and m
