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1、小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。
2、2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章第一章 绪论绪论11永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和
3、永磁材料的发展过程。其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。但遗憾的是，由于传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，产生了噪声、火花和无线电干扰，寿命短，并且经常需要维
4、护等缺点。针对直流电动机上述的弊病，在1917年，Boliger提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了永磁无刷直流电机的基本思想。但是，由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，未能找到理想的电子换向器件，使得这种电动机只能停留在实验研究阶段，未能推广使用。到三十年代，有人提出利用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电动机，它的思想和现代永磁无刷直流电机已经相当接近，但这种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重而复杂，故无实用价值。科学技术的迅猛发展，带来了半导体技术的飞跃，1948年，贝尔实验室开关型晶体管的研制成功，又为永磁无刷直流电机带来了新的生机1955
5、年，美DHarrison等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。而电子换向的永磁无刷直流电动机真正进入实用阶段，1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，在此以后，国际上对永磁无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成了方波永磁无刷直流电动机和正弦波永磁无刷直流电动机。由于永磁无刷直流电机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，同时又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及具有良好的调速特性等诸多特点，因此，它从一面世就受到了人们
6、的广泛关注，世界各国工业先进国家的著名电机和控制厂商都竞相进行永磁无刷直流电机及其控制系统的开发，各个公司，比较著名的有美国的GM，Gould，德国的Simens，Indramat日本的Fanuc，安川电机等都纷纷推出自己的永磁无刷直流电机的应用系统及其相关产品，这种研究目前还在日见深入，新产品层出不穷，20多年以来，随着永磁新材料、微电了技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，永磁无刷直流电动机得到了长足的发展【1】【2】。由于永磁直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，
7、故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机、录像机中的伺服电动机，均广泛的运用了永磁直流无刷电动机。12 目前无刷直流电动机研究的主要问题随着永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器的快速发展，对永磁无刷直流电动机的研究也在不断深入，并得到广泛的应用。从现有的文献资料来看，目前国内外对无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面：转矩脉动、控制策略、无位置传感器控制、性能仿真等。1.2.1 永磁无刷直流电动机的转矩脉动方面的研究转矩脉动式无刷电动机在低速运行时的一项重要的想能指标，很多高性能的伺服系统中
8、对电动机低速运行时，转矩脉动都有严格的要求，所以必须了解转矩脉动产生的原因并加以抑制，这时无刷永磁直流电动机设计必须重视的问题。低速转矩脉动产生的原因可分为电磁原因、电子换向原因、机械加工工艺等原因。1、电磁因素引起的转矩脉动电磁因素引起的转矩脉动主要可归纳一下几个方面的原因：1）磁极形状当定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它主要与气隙磁感应强度分布和电流波形及绕组形式有关。分析表明，对矩形波电动机，当极弧宽度增加时，电磁转矩增加、转矩脉动减小，当极弧宽度达到时，电动机出力最大、转矩脉动为零。但实际电动机极弧的段杜不可能完全达到1800电角度，应尽可能提高极弧系数为好。2）电枢反应电
9、枢反应使气隙磁场发生畸变，改变永磁体空载时，气隙磁感应强度分布波形，并使前极尖消弱，该畸变的磁场与定子通电绕组相互作用，使电磁转矩随定转子相对位置变化而脉动。同时，在任一磁极状态下，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用，而产生的电磁转矩因转子位置不同而发生变化。为减少上述原因引起的转矩脉动，电动机应选择瓦片形永磁体径向结构，并适当增大气隙，同时在电磁设计时，应使电动机空载充分饱和。3)齿槽效应由于齿槽效应存在引起每极下磁阻发生变化，所以也称磁阻转矩。减少齿槽转矩脉动，尽量采用定子斜槽，增大气隙长度和采用分数槽消除齿槽效应的最好办法是采用无槽结构。2、电子换相引起的转矩脉动无刷
10、直流电动机每经过一个磁状态，定子绕组中电流就要进行一次换相，每一次换相电动机中的电流就要从一相转移到另一相得变化对电磁转矩产生一定的影响，这种相电流换相也是引起转矩脉动的重要原因。分析表明换相转矩脉动主要决定于绕组反电动势，也就是电动机的转速，而与电枢稳态电流无关。对于两相导通三相六状态矩形波无刷永磁直流电动机：当转矩很低或堵转时E =0，转矩动脉T=50；当转速很高时，转矩脉动T=-50；当转速满足U=4E 时，T=0。对于相电流换相引起的转矩脉动可以采用重叠换相法来抑制。3、制造工艺原因引起的转矩脉动由于机械加工偏差和工艺精度等原因也造成无刷永磁直流电动机转矩脉动。可分为以下几个方面:1)
11、转动部分加工时不合理造成单边磁拉力增加，这样电动机在转动过程中气隙不均，无疑由此而造成的磁场谐波将会产生比较大的转矩脉动。2）由于定转子装配工艺不合理而造成的单边磁拉力增加，由于使单边磁拉力增加而产生转矩脉动。3)磁极位置不精确，造成励磁磁场波形非正弦性也是造成转矩脉动的原因之一。4)转子位置传感位置放置不准确，使传递信号发生畸变也会使电枢转矩发生脉动。总之，电动机制造过程中制造工艺等方面原因是产生转矩脉动的重要原因，因而无刷永磁直流电动机是制造工艺要求比较高的电机，对制造厂有比较高的要求。123控制策略方面研究的情况现代控制理论的发展与应用带动了许多新型的电机控制策略的诞生，当前应用较多的控
12、制策略有以下几种：1、变结构控制变结构控制是一类特殊的非线性控制方法，其特点是：在控制过程中，系统的“结构”可根据系统当时的偏差及其导数值，以跃变的方式有目的的改变【3】。由于具有响应速度快，对控制对象参数变化及其外部干扰不灵敏，物理实现简单等优点，具有很好的适应性。BLDCM位置伺服方式下的运行均可以采用变结构控制。其缺点是：变结构控制的抖振问题和需要测定扰动量的范围限制了其在实际中的应用。目前大量文献对变结构控制器进行了研究和设计，并取得了一定成绩。用变结构控制理论设计的伺服控制系统具有很好的适应性、鲁棒性、较高的控制精度和较快的响应速度【4,5，6，7】。与自适应控制相结合以提高系统鲁棒
13、性并消除抖振是目前变结构研究的热点，宋海龙等人【8】适应模糊算法设计了无刷直流电动机的变结构速度控制器，实验证明该控制器加快了系统响应速度，降低了变结构控制引起的抖振，也解决了传统变结构控制器的设计需要事先测定扰动量范围的问题。2、智能控制智能控制是目前控制理论发展的高级阶段，其中模糊控制和神经网络控制是在交流传动系统应用中较为成熟的智能控制【9】，人工神经网络(A N N)是近年来发展起来的一门学科，它模拟人脑的工作方式，由大量的基本单元经过复杂的互相连接而成的一种高度复杂、非线性、并行处理的信息处理系统，且具有一定的自学习、自适应、非线性映射能力以及较强的容错性和鲁棒性等优点。模糊控制具有
14、不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，对系统动态响应有较好的鲁棒性，简单实用等众多优点；但难以消除终了时系统的稳态误差，并且容易受到参数变化和扰动的影响。因此目前大多是在模糊控制基础上增加一定的智能控制手段，以弥补模糊控制的缺陷。例如模糊控制和PID相结合的FuzzyPID控制、神经网络和模糊控制、模糊控制和单神经元PID自适应控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控制的结合等。采用模糊控制和PID相结合的FuzzyPID控制设计的直流无刷伺服系统，可实现位置的准确跟踪，提高系统的精度【10】；设计BLDCM调速系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点：响应快，速度无超调，鲁棒性强，抗干扰
15、能力好【11】。采用模糊控制和神经网络控制相结合复合控制，设计的双模模糊神经控制系统具有设计过程简单，系统响应快，鲁棒性强和抗干扰能力强等优点【12,13】。133无位置传感器永磁无刷电动机控制方面的研究1 、特点无位置传感器无刷永磁直流电动机是近几年来产生并得到快速发展的一种新型电机，由于省去了转子位置传感器，因而使电机结构简单，可靠性高，它特别适合于电机体积小、位置传感器无法安装或工作在恶劣环境中，使位置传感器无法可靠工作。无位置传感器无刷永磁直流电动机虽然省去了转子位置传感器，但其工作方式并未改变，仍然是定转子磁极位置来控制逆变器个开关管的导通角。只不过是通过电机本体输入参数经过控制器硬
16、件测试比较或软件计算求得磁极位置。目前这种电机广泛应用于超薄型录音机、立体声收录机、小型磁记录系统、小型空气压缩机等。这种电机的缺点是启动转矩低，只适用于轻载或空载启动的场合。2、换相方法无位置传感器永磁无刷直流电动机常用的换相方法有以下几种：1）利用电动机反电动势信号控制换相：a）过零法：当检测未导通相绕组的反电动势过零时，触发定时器，当定时结束时，逆变器实现下一相的换相。这种方法线路简单、成本低，缺点是对噪音敏感，影响电动动机调速范围。b）锁相环法：每隔一个磁状态，锁定未导通的绕组的相的反电动势波形，以确定逆变器下一个开关的准确时间，这种方法可以随时变化而实现自动调整。c）积分法：把整形后反电动势波形送到积分器中，当输出与预值门槛电压比较后能触发定时器，这种方法降低了对开关噪音的敏感性，实现了随速度变化逆变器换向时间的自动调整。利用反电动势信号控制电动机换相的方法有点事线路简单、成本低；缺点是电动机低速与启动时，反电动势无法测试而需另加起动电路。2)通过检测导通相续流二极管开关状态间接检测电枢反电动势过零点来控制逆变器开关状态，该方法线路简单
