高速永磁无刷直流电机电磁场理论以及无位置传感器技术的研究

摘要

高速永磁无刷直流电机，由于高功率密度，高效率以及控制简单等特点，是目前高速电机研究领域中的热点。其广泛应用于高速电主轴驱动系统和涡轮机械系统，在航空航天、车辆、机械加工以及电子制造等领域具有很高的应用价值。高速永磁无刷直流电机在高速运行中的关键问题主要体现在离心力和温升对永磁体材料机械性能和磁性能的冲击，位置传感器无法满足高速运行的要求以及接触性轴承极限转速的限制。针对以上问题，众多学者展开了方方面面的研究。研究方向主要有转子涡流损耗分析、转子动力学分析、转子应力分析、无位置传感器技术以及轴承支撑技术。
　　本文针对高速永磁无刷直流电机关键问题中的电磁场理论和无位置传感器技术展开了研究，主要工作如下:
　　首先，本文在现有文献的基础上，在似恒电磁场理论体系下进一步完善了高速永磁无刷直流电机空载磁场数学模型，电枢电磁场数学模型以及负载电磁场数学模型（以二二导通方式为例）。其中，考虑速度效应和涡流效应，以静止坐标系为参照，基于双重傅氏级数，在复数域内采用谐性分析方法，通过求解扩散方程解析出了电机内的瞬态电磁场，为转予涡流损耗的建模与分析奠定了理论基础。该数学模型与有限元分析结果进行了对比，证实了所建立的电磁场数学模型的正确性和准确性。
　　其次，本文在所建立的电机电磁场数学模型和坡印亭定理的基础上建立了转子涡流损耗数学模型，并分析了电流各次谐波、材料特性、结构参数对转子涡流损耗以及转子涡流损耗分配规律的影响。提出了以减小转子涡流损耗为目标的高速永磁无刷直流电机的本体优化设计方案。该数学模型与有限元分析结果进行了对比，证实了所建立的转子涡流损耗数学模型的正确性和准确性。
　　最后，本文研究并分析了现有的无位置传感器技术，针对传统无位置传感器技术的不足，和高速永磁无刷直流电机对无位置传感器技术的新要求，提出了一种基于坐标变换的无位置传感器技术。该技术与三次谐波法的无位置传感技术相比，具有信噪比高、不受电机本体结构影响等特点。此外，该技术由于利用正交坐标变换的连续性，可实时估算电机的转速信息，与传统转速计算方法相比具有较高的快速性。
　　在以上理论分析的基础上，本文设计了一台额定转速60 krpm，额定功率2.5kw的原理样机，并进行了空载和负载实验，对空载损耗、空载转矩、机械特性和工作特性进行了分析，并进行了本文所提出的无位置传感器技术的实验验证。

目录

摘要

注释表

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 高速永磁无刷直流电机的研究与发展

1．3 本文的研究思路和内容安排

1．3．1 研究思路

1．3．2 内容安排

第二章 永磁无刷直流电机内的电磁场数学模型

2．1 似恒电磁场理论

2．1．1 物理模型描述

2．1．2 似恒电磁场理论

2．2 空载磁场解析

2．2．1 永磁体数学模型

2．2．2 空载磁场分析模型

2．2．3 有限元仿真与解析比较

2．2．4 空载气隙磁密分析

2．3 电枢电磁场解析

2．3．1 电枢绕组等效电流片数学模型

2．3．2 电枢电磁场分析模型

2．3．3 有限元仿真与解析比较

2．3．4 电枢气隙磁密分析

2．4 负载电磁场解析

2．4．1 负载电磁场分析模型

2．4．2 有限元与解析比较

2．5 小结

第三章 永磁无刷直流电机转子涡流损耗数学模型

3．1 坡印亭定理描述

3．2 转子涡流损耗数学模型

3．2．1 分布参数数学模型

3．2．2 集总参数数学模型

3．3 有限元与解析比较

3．4 影响因素分析

3．4．1 材料特性对转子涡流损耗的影响

3．4．2 几何尺寸对转子涡流损耗的影响

3．5 小结

第四章 高速永磁无刷直流电机本体设计与样机测试

4．1 电机结构和主要尺寸的确定

4．2 涡流损耗屏蔽层的优化设计

4．3 设计实例

4．4 样机测试

4．4．1 实验平台介绍

4．4．2 空载实验

4．4．3 负载实验

4．5 小结

第五章 基于坐标变换的无位置传感器技术

5．1 传统无位置传感器技术

5．1．1 无位置传感器技术概述

5．1．2 传统无位置传感器技术

5．1．3 无位置传感器技术误差分析

5．2 基于坐标变换的无位置传感器技术

5．2．1 坐标变换原理

5．2．2 正交坐标变换转速估计策略

5．3 硬件电路及软件流程

5．3．1 硬件电路

5．3．2 软件流程

5．4 实验研究

5．4．1 低速电机实验

5．4．2 高速电机实验

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文主要工作与创新点总结

6．2 展望

附录一

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文