无齿槽高速永磁无刷直流电机参数计算与结构优化的研究

摘要

高速永磁无刷直流电动机具有功率密度大、几何尺寸小、动态响应快、运行效率高等一系列优点，在高速运行场合具有广阔的应用前景。然而，高速状态下的永磁电机磁场交变频率很高，定子铁耗大，发热严重，齿槽转矩会导致转矩波动，严重影响系统的控制精度。本文结合软磁铁氧体高磁导率、高电阻率、低成本的特点，将其用作高速永磁无刷直流电机的定子铁心，同时采用定子无齿槽结构，可以有效地降低铁耗并彻底消除齿槽转矩的影响。本文主要围绕该种电机的结构、磁场分布、优化设计及控制系统等方面展开研究。
　　 首先，基于软磁铁氧体高磁导率、高电阻率的特点，将软磁铁氧体磁环作为电机定子铁心，转子采用钕铁硼永磁磁环，构成无齿槽电机结构，并对该种电机的内部磁场进行了深入分析。一方面，通过分析无齿槽电机气隙磁场的分布特点，指出该种电机在大有效气隙内的磁场分布很不均匀，绕组的感生电动势与导体位置有关。因此，本文引入了无齿槽结构电机气隙磁场的解析计算，推导了该种电机的绕组感生电动势，通过与有限元计算结果及实测值进行比较，证明了该计算方法的正确性，为该类电机的设计计算提供理论依据。另一方面，由于无齿槽结构电机的有效气隙很大，导致端部漏磁严重，本文利用三维有限元分析了电机的端部磁场，指出端部漏磁对靠近端部的气隙磁场影响严重，进行电机设计时必须要考虑这一因素的影响。
　　 其次，由于定子绕组电感对永磁无刷直流电机的工作特性有较大影响，而无齿槽结构的永磁无刷直流电机气隙很大，端部漏磁场严重，加上其较长的端部线圈，导致电机端部漏感较大，传统电机绕组电感的计算方法已不适用，因此，本文采用能量法计算了定子绕组直线部分电感，从电磁场基本理论出发，推导了端部漏感的计算方法。通过与有限元计算结果及实测结果的比较，证明了本文所推导的绕组电感计算方法是正确的，为准确研究无齿槽结构永磁无刷直流电动机的电磁性能提供了有力依据。
　　 再次，由于定子软磁铁氧体饱和磁感应强度低(约0.4T)而转子钕铁硼永磁材料工作点较高，必需通过定转子尺寸的合理匹配才能使它们达到各自的最佳工作点，因此定转子尺寸的合理匹配是该类电机设计的关键问题。本文首先在相绕组感生电动势解析计算的基础上，推导了电机功率密度的解析计算表达式，由此说明电机结构尺寸对其功率密度的大小具有重要影响。然后，以电机单位体积的功率密度最大为目标，将电机定子内径和永磁体外径作为优化变量，构建电机结构尺寸的优化模型，利用遗传算法确定电机定转子尺寸，从而得到该类电机定转子尺寸匹配设计的基本方法。最后，利用Matlab仿真和有限元仿真两种方法进行结果验证，表明电机优化后软磁铁氧体磁环和钕铁硼永磁磁环的工作点匹配更加合理，电机的功率密度有了显著提高。以上方法完全可以应用于该类电机的电磁设计过程中，对提高该类电机的设计水平具有极高的理论价值。
　　 最后，基于dsPIC30F2010增强型16位闪存数字信号控制器，本文采用空间矢量调制的方法，设计调试了无刷直流电机的正弦驱动控制系统。通过实际调试试验，初步实现了电机的正弦驱动，实验波形比较理想，电机的转速、转矩也比较平滑，振动噪声得到了改善。