基于软磁铁氧体的高速永磁无刷电机磁场分析及弱磁结构研究

摘要

随着高速轴承技术和电机控制技术的发展，高速永磁电机以其低转子损耗、高功率密度的特点，应用越来越广泛。然而，在高速状态下，永磁电机铁心内磁场交变频率很高，定子铁耗很大，发热严重。为了减少定子铁耗，本文结合软磁铁氧体高初始磁导率、高电阻率、低成本的特点，提出了一种基于软磁铁氧体的高速永磁无刷直流电机结构，并对这种电机进行了深入地分析，主要内容如下：
　　 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，转子采用钕铁硼磁环，构成无齿槽电机结构，通过定转子尺寸的合理匹配可以使软磁铁氧体和转子钕铁硼各自运行于理想工作点，提高了电机功率密度的同时使电机铁耗大大降低，效率明显提升。通过样机实验证明本文提出的电机设计方案是正确可行的。
　　 其次，对基于软磁铁氧体的高速永磁无刷直流电机内部磁场进行了深入分析研究。一方面，通过分析计算无齿槽结构永磁电机内的气隙磁场分布特点，指出电机气隙内磁场分布不均匀，即同一根绕组导体处于不同的位置感生旋转电动势不同。同时转子磁钢充磁方式对电机气隙磁场影响较大，通过计算比较发现转子磁钢采用平行充磁可以有效提高电机内气隙磁场的大小，适用于高速永磁电机。另一方面，基于无齿槽电机气隙磁场的解析计算结果，进一步推导了该类电机绕组感生电动势解析计算公式，其计算结果与有限元对比，吻合较好，证明该计算方法准确可行，为电机的设计计算提供依据。另外，由于无齿槽结构电机有效气隙很大，电机的端部漏磁严重，本文利用三维有限元分析了电机的端部漏磁，指出端部漏磁对于靠近端部的气隙磁场影响严重，电机设计时必须考虑这一因素的影响。基于此本文提出了一种改进的转子励磁结构，以改善电机端部漏磁，通过三维有限元计算结果证明该转子励磁结构是有效的、可行的。
　　 再次，结合软磁铁氧体材料饱和磁感应强度较低以及软磁铁氧体为各向同性软磁材料的特点，提出了一种新的高速永磁电机弱磁结构，电机的直流励磁绕组通过外部旁路铁轭给电机定子铁心加一轴磁场使其饱和，从而增大转子永磁磁路的磁阻，达到弱磁的目的。通过三维有限元分析计算，证明此弱磁结构的正确性、有效性。为了简化有限元计算，对上述弱磁结构电机的三维磁场，提出了一种等效的二维有限元模型，通过与三维有限元计算结果的对比证明该二维等效模型是准确可靠的。
　　 最后，基于无位置传感器无刷电机专用芯片ML4425，本文设计了一套高速永磁无刷直流电机控制系统，并进行了样机实际运行试验，证明了此控制系统的可行性。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 高速电机发展现状

1.3 高速永磁无刷直流电机的发展及应用现状

1.4 课题意义及论文主要工作

第2章 永磁无刷直流电动机的原理及设计特点

2.1 永磁无刷直流电动机的工作原理

2.2 高速永磁电机的定子设计

2.2.1 定子铁心材料的选取

2.2.2 定子无齿槽结构

2.3 高速永磁无刷直流电机的无位置传感器控制

2.4 本章小节

第3章 基于软磁铁氧体的高速永磁无刷直流电机

3.1 概述

3.2 软磁铁氧体的特点

3.2.1 软磁铁氧体的初始磁导率

3.2.2 软磁铁氧体的损耗

3.3 基于软磁铁氧体的永磁无刷直流电机磁场研究

3.3.1 永磁无刷直流电动机磁场分析

3.3.2 两种充磁方式的比较

3.4 定子绕组空载感生电动势的计算

3.4.1 气隙磁场的解析计算

3.4.2 绕组感生电动势的计算

3.5 基于软磁铁氧体永磁无刷直流电机端部磁场的研究

3.5.1 电机端部磁场的研究

3.5.2 电机气隙磁场端部漏磁的改进

3.6 本章小节

第4章 永磁无刷直流电机的弱磁新结构

4.1 概述

4.2 弱磁新结构的提出及其工作原理

4.2.1 永磁无刷直流电机弱磁原理

4.2.2 新型弱磁结构的提出及其工作原理

4.3 电机有限元模型的建立及仿真结果分析

4.4 电机弱磁结构的等效二维有限元模型

4.5 本章小结

第5章 永磁无刷直流电机无位置传感器控制器的设计

5.1 概述

5.2 功率逆变电路的设计

5.2.1 功率器件的选择

5.2.2 驱动电路的设计

5.3 ML4425芯片的结构和原理

5.4 ML4425关键技术分析

5.4.1 反电势PLL换相控制技术

5.4.2 ML4425过电流保护电路

5.5 ML4425外围参数的确定

5.5.1 VCO电压频比电容Cvco的选取

5.5.2 PWM速度控制参数的选取

5.5.3 起动参数的选取

5.6 永磁无刷直流电机控制应用实现

5.7 样机实验及其结果分析

第6章 全文总结

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表