盘式永磁无刷直流电机的电磁设计.pdf
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浙江大学硕士学位论文盘式永磁无刷直流电机的电磁设计姓名:
王凌峰申请学位级别:
硕士专业:
电机与电器指导教师:
马钧华20050201浙江大学硕士毕业论文V722910摘要盘式永磁电机的气隙是平面型的,气隙磁场是轴向的,所以又被称为轴向磁场电机。
永磁无刷直流电动机由永磁同步电动机、逆变器以及安装在转子轴上的位置传感器构成。
随着高性能的永磁材料如钐钴、钕铁硼的问世,使得永磁无刷直流电动机的性能大大提高。
盘式永磁无刷直流电动机由于其结构简单,运行可靠、轴向结构紧凑等特点,在许多行业中有着广泛的应用前景。
盘式无刷直流电动机的电机本体是盘式永磁同步电动机,只是绕组一般采用集中绕组无槽结构,并选用较少的极数,使得反电动势接近梯形波,便于通过调节极弧系数来减小转矩脉动。
盘式永磁无刷直流电动机的设计可以借鉴圆柱式无刷直流机和一般盘式电机设汁的方法,但又有其独特的特点。
本文主要研究的盘式永磁无刷直流电机的电磁分析与设计。
考虑到盘式电机特殊的磁场形式,本文从磁场分析方法入手,研究了盘式永磁无刷直流电机的电磁设计特点,比较了与普通圆柱式电机之倒的异同,并给出了一个电磁设计程序。
关键词:
盘式无刷电机,电磁设计,CAD浙江大学硕士毕业论文AbstractThepermanentdiskmotorisalsocalledaxialfluxmotorbecauseitsairgapmagnetisaxialBasically,abrushlessdemotorconsistsofapermanentmagnet(PM)synchronousmotor,ailinverteraswellasapositionsensormountedonthemotorshaftTheperformanceofPMBLDChasbeenimprovedsincethehighperformancemagnets,suchassamariumcobaltandneodymium-boronironbecameavailableByreasonsofitssimpleconstructionandstableness,theblushlesspermanentdiskmotorisbecomingmoreattractiveinmanyindustriesThenoumenonofthePMBLDCispermanentmagnetdisksynchronousmotoLhowever,tIlearmaturestructureiSconcentratedandslotlessFortheaimtomakethebackEMFwaveformequaltotrapezeform,thenumberofpoleislimitedHowever,ittakesanotherbenefitthatmakeitpossibletoreducethetorqueripplebymodifythepolararcwidthSincethedesignofPMBLDCissimilartonormalBLDCandcommondiskmotorithasownspecialtiesThepaperresearchestheanalysesanddesignofthepermanentmagnetofPMBLDSForthereasonofitsspecialmagneticfieldthepaperstartsfromthemeansofmagnefiefieldanalysesandnotonlydevelopsit,butalsocomparestothecomlnonmotorsTheprogramtocomputethediskmotorisgivenoutatlastKeyWords:
blushlessdiskmotogmagneticfielddesign,CAD浙江大学硕士毕业论文第1章绪论11盘式永磁无刷直流电机的发展、原理与特点111永磁无刷直流电动机的发展无刷直流电动机是随着电子技术发展而出现的一种新型电动机。
有刷直流电动机具有优良的调速特性,自其在19世纪四十年代诞生后就在运动控制领域中得到了广泛的应用。
但由于其采用电刷以机械方式进行换向,存在相对的机械摩擦,产生了噪音、火花和电磁干扰,寿命短,且经常需要维护等诸多缺点。
针对赢流电动机的弊端,人们提出了用电子换向装置取代机械换向装置的设想。
随着现代科学技术的发展,特别是半导体技术及新型永磁材料的飞跃进步,1962年诞生了世界上第一台利用霍尔元件实现换向的永磁无刷直流电机。
之后,采用接近开关式位黄传感器、电磁谐振式位置传感器、高频耦合式位置传感器、磁电耦合式位置传感器和光电式位置传感器的永磁无刷直流电机也相继问世。
上世纪70年代以来,随着电力电子工业的飞速发展,许多新型的高性能半导体功率器件!
tI:
IGTR、MOSFET、IGBT等相继出现,以及高性能永磁材料如钐钴、钕铁硼等的问世,均为永磁无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。
永磁无刷直流电动机保留了一般直流电动机的优点而克服了其某些局限性,具有宽广的调速范围、平滑的调速性能、起动迅速、寿命长、无滑动接触和换向火花、可靠性高及噪音低等优点,适用于一般直流电动机不能胜任的工作环境。
又具备永磁电机运行效率高、无励磁损耗等特点,在当今国民经济各个领域中的应用日益普及。
112永磁无刷直流电动机的原理浙江大学硕士毕业论文图卜l永磁无刷直流电机原理图一般的永磁无刷直流电机具有如图(I-1)所示的拓扑结构:
主要由电动机本体、位置传感器和功率逆变器三部分组成。
电机本体由定子和转子两部分组成。
与传统的永磁直流电动机不同,永磁无刷直流电机将电枢绕组放在定子上,永磁体则放在转子上。
同时由位置传感器、逆变器触发逻辑电路和功率逆变器共同构成电机驱动系统,根据位置传感器检测的电机转子位置信号,供逻辑电路按一定的逻辑规律触发逆变器,给电机定子绕组供电,保证在运行过程中电机定子绕组所产生的磁场和转子永磁体所产生的磁场,在空间位置上始终保持一定的电角度关系。
无刷直流电机系统的电机本体是永磁同步电动机。
变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机,既具有电励磁直流电动机的优异调速性能,又实现了无刷化,这在要求高控制精度和高可靠性的场合,如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。
其中反电势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机,称为正弦波永磁同步电动机,简称永磁同步电动机;反电动势和供电电流波形都是矩形波的电动机,通常称为无刷直流电动机。
符合图(1-1)所示结构的永磁无刷直流电机有很多。
根据逆变器所采用开关器件的不同,可分为:
采用晶闸管作为逆变器功率器件的电机,一一般称为晶闸管无换向器电机和采用MOSFET、GTR、IGBT等自关断器件作为逆变器功率器件的永磁无刷直流电机。
根据电机绕组相数的不同,可分为两相、三相和多相。
根据绕组连接方式的不同,可分为星形绕组和封闭绕组。
根据换向线路与绕组连接方式的不同,可分为全桥型和半桥型。
浙扛大学硕士毕业诧义113永磁无刷直流电动机的特点与应用如前文所述,永磁无刷直流电机和永磁直流电机相比,最大的特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构。
加之,其转子采用永磁体励磁,没有激磁损耗;发热的电枢绕组通常装在外面的定子上,热阻较小,散热容易。
因此,永磁无刷直流电机在保持了普通直流电机良好的调速和启动性能的同时,还具有无换向火花及无线电干扰,寿命长,运行可靠,维护简便等优点。
一般认为,永磁无刷直流电机既具有永磁有刷直流电机优良的机械特性和控制特性,又克服了有刷电机的缺点,具有更强的竞争力。
即使与同样也是无刷结构的变频调速感应电动机相比,永磁无刷直流电机也有较多的优越性。
交流异步电动机虽然结构简单、运行可靠、价格低廉、结实耐用,一直是工业和家用动力的主要来源,但它的力能指标、效率、功率因数却不是很好。
实践表明,比之异步电动机,永磁无刷直流电机具有以下一些优点:
(1)转动惯量较小,响应更快,具有更高的转矩惯量比;
(2)无需电励磁,具有更高的效率;(3)有齿槽要考虑永磁转子发热,无齿槽基本不发热,发热部分在定子上,散热条件较好,可以取相对高一些的电磁负荷,体积减小,功率密度增大;(4)气隙主磁通是由转子永磁体产生的,使定子绕组电流与产生的转矩可设计成线性关系,控制性能比异步电动机更好。
与开关磁阻电动机相比,由于它般采用实心转子结构,转子上既没有绕组也没有永磁体,因此结构更加简单可靠,适合高速与超高速运行,而且由于开关磁阻电动机功率回路单元不存在桥臂内部的换流,从而不存在桥臂直通现象,简化了电路结构,控制器成本较低。
但是开关磁阻电动机的功率密度和效率要低一些,同时开关磁阻电动机具有严重非线性的特点,且由于开关磁阻电动机的本身工作原理的原因,这种电机具有内在的较大噪音和很大的转矩脉动。
表1-1四种电动机比较种类永磁有刷直流电永磁无刷直流电变频调速异步电开关磁阻电动机项目动机动机动机结构可靠性莘好好好效率较高高较高较低浙江大学硕士毕业论文调速性能好好好较好功率体积比较低高较高低电机本体成本高较高低较低控制器成本低较高较低高表(1-1)从结构可靠性、效率、调速性能、功率密度、电机本体成本和控制器成本六个方面对四类典型电机作了定性比较,结果表明,永磁无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率、优异的调速性能等诸多优越性,并且随着新型钕铁硼永磁的性能的提高和价格的下降,电机的制造成本将不断下降,其优越性将更加明显。
由于永磁无刷直流电机的诸多内在优越性,目前,这类电机已在办公自动化和精密电子设备、工业自动化设备及其伺服系统、航空、航天,航海和军用设备、汽车行业配套用微电机等领域获得了广泛应用,并且应用领域仍在不断扩大。
114盘式永磁无刷直流电机的特点与应用盘式永磁电机的气隙是平面型的,气隙磁场是轴向的,所以又被称为轴向磁场电机。
1821年,法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场电机。
限于当时的材料和工艺水平,盘式永磁电机未能得到进一步发展。
然而,人们逐渐认识到普通圆柱形电机存在些弱点,如冷却困难和转子铁心利用率低等。
20世纪40年代起,轴向磁场盘式永磁电机重新受到了电机界的重视。
目前,国外已开发了许多不同种类,不同结构的盘式永磁电机,其中,犹以盘式永磁直流电机、盘式永磁同步电机和盘式无刷直流电动机等应用最为广泛。
盘式无刷直流电动机借助位置传感器来检测转子的位置,所检测出的信号去触发相应的电子换向电路以实现无接触式换流。
从理论上说,其电机本体结构可以是任意一种盘式永磁同步电动机,只不过绕组有所改变,宣采用少槽或集中绕组以使反电动势波形接近梯形波。
同时,为了保证位置传感器的安装精度,应尽量选用较少的极数。
实际上,大多数盘式无刷直流电动机是无槽结构,这种电机反电动势非常接近梯形波,易于通过调节极弧系数来减小转矩脉动。
盘式永磁无刷直流电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便、轴向结构紧凑、效率高和无级调速等特点,尤其体积小和重量轻,大约为普通永磁电机的浙江大学硕士毕业论文50,特别适用于对体积和重量又苛刻要求的场合以及低速电机中。
由于没有机械换向器的损耗、励磁铜耗及基本铁耗,效率较高,节能效果显著。
在电动车辆、汽车工业、纺织工业、制衣工业等工农业生产和家用电器中具有广泛的应用前景。
随着永磁材料钕铁硼制造工业的不断完善,性能逐步提高,价格相对有所降低,使得设计制造具有较高功率密度的大容量电机成为可能。
12永磁无刷直流电机CAD技术的研究永磁无刷直流电机是集材料技术、电力电子技术、微电子技术、检测技术、电机设计、制造与控制技术于一体的高科技含量的电机,是一种典型的机电体化产品。
目前国内外学者对永磁无刷直流电机的研究工作也主要集中在这几个方面,并取得了相当多的进展。
本文所讨论的内容属于电机设计的领域。
121电机CAD的发展与特点计算机技术的高速发展以及它在各行业中的广泛应用是近二十年来最引人瞩目的成就。
在工程设计领域,计算机辅助设计(CAD。
ComputerAidedDesign)就是计算机技术的成功应用之一。
电机的计算机辅助设计,是CAD技术在电机设计中的具体应用。
由于近代科学技术的飞速发展以及快速变化的市场的具体需要,传统的手工设计方式己经无法满足要求,用户已经无法忍受那些耗时繁杂的简单重复手工计算,希望设计电机建立在更加完善的理论基础上,精确度更高,得出的数据更完整,设计出的电机根据设计要求达到最优,同时希望在设计阶段就能够预测出电机的全部性能和参数,并以最直观的形式给出各个结果,缩短产品的试制周期、降低试制费用,并最终实现电机设计自动化。
电机CAD技术发展很快,它跨越了分析设计、综合设计和优化设计几个发展阶段,经历了设想、研究、开发和推广应用的过程,己逐步走向成熟。
随着当前计算机技术的迅猛发展,电机CAD正向集成化、智能化与实用化的方向发展。
由于电机设计过程中的未知参数很多,且许多技术指标及结构和电磁没计参数之间无法用显式函数表示,而必须通过不断迭代的设计分析才能完成,因此电机设计过程就是求解多未知数的不定式隐式方程。
归纳起来,电机CAD的特点为:
1、反复求解多未知数、非线性、隐式不等式方程组,必然要通过反复的假浙江大学硕士毕业论文设、多方位、全过程的修改、分析、计算,因此电机CAD的特点应该首先体现在如何辅助设计人员简单、快速、准确的找到最佳答案,也就是设计过程的优化。
2、电机CAD需要频繁地使用大量的经验参数、曲线、图表及各种标准,如何将这些成熟的数据集成,且有效、方便的为设计人员服务,也是一个理想电机CAD所应具有的功能。
3、传统的手算电机设计程序能充分体现设计者的设计意识,设计者可以在任何地方决定设计过程是前进还是返回,因此必须合理编带JJCAD程序,摆脱CAD设计初期操作者只是被动应答的局面,真正体现CAD的本意:
4、电机优化设计目标函数和约束函数的非线性状态,决定了电机优化设计必须采用直接搜索法一类的非线性规划方法,而这类方法本身并不具有基于专家专业知识和经验分析、判断和处理问题的能力。
对于电机优化设计这种复杂多目标、多约束、非线性的混合离散型多维空间优化问题,仅用直接搜索功能是远远不够的,中间还需要进行许多复杂的、特殊的或需要专业知识的处理,才能达到预期的效果。
加之设计前期的技术资料准备和概念设计在整个设计中占有较大的比重,设计过程的数据处理也相当繁琐,这部分工作如果不进行改革,就不可能大幅度提高电机设计的总体设计水平和效率。
122电机CAD的研究内容CAD技术涉及面很宽,研究内容很丰富。
电机CAD主要研究科学计算、图形处理及数据库等方面的内容:
1、科学计算它是电机CAD研究的重要内容,包括建立电机设计的数学模型、电磁设计与性能分析、电磁场与物理场的分析计算、优化设计、结构设计等。
2、图形处理电机设计除了以上大量的数值计算问题外,还有许多非数值计算问题,绘图也是电机设计不可缺少的内容。
电机CAD的图形处理指借助计算机生成和绘制电机的各类图形,它可分为两类:
一类是根据设计计算出的结构参数按实际比例绘图,如电枢冲片图、磁路结构图等;另一类是根据计算得出的物理量和它们之间的函数关系,绘制各种图形曲线,如永磁体工作图,电机机械性能曲线等。
3、数据库它是现代CAD系统主要的组成部分,电机的科学计算和图形处理浙江大学硕士毕业论文产生的数据数量大、类型多,关系复杂,通过建立各类数据库将这些信息按一定的规则组织起来,形成相互关联的数据集合,以达到存储空间小,减少冗余程度,数据资源共享,存储方便,操作简单快捷的目的。
131论文的研究内容由以上的介绍可知,电机CAD的一个核心部分就是电机的性能分析。
本文通过分析盘式永磁无刷直流电机电磁关系,并在此基础上完成了电磁设计程序。
论文第二章阐述了盘式永磁无刷直流电机的几种电磁设计方法:
磁路法、有限元法与场路结合法。
第三章讨论了盘式永磁无刷直流电机电磁设计的一些具体内容。
第四章讨论了程序中的一些问题,给出几个算例。
第五章分析了盘式永磁无刷直流电机在直接驱动中的应用,全文作结。
浙江大学硕士毕业论文第2章电机电磁设计方法永磁电机和电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。
永磁体在电机中既是磁源,又是磁路的组成部分。
永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关,还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关,具体性能数据的分散性很大。
而且永磁体在电机中所提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。
此外,永磁电机的磁路结构多种多样,漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大,铁磁材料部分又比较饱和,磁导是非线性的。
这些都增加了永磁电机电磁计算的复杂性,使计算结果的准确度低于电励磁电机。
本章探讨了应用于盘式永磁无刷直流电机电磁设计中的两种常用方法:
磁路法和电磁场数值计算法,阐述了它们的原理,分析了它们的优缺点。
并讨论了这两种方法的结合场路结合法的原理与其在设计中的应用。
21磁路法211磁路法的基本原理磁路计算是研究电机的基本方法之一,通过计算可以对电机内部的电磁一情况有较好的了解。
磁路计算中有两个基本定律。
磁路基尔霍夫第一定律:
在磁路中,根据磁路的连续性,可以得到磁路基尔霍夫第一定律,即磁路中通过任何闭合面上的磁通的代数和等于零,也就是说进入闭合面的磁通等于离开闭合面的磁通。
用数学公式表示为y西=0(21)磁路基尔霍夫第二定律:
根据磁路中的麦克斯韦方程q朋=(22)式中磁场强度;各段磁路的长度;线积分路线所包围的导体数;每根导线所流过电流。
可以得出磁路基尔霍夫第二定律浙江大学硕士毕业论文皿=删(23)即闭合磁路中,各段磁压降的代数和等于闭合磁路中磁动势的代数和。
(a),歌r(b)图21永磁材料的内禀曲线和退磁曲线212永磁无刷直流电机的等效磁路研究永磁无刷直流电机的磁路,为了便于分析研究,先从退磁曲线为直线、回复线与退磁曲线重合的稀土永磁材料的模拟入手,导出磁通源与磁动势源两种9塑坚查堂堡主兰些堡苎等效磁源,然后推广应用到其他永磁材料。
在均匀磁性材料中,磁感应强度B、磁化强度M和磁场强度H之间的关系为B=#oM+出_lH(24)内禀磁感应强度Bi=。
(25)图21(a)示出了稀土永磁材料典型的内禀曲线及退磁曲线。
在计算永磁电机磁路时,更常用的是磁通中和磁动势F这两个物理量,即使用庐=f(F)曲线。
实际上,只要将B=f(H)曲线的纵坐标乘以永磁体提供每极磁通的截面积,横坐标乘以每对极磁路中永磁体磁化方向长度,也就是将图2-1(a)的B=f(H)曲线转换为图21(b)的多=f(F)曲线。
即糌乞)(2-6)即函。
2喀一锄J式中厶永磁体提供每极磁通的截面积;幺永磁体向外磁路提供的每极总磁通,或=B厶啡永磁体虚拟内禀磁通(wb),对于给定的永磁体性能和尺寸它是一个常数,唾=Br以(27)或永磁体的虚拟内漏磁通,或叫虚拟自退磁磁通,瓯=以乞。
式中以永磁体的内磁导,对于给定的永磁体性能和尺寸,它是一个常数。
而B=圾(28)厶每对极磁路中永磁体磁化方向长度;F卅每对极磁路中永磁体两端向外磁路提供的磁动势。
永磁电机在运行过程中,永磁体向外磁路提供的磁动势C和磁通幺都是变化的,计算比较麻烦。
经过上述处理后,就可以将永磁体等效成一个恒磁通源痧浙_;工大学硕士毕业论文和一个恒定的内磁导,to相并联的磁通源,如图2-2(a)所示,大大简化了磁路计算。
L陋。
,洼,宁k1I(a)(b)图2-2永磁体等效成磁通源和磁动势源正如电路中电压源和电流源可以等效互换一样,磁路中的磁通源也可以等效变换成磁动势源。
有式2-6可得西。
2西r一西o。
A。
t一0F。
(2-9)或只=E一吃Ao式中只永磁体磁动势源的计算磁动势,对于给定的永磁体性能和尺寸,它是一个常数,t=H:
L。
(2-10)因此,永磁体也可以等效成一个恒磁动势源E与一个恒定的内磁导A。
相串联的磁动势源,如图22(b)所示,它与图2-2(a)所示的磁通源是等效的,两者可以互换。
在应用时可根据不同的场合,从方便计算的角度进行选择。
213外磁路的等效磁路永磁体向孙磁路所提供的总磁通嚷可分为两部分,一部分与电枢绕组有效部分匝链,称为主磁通啄:
另一部分不与电枢绕组有效部分匝链,称为漏磁通吃。
相应地将永磁体以外的磁路分为主磁路和漏磁路,相应地磁导分别为主磁导以和漏磁导A。
永磁电机的外磁路比较复杂,主磁导和漏磁导是各段磁路磁塑翌盔兰堡圭望些燮导地合成。
在空载情况下,外磁路的等效磁路如图2-3所示。
图2-3空载时外磁路的等效磁路在负载运行时,根据电机原理可知,主磁路中增加了电枢磁动势,设每对极磁路中的电枢磁动势为只,其相应的等效磁路图如图2-4(a)所示。
根据对励磁磁场作用的不同,只起增磁或去磁作用。
在本文中,为正值时表示去磁作用;只为负值时表示起增磁作用。
为便于分析计算,可用戴维南定理将图2-4(a)的等效磁路变换为图2-4(b),其中小分肾警舻k,九(2-11)巧2乞击mq-__2E惫。
乏(2-12)以以式中A外磁路的合成磁导(H)。
图24负载时外磁路的等效磁路214永磁电机的等效磁路将图24与图22合并,得到负载时永磁电机总的等效磁路,如图2-5塑望查堂堡圭兰些丝苎所示。
令E=o,即得到空载时的等效磁路。
(a)图25负载时永磁电视的等效磁路(b)a)磁通源等效磁路b)磁动势源等效磁路215主磁导和漏磁导永磁电机的主磁路通常包括气隙、定
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