高速永磁无刷直流电机综述

1、高速永磁无刷直流电机综述电机专题老师：戈宝军学生：崔广慧学号：1320300012高速永磁无刷直流电机综述摘要高速电机现正成为电机领域的研究热点之一。其主要特点有两个：一是转子的高速旋转；二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率。由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。无刷直流电机以下简称（BLDC)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域。近年来,随着无刷直流电机应用领域的不断扩大各种控制算法和控制策略也相继出现为了便于理论

2、分析和验证各种控制算法和策略建立正确的无刷直流电机模型就显得非常重要。因此高速永磁电机的应用前景非常广阔。然而在高速永磁电机设计的过程中存在着许多的技术难点。随着科学技术的不断发展，对永磁无刷直流电机调速系统转速和转矩的性能要求越来越高。各种传统的控制方法也伴随着科学发展和技术进步不断更新，许多经典的控制方法在新技术硬件平台上获得了比以往更优良的性能。特别是数字信号处理器和可编程逻辑器件出现，极大地推动了永磁无刷直流电机控制技术不断向集成化、智能化方向发展。关键字：高速电机，无刷直流，热点，难点Summary of the high-speed permanent magnet brushle

3、ss DC motorAbstractHigh-speed motor is now becoming one of the hot motor areas. Its main features are two: First, the high-speed rotation of the rotor; Second, the iron core stator winding currents and high frequency flux. Which determines the key technology is different from ordinary motor speed mo

4、tor specific. Hereinafter referred to as the brushless DC motor (BLDC) with the development of power electronics technology and new permanent magnet materials rapidly maturing of a new motor. Its small size, light weight, high efficiency, low inertia and high precision control, while retaining the n

5、ormal DC motor is widely used in excellent mechanical properties Servo-controlled areas, CNC machine tools, robots and so on. In recent years, with the continuous expansion of brushless DC motor applications of various control algorithms and control strategies have also emerged in order to facilitat

6、e the theoretical analysis and validation of various control algorithms and strategies to establish the correct model of a brushless DC motor is very important. Therefore, the high-speed permanent magnet motor prospects are very bright. However, there are many technical difficulties in high-speed pe

7、rmanent magnet motor design process. With the continuous development of science and technology, the performance requirements of brushless DC motor speed control system speed and increasing torque. Various traditional control methods is also accompanied by scientific development and technological pro

8、gress constantly updated, Many classical control methods on a new hardware platform technology to obtain a more excellent performance than ever. In particular digital signal processor and a programmable logic device occurs, Greatly promoted the permanent magnet brushless DC motor control technology

9、continues to integrated, intelligent direction.Keywords: high-speed motors, brushless DC, hot, difficult目录摘要IAbstractIII第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义31.2 无刷直流电机的发展41.2.1 电力电子技术的发展41.2.2 新型永磁材料的发展51.2.3 DSP 的应用61.2.4 控制策略61.3高速电机的国内外研究现状71.3.1 国外研究现状71.3.2 国内发展状况8第2章 高速永磁无刷直流电机电磁方

10、案的设计102.1 高速永磁无刷直流电动机的工作原理102.1.1 高速永磁无刷直流电动机的本体结构10第3章 高速永磁无刷直流电机存在的难点、热点与展望223.1高速永磁无刷直流电机的难点223.2高速永磁无刷直流电机的热点22参考文献25千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行V 第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 课题研究的背景高速加工和精密加工是未来制造业发展的两个方向，是高速加工，它不仅具有极高的生产率，且可显著提高零件的加工精度和表面质量，实现工程陶瓷、玻璃、

11、半导体硅等特殊材料的高效精密加工，在航空航天、精密仪表制造等高精尖领域获得了广泛的应用。电主轴是高速机床的核心部件如图1-1所示，其特点是将机床主轴功能和电机功能从结构上融为一体，省去了复杂的中间传动环节，具有速度高、精度高、调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和定向停等优点。电主轴的性能决定了高速机床的性能和技术水平，而超高速电机是电主轴技术的基础为了超高速电主轴的实现，就必须将先进的材料、电机设计理论、电力电子技术、数字控制技术和控制理论等运用到电机领域1。图1-1 高速电主轴Figure 1-1 high-speed spindle一、高速电机 高速永磁电机的技术涉及了多个学科，

12、是集材料科学，电力电子技术、控制理论、电机的本体设计以及制造于一体的新型机电产品，这些新兴技术的产生也为高速永磁电机的发展奠定了扎实的技术基础，目前高速电机的研究也已成为国际电工领域的研究热点之一。所谓高速电机通常是指转速超10000r/min的电机。它们具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态相应快。基于以上优点，高速电机在以下各方面具有广阔的应用前景1：1、高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用，而随着科学技术的发展，特殊

13、要求越来越多，它的应用也会越来越广泛。2、随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并在混合动力汽车，航空，船舶等领域具有良好的应用前景。3、由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。 由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度；又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。 轴承的研究也是与高速电机密不可分的内容，因为普通轴承难以承受在高速系统中承受长时间

14、运行，必须采用新材料和新结构的轴承。目前人们正在研究的类型有气动轴承及磁力轴承。高速电机可以有多种结构形式，如感应电机、永磁电机和磁阻电机等。电机在高速旋转时的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。 在转子动力学发展的近百年的历史中，出现过很多计算方法，发展到今天，现代的计算方法主要可以分为两大类：传递矩阵法和有限元法。 有限元法的运动方程表达方式简洁，规范，在求解转子动力学问题或转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时，有很多优点。有限元法对复杂转子系统剖分庞大，计算结果比传递矩阵法准

15、确，然而计算耗时长，占用内存大。现代计算机技术的发展，给有限元法提供了良好的硬件技术，目前，有限元方法得到了广泛的应用。 总而言之，国外对高速电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多的研究成果，而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，技术必将以更快的速度向前推进。国内对高速电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。二、永磁材料介绍及永磁电机 永磁材料是指经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而提供磁场的一种特殊材料，也称硬磁材料。 最早的永磁材料是磁铁矿，在最初的电机中，人们利用磁铁矿石建立所需要的磁场。随着科学技术的进步，永磁材料近年来开发很

16、快，出现了性能各异的永磁材料。衡量永磁材料的好坏，主要是根据它的剩磁磁密Br、矫顽力Hc、最大磁能积（BH）max和回复系数以及机械加工性能和稳定性等。现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。永磁电机的优点有：一是取消了励磁系统损耗，提高了效率。二是励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠。三是电机的尺寸和形状灵活多样，体积小。由于电子技术和控制技术的发展，永磁电机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往电机的概念和应用范围已被当今的电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。

17、通过对感应电机和同步电机的电磁、热和机械方面的比较，指出永磁电机是应用在高速电机的最佳选择。三、高速永磁电机高速永磁电机的技术涉及了多个学科，是集材料科学，电力电子技术、控制理论、电机的本体设计以及制造于一体的新型机电产品，这些新兴技术的产生也为高速永磁电机的发展奠定了扎实的技术基础，目前高速电机的研究也已成为国际电工领域的研究热点之一。所谓高速电机通常是指转速超10000r/min的电机。它们具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态相应快

18、。 高速永磁电机与普通的电机相比具有以下以下优点： 1、高速永磁电机的转子一般比较细圆长，因而电机具有的转动惯量小，动态响应快的优点。2、由于电机本身的转速较高，单位体积所产生功率大，和功率相等转速低的电机相比体积要小很多，这样在减轻电机重量的同时也减小了成本。3、高速永磁电机可以直接与负载相连，既减小了整体设备的体积，又可以避免由系统中附加的变速装置引起的电机附加损耗、振动及噪声，而且还提高了整个传动系统的运行效率、运行精度和可靠性。1.1.2 课题研究的意义由于高速电机具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，所以在以下各方面具有广阔的应用前景1：1、高速永磁电动机已

19、经在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、速磨床、纺织等诸多场合得到越来越广泛的应用，而且随着高速永磁电机研发技术的深入，特殊要求越来越多，它的应用会越来越广泛。2、高速永磁电机在航空、船舶、混合动力汽车等领域具有良好的发展空间，尤其是在汽车工业领域，随着混合动力汽车的日益发展,体积小、重量轻的高速发电机将会得到更充分的应用，高速永磁电机现在已经广泛应用于欧美国家的军工领域。3、高速永磁电机在分布式发电系统中也有着很重要的作用。永磁发电机本身体积特别小，当由燃气轮机驱动时,整个系统就会具有较高的机动性，可用来为医院、宾馆及其它重要设施提供备用电源，也可作为独立的电源或小型发电站，弥补集中式供电方

20、式的不足，具有较高的实用价值。但是高速电机转速高，体积小，给电机的设计，损耗的计算到温升的计算及散热技术带来很大的问题，目前都没有得到很好地解决，还存在着众多的问题，制约着高速电机的发展。因此对高速电机的电磁设计、特性分析、设计软件、损耗和温升计算、电机的冷却等关键问题进行系统的研究是非常必要的。高速电机应用比较多的形式有高速电动机和高速发电机两种，高速电动机主要被用于空调和冰箱的压缩机和储能电池，在纺织行业也有大范围的应用，还有高速磨床也有它们的应用，在其他领域高速电机的应用也是比较广泛的，例如航天、航海还有陆地交通等方面的应用，而且随着科学技术的发展，在不同的场合，高速电机的应用将会也越来

21、越广泛。1.2 无刷直流电机的发展时至今日，无刷直流电机经历了半个世纪的发展，在电力电子技术、微电子技术、新型永磁材料以及新型控制理论的推动下，应用遍及医疗器械、航空航天、仪器仪表、计算机外设驱动、办公自动化及家用电器等方面，显示出广阔的应用前景和强大的生命力。1.2.1 电力电子技术的发展电力电子技术特别是电力电子器件的发展对无刷直流电机及其控制的广泛应用奠定了坚实的基础。自上世纪 70 年代以来，各种电力电子器件层出不穷，发展异常迅速。晶闸管（SCR）是五十年代出现的第一代功率半导体器件。它是一种半控性器件，由晶闸管构成的静止变频电源要想实现变频调速必须配以强制换向电路才能可靠换流。因此，

22、控制线路复杂，效率低，可靠性差。同时，晶闸管的开关频率低，变频电流中含有大量谐波成分，转矩脉动大，噪声及发热严重。从上世纪八十年代开始，以全控化、集成化、高频化为特点的现代电力电子技术得到迅速发展，各种高频、大电流、高可靠性的全控型功率器件，如门极可关断晶体管（GTO），大功率晶体管（GTR），功率金属氧化物场效应管（POWER MOSFET），静电感应晶体管（SIT）等先后问世。其中的 MOSFET 是单极性电压控制器件，不但具有场控自关断能力，而且具有输入阻抗大、管压降小、工作频率高、无二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好及驱动电路简单等优点，在小功率场合应用极广。八十年代后期开始，高

23、频高压大电流的新型复合器件的发展成为电力半导体发展的重要方向，其中尤以门极绝缘双极性晶体管（IGBT）最为突出，在各个领域中有取代其它全控器件的趋势。IGBT 集 MOSFET 和 GTR 的优点于一身，具有电压性控制，输入阻抗高，驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，器件容量大等特点，并且驱动简单，保护容易，这些都使 IGBT 在实际应用中具有了更大的吸引力。是一种理想的新型功率半导体器件。集成门极换向晶体管（IGCT），电子注入增强栅晶体管（IEGT），MOS 门极控制晶闸管（MCT）等功率器件进一步丰富了电力电子器件应用的范围。IGCT 是在 GTO基础上发展而来的，开通时相当于晶闸管，关

24、断时相当于晶体管，有效协调了通态电压和阻断电压的矛盾；IEGT 兼有 IGBT 和 GTO 两者的优点：低的饱和压降，宽的安全工作区，低的栅极驱动功率以及较高的工作频率；MCT 具有如晶闸管般良好的通态特性，优良的开通和关断特性，耐压高等特点，成为电力装置和电力系统中高压大功率器件的发展方向。九十年代中期出现的智能功率模块（IPM）是将 IGBT 与其驱动电路、控制电路和保护电路集成在一个模块内。是功率器件发展的一个重要分支。目前，发达国家正在向第三代功率半导体器件功率集成电路（PIC）方向发展。与 IPM 相似，PIC 包含一组功率器件以及一组独立的功能电路。PIC 不但能提供一定的功率输出

25、能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，这使装置性能和可靠性得到很大的提升。1.2.2 新型永磁材料的发展稀土永磁材料的出现对无刷直流电机的发展起着强有力的推动作用。采用稀土永磁体的无刷直流电机不仅保持了一般无刷直流电机的优点，如可靠性高、维护方便、结构简单、散热容易、转速不受机械换向限制、噪声小等，而且还具有以下优越性：1、由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量、减小体积；2、稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，因而可以产生很大的气隙磁通，大大缩小了永磁体转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，改善电机的动态特性。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气

26、隙宽度可以选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的转矩波动，也可以抑制电枢反应对转矩波动的影响20；3、稀土永磁材料的内禀矫顽力极高，磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计成方波电机，当与 120°导通型三相逆变器相匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减少力矩波动，同时提高电机的出力。而且，电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能要求；4、稀土永磁材料的去磁曲线是线性、可逆的，该特性给稀土永磁无刷直流电机的工作点计算带来方便，简化了磁路设计和磁场分析方法。由于稀土永磁无刷直流电机具有上述一系列

27、优点，因而，其用途更广泛，特别适合于对性能、体积、重量要求更高的场合。1.2.3 DSP 的应用模拟驱动控制系统由模拟器件构成，系统只能实现简单的控制，功能单一，而且由分立器件构成的系统精度不高，温漂严重，已经不适合现代工业发展的需要。在以前对电机的控制策略还不丰富，控制算法还不复杂的时候，人们普遍使用一些 8 位或 16 位的微控制器来充当系统的主控制器，比如 Intel 公司的 51 和196 系列，微芯公司的 PIC 系列等。随着控制策略和算法的复杂化，传统的微控制器已经很难胜任这样复杂的工作了。随着半导体技术的长足发展，数字信号处理器（DSP）的出现为人们提供了一个新的硬件平台解决方案

28、23。DSP 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴技术7。其基本功能是快速读入数据并对这些数据进行复杂的计算和处理，并实时输出运算的结果。DSP 处理器往往包括多个空间并能同时访问这些空间。先进的数据并发存取技术和成熟的 ALU（算术逻辑单元）使 DSP 具有很强的实时数据处理能力。DSP 通常应用于音频、视频或图象处理和工业控制。另外在通信、雷达、声纳系统，以及生物医学等领域，DSP 也可以说是无处不在。到目前为止，DSP 芯片的开发商已经研制出多种 DSP 体系结构，其中很多都是基于嵌入式应用。它们把很多微处理器常用的子系统（如 UART、SPI、ADC 等）都集成到 DSP 的

29、内核中。同时其指令集也是 DSP 指令（执行数据的移动和运算）和传统微处理器指令的混合。在电机控制领域，DSP 体现出越来越突出的优势。相对于传统的处理器而言，一个装有 DSP 芯片的嵌入式系统，在执行一些复杂软件和高级算法方面，有着更高的效率。在电机的数字控制系统中，早期的 DSP 主要用于控制算法的运算，现在，DSP 可以处理几乎所有的工作。许多控制算法，包括自适应、多变量寻优、学习、自校正、神经网络、遗传算法和模糊逻辑，都可以用 DSP 实现。对于许多系统，必须估计系统参数，DSP 有足够的能力在处理其它任务的同时进行系统辨识和参数估算。在系统运行过程中，故障的诊断和保护功能是必不可少的

30、，由 DSP 作控制器的系统能够轻松地实现这些功能。另外，在许多控制系统中 DSP 还可以实现非控制功能，包括与上位机的通信、界面任务和总线操作协议等。1.2.4 控制策略电机控制系统常用 PID 控制。PID 控制是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种控制方法。它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数更易调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。将它应用到数字系统中，通过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。故工程实践中多采用 PID 作为系统控制算法。由于永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，针对较高性能要求，近些年来，结合现代控制理论，提出了很多新型

31、的电机控制方法。如变结构控制、无传感器控制、智能控制等。变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，无刷直流电机的位置伺服方式下的运行大都采用变结构控制。从控制系统的成本、维护性、可靠性等方面来考虑，无传感器的传动系统对提高系统的可靠性和对环境的适应性具有更重要的意义，为国内外学术界高度重视，成为近年来研究的热点。智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制、专家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。综合永磁无刷直流电机的发展与现状，可以看出采用以微处理器

32、为基础的数字控制技术，以现代控制理论为代表的控制规律，实现全数字化、智能化是未来高精度、高可靠性的永磁无刷直流电机控制的重要发展方向。1.3高速电机的国内外研究现状1.3.1 国外研究现状高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点。在国外，高速电机的研究早己引起了许多科研院所以及公司的关注。由于其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，因此可以有效地节约材料，动态响应较快，可减小噪音，提高整个传动系统的效率。上世纪末以来由于军用和民用对高速电机的需求，英美等发达国家竞相开展了对高速电机的研究。英国燃气发电设备有限公司专门从事开发研制燃气轮机驱动的高速发电产品的工作。他们研制出一种盘式结构

33、高速永磁发电机。美国麻省理工学院(MIT)的电磁和电子系统实验室研究了5MW高速感应发电机。德克萨斯州立大学机械电子中心研制了用于先进机车推进系统的3MW高速同步发电机和高速感应飞轮电机。英国Turbo Genset公司推出的以112MW高速永磁发电机为核心，建立了新型的移动电站。美国Calnetix公司开发的舰用2MW高速永磁发电机，转速范围为19000-22500r/min。目前已研制出500000r/min 的永磁发电机。瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院对微型燃气驱动高速永磁发电机也制造出了额定功率110kW，额定转速70000r/min的样机，同时对电机内部磁场进行了分析。美国设计出了2MW

34、高速永磁发电机,并且成功的应用到航空母舰上作为发电机；瑞士成功研制了功率为100W、转速达到500000r/min的高速永磁发电机，它主要是由燃气轮机驱动，可以作为便携式的发电设备。英国燃气发电设备有限公司设计出一种高速永磁发电机，电机内部转子采用一个或多个同轴的圆盘，其转子永磁体的充磁方向是轴向的；电机的定子也同样由一个或多个圆盘构。这种电机的结构非常坚固，但是设计难度非常大，不能够广泛的使用。欧美发达国家还设计出20kW、转速47000r/min大功率的高速永磁电动机用于冷冻和空气循环系统的动力设备4。对于高速电机来说，其电机的电磁性能，损耗温升的计算是高速电机设计中一个关键的问题。高速电

35、机功大、体积小、功率密度高，因此单位体积内的损耗密度就高。虽然目前对各种普通电机的电磁设计和特性分析的研究比较多，但对高速永磁电机这方面的研究还相对较少。永磁电机有着很多其他普通电机无法比拟的优点，如今已成为电机行业研究的热点，国内对高速电机的研究还处于初级阶段，对功率大的高速电机研究还不是很成熟。但是随着国家对永磁电机研发投入大量的人力和物力，高速电机的研发也迅猛的发展起来。1.3.2 国内发展状况我国对高速电机的需求也比较迫切，但研究工作尚处于起步阶段。现正在研制2MW的高速感应电机，同时已研制了转速50000r/min以下的小功率高速电机。国内对高速电机的研究还不是很深入，基本上限于功率

36、较小的发电机或电动机。2005年海军工程大学的马伟明教授正在研制2.5MW 高速感应电机，同时对转速较低的小功率高速电机有了较深的研究。国内一些科研机构、高等院校也在开展相关技术的研究。浙江大学对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗以及无位置传感器控制方面进行了深入研究18。西安微电机研究所也做了很多这方面的工作、高速电机作为目前国内外研究的热点，电机本体的研究主要有以下几个方面：（1）电机优化设计；（2）电机的转子结构及强度；（3）高速电机的损耗和温升计算。在国内高速永磁电机研究的诸多问题中，永磁体的保护问题也是主要解决的问题之一，由于高速永磁电机的转速很高，高转速给转子带来了很大的离心力，如果

37、不对转子永磁体施加合理的保护措施很可能导致永磁体碎裂，所以目前国内采取了很多措施用来保护转子永磁体主要有两种方法：一种是在转子上加一层碳纤维，但是碳纤维的导热性能差不利于转子散热。另一种方法就是在转子永磁体外施加一层不锈钢护套，不锈钢的导热性能非常的好，有利于转子的散热，但是不锈钢的导磁性能不是很好，因此把转子永磁体嵌入转子内部，采用此结构的转子，由于高速永磁电机的频率较高，所以在转子表面很容易产生比较大的涡流损耗，这个时候的永磁体在转子内部，不容易散热，所以当温度高到一定程度的时候，转子永磁体很容易产生不可逆的永磁体退磁，使电机不能工作。国内对较大功率高速发电机的研究还很少，但是已经引起人们

38、的重视。9 第2章 高速永磁无刷直流电机电磁方案的设计高速永磁电机按供电方式可以采用交流同步电动机和无刷直流电动机；1）永磁交流同步电动机的供电方式为正弦交流供电，所以电机的磁场为正弦波磁场，电机转速的大小与电机供电电流的频率有关，高速永磁同步电动机可以采用分布式的短距绕组，以此来减少由于磁场谐波造成的转矩波动，从而能提高电机的工作效率。但是当电机工作在开环控制，负载出现不可预计的扰动时，永磁交流同步电动机会出现失步现象，处理不当可以使电机损坏，甚至使整个系统瘫痪。2）无刷直流电动机的磁场为方波磁场，电机的转速与方波电流控制电路的开关频率有关，以此来实现同步转速，因此避免了失步现象，能够可靠的

39、运行。但是由于开关电路的电子换向产生方波电流，其电流谐波要高于正弦交流的谐波，增加了电机的铁心损耗，降低了电机的工作效率6。2.1 高速永磁无刷直流电动机的工作原理 2.1.1 高速永磁无刷直流电动机的本体结构高速永磁无刷直流电动机的结构与调速永磁同步电机的结构基本类似，如图2-1所示。逆变器电机本体转子位置传感器永磁无刷直流电机定子 转子电磁式光电式三相星形六状态支撑零部件磁敏式转子铁心永磁体定子铁心定子绕组 图2-1高速无刷直流电动机内部结构图无刷直流电机按照工作特性，可以分为两类：1）具直流电机特性的无刷直流电机反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为矩形波同步机，又称无刷直流电

40、机。这类电机有直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，有所检测出的信号去触发相应的电子换相路线以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。2）具有交流电机特性的无刷直流电机反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为正弦波同步机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。永磁无刷直流电动机主要包括电机本体、开关控制线路和位置传感器，其原理框图如图2-2所示。直流电源通过开关控制线路向电机定子绕组供电，可以单相供电也可以多相供电。位置传感器检测转子所处的位置，并根据转子的位

41、置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制定子绕组通断电，实现定子换相。图2-2 无刷直流电机的组成图2-3所示为永磁无刷直流电动机的一种基本结构，其主要由轴承、转轴、转子、磁钢、定子和位置传感器组成。转子和转轴通过过盈配合或螺钉联接紧密联接在一起，转子材料多为磁导率较高的软磁合金，矫顽力小，磁势低。磁钢采用永磁体，通常采用扇形瓦片状的结构，充磁方向可为径向或切向，一般径向提供的气隙磁通更大一些。磁钢的内圆表面靠磁吸力紧密吸合，并在结合，并在接合面上涂以适量的粘合剂，用以保证转子和磁钢的连接强度可靠；定子绕组紧密缠绕在铁心叠片上，铁芯叠片有厚度很薄的若干硅钢片压制而成，彼此之间有绝缘层，可以有效

42、减少涡流损耗。在永磁无刷直流电机中，磁钢都采用永磁体作为激励磁源，取代传统的励磁线圈，可以产生稳定的永磁场，永磁场包括主磁场和漏磁场，漏磁场为磁能损耗的磁场，不对外做功；主磁场是做功的磁场，一般由磁钢、转子和气隙产生。在气隙中的磁路磁阻较大，为线性磁路，也是切割定子绕组，带动转子旋转，从而将电能转化为机械能。1转轴2锁紧螺母 3机架 4定子 5磁钢 6转子 7压盖 8轴承 9位置传感器图2-3 电机结构示意图图2-4 定子铁心结构2.1.1.1电机本体1、定子定子绕组：当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电磁转矩。当电机带着负载转起来以后，便在绕组

43、中产生反电动势，吸收一定的电功率，并通过转子输出一定的机械功率，从而实现了将电能转化机械能的过程。绕组一般分为集中绕组和分布绕组：前者工艺简单，制造方便，但因绕组集中在一起，空间利用率差，集中发热对散热不利；后者工艺较复杂，但能克服前者的一些不足。高速永磁无刷直流电动机定子设计19：与普通的永磁同步电机类似，高速永磁无刷直流电动机定子可以采取整数槽、分数槽和无槽的结构11。整数槽就是永磁电机定子的每极每相槽数为整数，如果是分数就是分数槽，整数槽的绕组又可以分为单层的绕组和双层绕组，采用单层绕组结构时，绕组的利用率、转矩以及电机的效率都跟着提高，但是不容易消除由于电流谐波产生的磁场谐波，增加了电

44、机的损耗；如果采用双层绕组结构，做成短距时，可以有效地消除电流谐波，还可以有效的提高电机的性能，但是这个时候绕组的利用率就降低了。本次设计采用分布式双层绕组，节距是10，绕组图如图2-5所示。图2-5 绕组结构示意图2、转子主转子是电机本体的转动部分，是产生励磁磁场的部分如图2-6、2-7，它由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。图2-6 高速永磁电机转子结构图2-7 转子实物图高速永磁无刷直流电动机的转子结构可分为贴面式结构和内置式结构，其中内置式的结构按永磁体的充磁方式不同又可分为径向充磁结构和切向充磁结构。贴面式结构的转子，工艺比较简单，由于空气的磁导率与永磁体的磁导率相近，所以电机

45、的电感几乎不随着转子的旋转而变化，但是随着转速的上升，贴面式的永磁体不能承受高转速产生的巨大离心力，因此需要在永磁体的外面加一层保护套24。当转子采用内置式永磁体结构时，由于高速电机电流的频率比较高，容易在转子表面产生涡流损耗，当这部分损耗不能及时散出时，会导致由于温度过高使永磁体产生不可逆的退磁，而且采用内置式永磁体结构的转子，由于是内置式的，所以加工比较困难。转子通常称为电枢。作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心和电枢绕组，轴及风扇等组成。转子设计是高速永磁电机设计的关键。此外，高温下容易引起永磁体退磁，所以设计时要防止转子过热。（1）电枢铁心：提供主极下磁通的通路。通常用低硅硅钢片

46、或冷轧片叠成，片间涂绝缘漆以减少损耗5。（2）电枢绕组：电枢绕组是用带绝缘的铜导线绕成一个一个的线圈元件，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。元件可能是多匝的，也可能只有一匝。每个元件可预先做成相同的形状，嵌放在槽中时可以彼此错开。绕组导线的截面积决定于元件内通过电流的大小。除了每层导线上都包有绝缘外，每层的各元件边外面还包有绝缘，上下层之间有绝缘垫片，最外用楔将元件压住，以免转动时元件因离心力而甩出。绕组元件被嵌放在电枢铁心的槽内，它的一个元件边被放在槽的上层，另一边嵌放在另一槽的下层，同一槽内上下二层放置了不同元件的有效边。电枢绕组可

47、分为：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。它们的主要区别在于从电刷外看进去，电枢绕组联结成了不同数目的并联支路。（3）永磁体：永磁材料是永磁电机的核心材料之一，种类多种多样，常见的有铝镍钻、铁氧体、稀土钦铁硼等，性能相差很大，因此在永磁电机设计时要选择适宜的永磁材料品种和性能指标；衡量永磁材料性能的主要指标：:退磁曲线、剩磁磁密、矫顽力、回复线、稳定性；为了适应电主轴的尺寸限制，并获得较高的转矩密度，超高速电机通常需要选用高剩磁、高矫顽力的永磁材料，如烧结钦铁硼等；使用高性能永磁体，可以缩小转子外径，减小转子高速旋转时的离心力，转子护套可以做的更薄，进而也降低了转子表面的涡流损

48、耗16。永磁无刷直流电机永磁体位于图2-8（a）所示位置时，图2-9中的功率开关管T1T2导通，即绕组A进B出,电枢绕组在空间的合成磁势Fa 如图2-8（a）中所示。绕组电流同转子磁极作用后产生的转矩使转子磁极按图中所示的顺时针方向运动。当转子磁极转过60度到图2-8（b）所示的位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，从而使开关管T2导通，T6截止，此时T1仍导通。电流从A进C出，它们的合成磁场如图2-8（b）中Fa，使得转子磁极继续朝箭头方向转动，电流总的路径为：电源正极T1管A相绕组一C相绕组T2管电源负极。转子磁极和定子合成磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动，不难看出,在换相过程中，

49、定子绕组在工作气隙内形成的旋转磁场是跳跃式的，360度电角度内共有六个磁状态位。图2-8 无刷直流电机系统图图2-9 稀土永磁无刷直流电机工作原理图2.1.1.2 高速永磁电机的转子位置传感器在高速永磁无刷直流电动机中，转子位置传感器会增加电机的体积，不过传感器是电机控制的关键部分，所以非常重要不能省略，位置传感器是用来检测转子位置，并根据转子的位置来控制电机的。高速无刷直流电动机位置传感器检测转子位置方法主要有反电势法、转子位置计算法和续流二极管法三种方法。位置传感器主要包括磁敏式传感器、光电式传感器和电磁式传感器三种，目前比较常用的是磁敏式的转子位置传感器。转子位置传感器是永磁无刷直流电机

50、的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度、响应速度、工作温度、抗干扰能力、损耗、体积重量、安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。其中最常用的有以下几种：1）霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制

51、成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体，如图2-10 所示。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔 120°电角度，永磁体的极弧宽度为 180°电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为 180°电角、相位互差 120°电角的矩形波信号。图2-10 霍尔元件是位置传感器结构（1永磁体架；2永磁体；3

52、霍尔元件）第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场合，大量使用霍尔元件式位置传感器。2）电磁式位置传感器电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转

53、子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。3）光电式位置传感器光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光板所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光敏三极管中间，盘

54、上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断的照在光敏三极管上，使其不断导通和截至，其输出信号反应了转子的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。光电式位置传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便，因此获得了广泛的应用。近年来，无位置传感器的永磁无刷直流电机发展比较快。它省去了转子位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装时或电机工作在恶劣环境中以至于位置传感器工作的可靠性难以保证时，这种无位置传感器的永磁无刷直流电机更显示出其独特的优越性24。无位置传感器的无刷直流电机的主要弱点是起动转矩比较低，

55、一般只适用于空载或轻载条件下起动。当电机转子采用永磁体励磁时，永磁体的强磁场使得电机在较低速度时就可以检测到电枢绕组反电动势，在较低转速下实现电机的自同步运行状态切换，从而加快电机的起动过程，实现宽的调速范围。2.1.1.3 高速永磁电机逆变器高速永磁无刷直流电动机的逆变器主要是根据输入的转子位置信号来控制电机的转向，对于三相高速电机，逆变电路主要包括桥式逆变电路、Y型的桥式逆变电路和半桥式逆变电路13。磁无刷直流电机中的逆变器电路起到类似于传统直流电机中换向器的作用。逆变器电路形式主要有桥式和非桥式两种2123。图 2.4 和图 2.5 分别给出了三相星形三状态（三相半波）逆变器电路和三相星

56、形六状态（三相全波）逆变器电路，及其对应输出的方波电流。图 2.4 电路简单，但每项绕组仅通电 120°电角度，绕组利用率差；图 2.5 桥式逆变电路向电机绕组提供宽为 120°电角度的三相对称方波电流，每相绕组通电 240°电角度，与图 2.4 相比提高了绕组利用率。并且由下一节的永磁无刷直流电机的运行原理分析可知，三相六状态电路中，定子磁场步进角为 60°电角度，相较三相三状态电路的定子步进磁场 120°电角度小，降低了转矩脉动。事实上，应用最广泛的就是三相星形六状态的逆变器电路。三相星形六状态的逆变电路如图 2.5 所示。功率开关管 T1

57、T6 通常为功率晶体管 GTR、功率、场效应晶体管 MOSFET、绝缘栅晶体管 IGBT、可关断晶闸管 GTO 以及 MOS 栅控晶闸管、MCT 等功率电子器件7。晶闸管适用于中大功率电机、晶体管适用于中小功率电机。各种晶体管由于容量、开关频率、价格等不同应按电机的实际工作状况进行合理选取910。图2-11 三相半波（三相星形三状态）逆变电路图2-12 三相全波（三相星型六状态）逆变电路表2-1 逆变器开关管导通逻辑由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼(Nd-fe-B)材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。近三十年针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压，就