基于软磁铁氧体的高速永磁无刷直流电机的研究

论文摘要

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,广泛应用于数控高速钻孔、铣削设备、精密雕刻、精密磨床、加工中心及其它高速机械场合,使设备加工精度、生产效率大幅度提高,因此对于高速永磁电机的研究具有较高的理论和应用价值。本文在综述高速电机研究现状、结构类型及其设计特点的基础上,首先,提出了基于软磁铁氧体的低铁耗高速永磁无刷直流电机设计理念。依据软磁铁氧体在高频交变场中高初始磁导率、高电阻率、低损耗的特点,将其环形磁芯作为定子铁心,转子上为稀土永磁磁环,电机采用大有效气隙无齿槽结构,绕组均匀分布于大有效气隙内。由于没有齿部,绕组可具有较大的电负荷,以此补偿软磁铁氧体磁负荷低的缺点,通过定子磁环、永磁磁环的尺寸匹配设计,使它们分别运行于最佳工作点,保证电机较高的功率密度。其次,通过有限元计算分析,指出该种电机大有效气隙内磁场分布极不均匀,绕组感生电动势不但与磁场大小有关,而且与相绕组导体位置有关,进而引入气隙磁场的解析计算,推导了绕组感生电动势的计算方法。最后,通过样机的磁场分析、铁耗分析以及样机试验结果证明:本文提出的基于软磁铁氧体的低铁耗高速永磁无刷直流电机设计理念是有效的、可行的。本文还结合具体应用,设计了涡轮分子泵用高速永磁无刷直流电机控制系统。首先,在满足涡轮分子泵特性要求的前提下,采用无刷电机专用控制芯片和单片机相结合的方式实现控制系统设计。将专用芯片的快速性和高可靠性以及单片机控制的灵活性相结合保证了整个控制系统的可靠、稳定、灵活的控制特点。结合涡轮分子泵高速、大惯量的特点,设计了电机的平缓软起动功能;利用转子位置信号实现电机实时转速检测和显示,并采用数字PI调节实现电机的转速控制;利用电流峰值保护和母线电流平均值限幅实现电机的过流保护;最后,针对涡轮分子泵惯量大、停机时间长的特点,设计了制动单元,利用电机制动过程中的转速变化情况合理地实现了电机三段式制动,即满足了快速制动的要求又保证了制动的安全性。同时系统还提供了良好的人机交互功能,通过控制板可以实时改变电机的控制参数、显示电机运行状态。经过样机实际运行试验,结果表明控制系统工作可靠、使用方便,电机起动平缓,具有较宽的调速范围和较高的稳速精度,制动过程快速平稳,符合涡轮分子泵的运行要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 高速电机概况
• 1.2 高速电机发展现状
• 1.3 课题背景及意义
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 高速永磁无刷直流电机设计特点
• 2.1 高速永磁电机的转子设计
• 2.1.1 转子直径与长度的选取
• 2.1.2 永磁转子的强度
• 2.1.3 永磁材料的选取
• 2.1.4 转子损耗
• 2.1.5 转子极数的选取
• 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 定子无槽结构
• 2.2.3 高速永磁电机的无铁心结构
• 2.3 轴承的选用
• 2.4 高速永磁无刷直流电机的控制策略
• 2.4.1 高速永磁无刷直流电机的有位置传感器控制
• 2.4.2 高速永磁无刷直流电机的无位置传感器控制
• 2.5 本章小节
• 第3章 基于软磁铁氧体的低铁耗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 基于软磁铁氧体的高速永磁电机设计特点
• 3.3.1 定转子尺寸的匹配
• 3.3.2 电机气隙磁场分析
• 3.3.3 端部效应对气隙磁场的影响
• 3.4 定子绕组感生电动势的计算
• 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 样机试验和铁耗分析
• 3.6 本章小节
• 第4章 分子泵用高速永磁无刷直流电机控制系统设计
• 4.1 系统设计方案
• 4.1.1 涡轮分子泵运行特性
• 4.1.2 控制系统设计要求
• 4.1.3 控制系统组成
• 4.2 功率逆变电路的设计
• 4.2.1 功率器件的选择
• 4.2.2 驱动电路的设计
• 4.3 主控电路的设计
• 4.3.1 驱动方式的选择
• 4.3.2 控制芯片的选择
• 4.3.3 主控电路工作原理
• 4.4 检测电路的设计
• 4.4.1 位置检测电路的设计
• 4.4.2 电流检测电路的设计
• 4.5 保护电路的设计
• 4.6 制动电路的设计
• 4.7 人机交互单元的设计
• 4.7.1 显示单元
• 4.7.2 按键单元
• 4.7.3 串行通信电路
• 4.8 软件控制算法
• 4.8.1 转速检测算法
• 4.8.2 转速闭环算法
• 4.9 系统软件结构
• 4.9.1 主程序
• 4.9.2 中断处理程序
• 4.10 样机运行试验
• 4.11 本章小节
• 第5章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表