空调压缩机用无刷直流电机的优化设计及应用

论文摘要

永磁无刷直流电动机具有转动惯量小、控制简单、动态性能好等优良特性,因此在航天、机器人、空调等许多领域得到了广泛应用。本文针对空调压缩机,设计了无刷直流电动机以及相应的控制系统。首先,齿槽转矩的最小化一直是永磁电机研究的难点和重点。为了削弱永磁无刷直流电动机的齿槽转矩,文章利用能量法和傅立叶分解法进行分析,提出了减小齿槽转矩的最佳槽极配合。研究表明:当定子槽与转子极的最小公倍数为2pz,最大公约数为1时,能使齿槽转矩最小。在此基础上,文章选择了近似极槽永磁无刷直流电机进行分析,进一步研究了近似极槽无刷直流电机极弧长度对齿槽转矩的影响,提出了取得最低齿槽转矩时极弧长度的确定方法。并利用有限元法对其进行了验证,证明提出的方法是正确有效的。其次,针对空调压缩机用无刷直流电机,并考虑到降低电机振动和噪音问题,课题设计了永磁无刷直流电机两台:普通型6极36槽和多极少槽型8极9槽电机。借助Ansoft软件设计,将两种电机进行分析比较,结果表明:近似极槽的多极少槽电机,并选择适当的极弧系数,能大大降低齿槽转矩,近而减小电机转矩波动,降低电机的振动和噪音。综合考虑,近似极槽多极少槽型电机在空调压缩机中是可以使用的。最后,无传感器控制技术是无刷直流电机控制领域研究的热点,本无刷直流电动机控制系统采用PIC18F4580芯片,详细讨论了在去掉位置传感器的情况下无刷直流电机如何换相以及速度的提取,并且进行了相应的系统硬件设计。为了提高电机的调速性能,本文采用速度、电流的双闭环控制,并给出了其实现方法。样机初始方案设计,Ansoft软件辅助设计及比较,PIC单片机控制系统设计,是本文的重点。通过这三部分,本文完成了空调压缩机用无刷直流电动机的优化设计及其相应控制系统的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 无刷直流电机的基本结构及工作原理
• 1.4 空调用无刷直流电机的现状及待研究的问题
• 1.5 无刷直流电动机的主要用途及发展趋势
• 1.6 本论文的主要工作及安排
• 第二章 空调压缩机用无刷直流电机设计
• 2.1 电机设计的主要约束条件
• 2.2 电机的设计方案的确定
• 2.3 电机材料的选择
• 2.3.1 永磁体材料
• 2.3.2 铁心材料
• 2.3.3 磁路结构
• 2.4 主要磁路系数的选择
• 2.4.1 空载漏磁系数
• 2.4.2 极弧系数
• 2.4.3 气隙系数
• 2.5 无刷直流电机主要尺寸的选择
• 2.5.1 电枢直径和电枢铁芯长度
• 2.5.2 电磁负荷的选择
• 2.5.3 定子槽数和极数的选择
• 2.5.4 槽形及冲片尺寸选择
• 2.5.5 气隙长度的选择
• 2.6 电机磁路设计
• 2.6.1 电机转子结构
• 2.6.2 转子有效长度
• 2.6.3 磁钢尺寸的选择
• 2.7 设计流程图
• 2.8 本章小结
• 第三章 Maxwell辅助设计及分析
• 3.1 Maxwell软件简介
• 3.2 样机初始规格
• 3.3 电机优化结果
• 3.4 性能分析及讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 降低齿槽转矩的分析与讨论
• 4.1 引言
• 4.2 分析步骤
• 4.2.1 转矩特性分析
• 4.2.2 齿槽转矩的傅立叶分析
• 4.2.3 极弧长度的选择
• 4.3 有限元分析
• 4.3.1 有限元分析模型
• 4.3.2 电机的驱动电路模型
• 4.3.3 系统仿真结果及其分析
• 4.4 分析结果讨论
• 4.5 两台样机的比较分析
• 4.5.1 两台样机设计参数比较
• 4.5.2 两台样机计算结果比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 无刷直流电机在空调压缩机中的应用
• 5.1 系统总体方案设计
• 5.2 闭环调速方案设计
• 5.2.1 双闭环调速方案
• 5.2.2 速度测量方案
• 5.3 系统核心控制器选择
• 5.4 无位置传感器转子位置检测方案的选择
• 5.4.1 BLDCM端电压法位置检测原理
• 5.4.2 BLDCM反电势法起动方法研究
• 5.5 系统硬件电路设计
• 5.5.1 系统功能要求
• 5.5.2 系统硬件组成
• 5.5.3 系统开关主电路设计
• 5.5.4 电源电路设计
• 5.5.5 转子位置检测电路设计
• 5.5.6 功率驱动电路设计
• 5.5.7 电流检测电路及保护电路设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 论文工作成果
• 6.2 论文有待完善的工作
• 参考文献
• 附录A 6极36槽电机设计参数表
• 附录B 8极9槽电机设计参数表
• 在学研究成果
• 致谢