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