永磁无刷电机工程设计方法及振荡特性的研究_工学博士学位论文

永磁无刷电机由于其可靠性高、转矩密度大、效率高等优点，在各种工业生产领域的电驱动系统中拥有广阔的应用空间和良好的发展前景。近年来，永磁无刷电机系统的研究取得长足发展，同时也对永磁无刷电机系统的性能提出更高的要求，其中，转矩波动和噪音问题成为影响其广泛应用的主要障碍。本文以理论分析和实验研究为手段，针对永磁无刷电动机的性能要求，对永磁无刷电动机系统展开研究工作。为了对永磁无刷电动机系统进行深入的分析研究，全面分析考虑系统的各项参数和所涉及的若干基本问题，建立了永磁无刷电机系统的仿真模型，并进行了实验验证。在该模型的基础上，总结了绕组参数变化的相似规律，提出比电阻常数(g)、端部自感常数(Λ11end)、比自感常数(λ11)、比互感常数(λ12)及比电势系数常数(e)等的比参数概念，可以方便快捷的对永磁无刷电机进行基本特性预测和绕组设计，尤其适用于已有定转子铁心冲片有限模具电机的系列化改型设计，形成方波驱动表面磁钢型BLDCM系列产品的工程设计方法。通过对样机的实验和预测对比，证明该方法具有很强的实用性。永磁无刷电机中，定位转矩造成振动、噪声以及控制的困难等不利因素，影响了电机性能的提高。本文给出了用于分析具有分数槽极比结构的永磁无刷电机的简单模型，通过解析分析解释了消除定位转矩的机理。借助于该模型解析分析了由于转子永磁体不对称引起的定位转矩的影响和由于永磁体磁动势幅值和相位误差造成的影响，并进行了实验验证，实验结果与分析一致，研究成果对提高无刷直流伺服电机的性能和减小定位转矩具有实用意义，并取得了实际效果。永磁无刷电机由于结构上的原因，在运行时存在转矩波动。矩形波驱动时，换相电流急剧变化可能使电机产生严重的振动和噪音。本文通过对不同齿槽结构电动机的径向不平衡电磁力的定量分析比较，研究了因此对振动和噪音的影响。探讨了电压超前控制的最佳超前角的算法及其实现方法。提出基于转子位置推测值及电路中的正弦表的低噪音控制方法，实验验证了该方法的有效性。混合式步进电动机(永磁感应子式步进电动机)是自动控制系统的主要品种之一，广义上亦属于永磁无刷电机范畴。它的工作频域较宽，在某些频域存在振荡现象，振荡现象的产生将使噪音增大，带载能力下降，严重影响系统和整机的性能。本文建立了五相混合式步进电动机绕组五角形接法振荡特性的仿真模型，编制了仿真软件，并进行了实验验证，证明了模型正确有效。振荡特性的仿真和实验结果表明，电动机五角形接法对系统的中高频振荡有明显的抑制作用。