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定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述一、本文概述随着科技的不断进步，电机技术也在持续创新与发展。
定子永磁型无刷电机系统作为一种先进的电机技术，以其高效、节能、低噪音等特性，在各个领域得到了广泛应用。
本文旨在对定子永磁型无刷电机系统及其关键技术进行综述，以期为读者提供全面的技术理解和应用参考。
本文将对定子永磁型无刷电机系统的基本原理和结构进行详细介绍，以帮助读者了解其基本构成和工作原理。
将重点分析定子永磁型无刷电机的关键技术，包括绕组设计、永磁体材料选择、控制系统设计等，探讨这些技术如何影响电机的性能表现。
本文还将对定子永磁型无刷电机系统的应用领域进行概述，包括电动汽车、航空航天、家用电器等，以展示其广泛的应用前景。
本文还将对定子永磁型无刷电机系统的发展趋势进行展望，包括材料科学的进步、控制技术的创新以及系统集成的发展等，以期为读者提供关于该领域未来发展方向的参考。
通过本文的综述，读者可以全面了解定子永磁型无刷电机系统的技术特点和应用现状，为其在相关领域的研究和应用提供有益的参考。
二、定子永磁型无刷电机系统的基本结构与工作原理定子永磁型无刷电机系统主要由定子、转子、电子换向器和位置传感器等部分组成。
其中，定子固定不动，其上绕有电枢绕组，用以产生电磁转矩；转子为永磁体结构，其上的永磁体提供恒定磁场。
电子换向器和位置传感器共同控制电机的换向，实现电机的连续旋转。
工作原理上，定子永磁型无刷电机系统利用电子换向器替代了传统的机械换向器，通过位置传感器检测转子的位置，控制电子换向器适时切换电枢绕组的电流方向，使得电机能够连续旋转。
在电机旋转过程中，定子上的电枢绕组通电产生磁场，与转子上的永磁体磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动电机旋转。
由于采用了电子换向和位置检测技术，定子永磁型无刷电机系统具有更高的效率和更长的使用寿命。
定子永磁型无刷电机系统的关键技术还包括绕组设计、永磁体设计和控制系统设计等。
绕组设计要满足电机的转矩需求和电气性能要求，同时要考虑散热和绝缘等问题。
基于有限元的永磁无刷直流电机设计与性能分析的开题报告一、研究背景和意义永磁无刷直流电机是当前广泛应用于工业和民用领域的一种电机，具有高效率、高功率密度、高控制精度、小体积等优点，尤其适用于需要高精度控制和快速响应的应用场合。
随着工业自动化程度不断提高，永磁无刷直流电机在机器人、汽车电动化、航空航天等领域中的应用越来越广泛。
在永磁无刷直流电机的研究和设计中，通过建立数学模型，分析和优化电机的结构和性能，可以有效提高电机的效率和性能，减少设计成本和时间。
基于有限元的方法是目前较为先进的电机设计和分析手段，可以对电机结构和工作过程进行较为真实和准确的模拟和分析。
因此，研究基于有限元的永磁无刷直流电机设计和性能分析，对于理解电机的结构和工作原理、提高电机的性能和效率、缩短设计时间和成本具有重要的实际意义和应用价值。
二、研究内容和技术路线本课题旨在研究基于有限元的永磁无刷直流电机设计和性能分析，具体研究内容包括：1. 永磁无刷直流电机的结构和工作原理分析，建立电机的数学模型。
2. 利用有限元软件对电机的结构和性能进行仿真分析，包括电磁场分析、铁心损耗分析、转矩-转速特性分析等。
3. 通过仿真分析的结果对电机进行结构和参数的优化设计，提高电机的性能和效率。
4. 对所设计的永磁无刷直流电机进行实际测试验证，比较仿真分析结果和实验结果的一致性和准确性。
技术路线包括：1. 理论分析：根据研究目标，建立永磁无刷直流电机的数学模型，分析电机的结构和工作原理，并确定仿真分析的参数和方法。
2. 仿真分析：利用有限元软件对永磁无刷直流电机进行电磁场分析、铁心损耗分析、转矩-转速特性分析等，并对不同参数进行对比和优化设计。
3. 实验验证：对所设计的永磁无刷直流电机进行实际测试，并将实验结果与仿真分析结果进行比较和验证。
根据比较结果进一步优化设计。
三、预期目标和可行性分析本课题旨在研究基于有限元的永磁无刷直流电机设计和性能分析，预期达到如下目标：1. 建立永磁无刷直流电机的数学模型，理解电机的结构和工作原理。
小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。
因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。
本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。
本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。
2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。
3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。
并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。
关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章绪论1．1永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。
其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。
1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。
十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。
1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。
从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。
随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。
无刷直流电机的技术特征和直流电动机和异步电动机相比较，无刷直流电动机的关键技术特征是：１、经电子控制获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，宽调速范围；２、需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器；３、本质上是交流电动机，由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速，可得到较高的可靠性，工作寿命长，无需经常维护；４、无刷直流电动机功率因数高，转子无损耗和发热，有较高的效率；有资料对比，７．５ｋＷ异步电动机效率为８６．４％，同容量的无刷直流电动机效率可达９２．４％；５、必须有电子控制部分，总成本比直流电动机高。
尽管成本较高，由于永磁无刷直流电动机性能有明显的优势。
近年，经业者的努力，无刷直流电动机市场已不断扩展，在许多领域的竞争中，永磁无刷直流电动机已经并正在不断地取代直流电动机和异步电动机，获得越来越多的应用。
永磁无刷直流电动机按驱动电流方可分为方波驱动和正弦波驱动，后者又称为同步型永磁交流伺服电动机，主要用于伺服控制。
上世纪８０年代才进入实用阶段的同步型永磁交流伺服电动机是可与直流伺服电机性能匹敌的新型伺服电机。
据国际电机会议专家分析，交流伺服电动机正以每年１５％的速度取代直流伺服电动机，交流伺服电动机将会占据首位，其前景是极其美好的。
因此，国际上有电机专家断言，２１世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪。
特别是在小型电动机领域，无刷直流电动机将占据主导地位。
推动无刷直流电动机技术和市场蓬勃发展的主要因素永磁无刷直流电动机自身性能的明显优势，在许多竞争领域中，永磁无刷直流电动机已不断地取代直流电动机和异步电动机，获得越来越广泛的应用。
新型的高性能永磁材料技术的进步、半导体功无刷直流电动机（Ｂｒｕｓｈｌｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ）是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，是现代电子技术（包括电力电子、微电子技术）、控制理论和电机技术相结合的产物。
无刷直流电动机采用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换相代替机械换向，从而提高了可靠性。
无刷直流电机的关键技术研分析综述目录无刷直流电机的关键技术研分析综述 (1)1.1无刷直流电机的结构 (1)1.1.1电机本体 (1)1.1.2位置传感器 (2)1.2无刷直流电机的工作原理 (2)1.3无刷直流电机的数学模型 (5)1.3.1电压方程 (5)1.3.2感应电动势方程 (6)1.3.3工作特性 (6)1）启动特性 (7)2）调速原理 (7)工作条件：保持电压U=U N，保持电阻R=R a (7)1.1无刷直流电机的结构无刷直流电机本体总体结构示意图如图1.1所示。
图1.1无刷直流电动机的结构示意图其中，1为主定子、2为主转子、3为传感器定子，4为传感器转子，5为电子换向开关电路。
1.1.1电机本体电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，是由定子和转子组成的。
图1.2无刷直流电机本机截面示意图无刷直流电动机电枢绕组放到定子上。
多相绕组与电子开关电路相连接。
绕组联结方式有两种：星型联结和三角形联结。
在电机运行过程中，定子绕组在能量转换部分扮演着主要角色。
转子是电动机的传动装置，通电后的定子绕组的合成磁场和转子产生的磁场相互作用产生转矩使得转子的转动。
由三部分组成：永磁体、支撑部件和导磁体。
永磁体和导磁体是形成磁场的核心部件，在很大程度上决定了电动机的特性。
可分为凸出式、嵌入式和插入式三种。
1.1.2位置传感器位置传感器是无刷直流电动机系统的关键部件之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。
其作用是：实时检测转子的位置，将转子的位置信号转换成电信号，为主控芯片转子位置信息，使主控芯片发出正确的换相信息，以控制功率开关器件使其导通或者截止，使电动机电枢绕组中的电流能够随着转子位置的变化而按次序换相通电，气隙中形成步进式的旋转磁场，从而驱动转子连续不断地旋转。
无刷电机霍尔位置传感器是将有关外围电子元件集成在一起，组成一个有源的磁敏集成电路。
通常将霍尔芯片（一矩形半导体薄片）、放大器、温度补偿电路、电源稳压电路、输出级等制作在同一块硅片上，然后用塑料封装。
永磁无刷直流电机控制技术与应用研究发布时间：2021-04-20T10:53:48.933Z 来源：《中国电业》2021年第2期作者：金卫，高杰，陈洪楷，覃华山[导读] 我国从上世纪七十年代开始研发永磁电机，在家用金卫，高杰，陈洪楷，覃华山珠海格力电器股份有限公司广东省珠海市 519070摘要：我国从上世纪七十年代开始研发永磁电机，在家用、农业等新型电器方面的发展成果较好，永磁电机在投入市场之后，反馈结果区域优良，尤其是在新能源汽车方面的应用上，永磁电机的市场需求还在持续上涨，无刷直流电机的性能优势决定了它在电机研究领域的地位。
本文主要对永磁无刷直流电机控制技术进行分析与研究。
关键词：永磁无刷直流电机、控制技术、应用引言：与感应电机控制系统的技术相比而言，永磁无刷直流电机的控制技术要相对简单一些，操作也比较便捷。
永磁材料的研究成果在不断的提升，永磁电机的在节能、效率、性能等方面的优势也更加的明显。
也由此使得永磁电机成为了电机研究领域的关键性技术。
我国永磁材料的生产商较多，稀土资源非常丰富，这些都为永磁电机的发展提供了一个优良的平台，由此永磁无刷直流电机在我国得到了大力发展，促进了我国科技水平的提升，为人民的生活水平提升打下了坚实的好处，对现代化发展也有一定的现实意义。
1.永磁无刷直流电机概述永磁无刷直流电机是继有刷直流电机之后，发展起来的一种电机设备。
在交流电机和直流电机占据传动领域主导地位的时代背景之下，永磁无刷直流电机正在逐渐进入人们的视线，人们也在逐渐开始关注永磁无刷直流电机的应用。
上世纪九十年代以来，人们的生活条件逐渐向好，现代化生产、办公自动化的发展，家用电器，工业机器人等设备的使用量越来也大，并且这些设备的发展也在走向高效率，小型化以及智能化的发展，作为运行单元的重要构成元件，电机需要具备高精度，高速度、高效率的运行特点，而永磁无刷直流电机的问世，使得电机使用的这一要求得到了满足，因此永磁无刷电机的使用范围得到了迅速扩张。
中图分类号:T M 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2009)11-0052-08永磁无刷直流电机电枢反应综述与分析谭建成(中国电器科学研究院,广州 510300)摘 要:就电枢反应对永磁无刷直流电动机性能的影响进行归纳和分析,指出一些值得商榷的地方,如采用基于电枢反应磁势分布图方法分析电枢反应对气隙磁场的影响,与将基于电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法相比,可得到更直观的理解和更准确的认识。
电枢反应影响程度大小的关键是转子磁路结构。
最后讨论了分数槽集中绕组无刷电机电枢反应的特殊问题。
关键词:无刷直流电动机;电枢反应;去磁效应;磁势谐波;转子涡流损耗S u mm a r y a n dA n a l y s i s o n t h e A r m a t u r e R e a c t i o n o fP e r m a n e n t Ma g n e t B r u s h l e s s D Cm o t o rT A NJ i a n -c h e n g(C h i n a E l e c t r i c a l A p p a r a t u s R e s e a r c h I n s t i t u t e ,G u a n g z h o u 510300,C h i n a )A b s t r a c t :S u m m a r i z e d a n d a n a l y s e d o n t h e a r m a t u r e r e a c t i o n o f t h e p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s D C m o -t o r ,a n d d i s c u s e d s o m e q u e s t i o n s a b o u t a r m a t u r e r e a c f i o n o f P e r m a r e n t m a g n e t b r u s h l e s s D Cm o t o r .K e y Wo r d s :B r u s h l e s s D Cm o t o r ;A r m a t u r e r e a c t i o n ;M M Fh a r m o n i c ;D e m a g n e t i z i n g e f f e c t ;E d d y -c u r r e n t l o s s 收稿日期:2009-09-290 引 言永磁电机气隙磁场是由永磁磁势和电枢绕组磁势共同作用产生的。
电机负载运行时电枢电流产生的磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应。
对有刷直流电机,其电枢反应磁场与主磁极磁场是正交的。
电枢磁场使主磁极磁场发生歪扭。
电动机状态时的电机极前端磁场加强,极后端磁场消弱,并且消弱和加强的磁动势基本相等。
由于磁路饱和的影响,结果使主磁极总磁通有所消弱,并且负载越大,磁路越饱和,去磁作用越明显。
电枢反应不仅对主磁极磁场有去磁作用,还引起主磁极磁通歪扭,使磁极物理中性面处磁场不再为零,给换向带来不利因素。
而对永磁无刷直流电动机,毕竟其运行机理和结构不同,其电枢反应除与磁路结构及饱和程度有关外,还与电枢绕组形式、导通方式和状态角的大小等因素有关。
而且,如下面分析可以看到,在一个状态角不同时刻电枢反应磁场和永磁磁场空间相对关系不是固定的,也和有刷直流电动机情况不同,所以无刷直流电动机的电枢反应同有刷直流电动机的有区别。
无刷直流电动机磁路设计时,如果还按有刷直流电动机那样考虑电枢反应来确定永磁体负载工作点,将会引起较大误差。
有相当数量的文献就永磁无刷直流电动机的电枢反应对气隙磁通、感应电势、电磁转矩波动和正常换相的影响进行了研究。
本文对此进行归纳和分析,并指出一些值得商榷的地方。
1 电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的分析方法不少文献采用将电枢反应磁势分解为直轴分量和交轴分量的传统方法分析无刷直流电动机电枢反应的影响。
为分析方便,先观察采用星形接法、整数槽绕组、三相六状态换相方式的两极内转子结构电机,如图1所示。
这种接法的特点是每一工作周期有6个状态,每个状态占60°电角度。
当电机转子逆时针方向旋转时,图1分别为一个状态的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应磁势的分解图。
图中,F r 表示永磁磁势;每一状态有两相绕组串联导通(这里是A 相和B 相导通),电流I 产生的电枢反应磁势以F a 表·52·示。
将其分解为F a d和F a q,分别为相对于永磁磁势F r的直轴和交轴分量。
当电枢反应磁势波形为矩形波或阶梯波时,一个极下的电枢反应磁势幅值可表示为:F a=2W I/2p=W I/p;如果只考虑基波,则有: F a=0.866W I/p。
式中,W为每相定子绕组串联匝数;I为绕组电流;p为电机极对数。
可以发现,一个状态角内,在前半个状态,直轴电枢反应磁势F a d对永磁磁势作用是去磁的,而在后半个状态,直轴电枢反应磁势F a d对永磁磁势作用是增磁的。
显然,在初始点和最终点时刻,直轴电枢反应磁势到达最大值,即:F a d m a x=F a c o s60°=0.5F a(1)交轴电枢磁势F a q对主磁场的作用是使气隙磁场波形发生畸变。
图1 一个状态下三个时刻永磁转子的位置和电枢反应磁势分解图 2 基于直轴和交轴分量分析方法传统观点认为,电枢反应引起平均气隙磁密下降的主要原因是一个状态角范围内、因磁路局部饱和、直轴电枢反应磁势作用使后半个状态增磁未能抵偿前半个状态去磁的缘故。
就平均效应来看,即使磁路有饱和,电枢反应对电机气隙磁场只有微弱的去磁作用,影响不大;电磁设计时负载工作点磁通可用空载工作点磁通代替。
文献[2]认为,电枢反应对电机的影响可归纳为:电枢反应对转子磁场先去磁而后增磁,使电机的每极总磁通在空载时的每极总磁通附近变化。
电枢反应使反电势和电磁转矩发生变化,但对反电势及电磁转矩平均值影响不大,从而得到电磁设计时把空载工作点的磁通近似看作负载工作点的磁通的结论。
文献[3]指出,永磁无刷直流电动机电枢磁势在电枢圆周内是步进跳跃式旋转的。
在一个状态角范围内,电枢磁势在刚开始为最大去磁,然后逐渐减小,在状态角中间位置时不去磁也不增磁,后半个状态角逐渐增磁并达到最大值。
可见电枢反应的直轴分量时而增磁,时而去磁,使气隙每极的合成磁通发生变化,但对总的平均磁通改变不明显;通过静态磁场的计算,证明了电枢反应对气隙磁密和电磁转矩的影响较小,在工程计算允许误差范围以内,可忽略不计。
交轴电枢磁势对主磁场的作用使气隙磁场波形畸变。
对于径向激磁方式,由于稀土永磁体本身的磁阻很大,故交轴电枢磁势引起气隙磁场畸变较小,通常可不考虑,即使交轴电枢反应存在,只要磁路不饱和,交轴电枢反应使磁场波形的畸变不影响总磁通的平均值。
文献[6]用磁势矢量合成法和磁势积分法对电动自行车用三相六状态、2极、6槽外转子无刷直流电动机的气隙磁场及电枢反应进行了定性分析,还用电磁场有限元分析方法对其进行定量分析,在计算中计及了电机电枢的齿槽影响。
表l为一个状态角范围内三个典型位置下的气隙空载磁密和负载磁密计算结果,比较了空载磁密和负载磁密的差值。
由表1看出,该无刷直流电动机因每极每相槽数较少(q=1),使得电机齿槽对气隙磁密有较大的影响。
样机的计算结果表明,即便是在空载,三个位置气隙平均磁密的最大值与最小值也相差5%,b位置的磁密有所降低。
负载气隙磁密与空载气隙磁密相比,a位置的去磁作用要强于c位置的助磁作用。
这是由于电机的饱和所引起。
总平均来说,负载气隙磁密与空载气隙磁密相比只降低2.6%。
可见,在电机的一个状态角范围内,电枢反应由去磁变为助磁;就平均效应来看,电枢反应对气隙磁场只有微弱的去磁作用。
这一作用在工程上可以忽略不计。
表1 三个典型位置的空载磁密及负载磁密平均值单位:T位置a位置b位置c三个位置平均空载磁密0.7030.6550.7030.687负载磁密0.6460.6300.7310.669差值0.0570.025-0.0280.0183 对于大功率电机,特别是采用嵌入式转子结构时,电枢反应的影响使气隙磁场、反电势和电磁转矩波形畸变,电机性能恶化,转矩波动加剧。
文献[7]认为,在小功率永磁电机的设计中,由于电枢电流和电枢反应磁势较小,且转子直径·53·小,离心力不大,永磁磁钢常采用表面安装形式,对交直轴电枢反应磁势的磁阻均较大,电枢反应磁势的影响不明显;然而当电机功率较大时,一方面由于定子电流的增大使电枢反应磁势增强,另一方面,转子直径大,离心力增大,磁钢安装形式不宜再采用表面安装,而多采用嵌入式安装。
电枢反应磁势的磁路发生了变化,电枢反应必须加以考虑。
如电动汽车驱动用永磁无刷电机,功率一般达到几十千瓦以上,且为了尽量提高功率密度,额定转速要达到3O00r/m i n或更高才能满足系统要求,因此气隙磁场一般设计得较弱,而在起动、爬坡时为了获得低速大扭矩,主要靠加大定子电流来实现,这样电枢反应磁势的影响就变得非常明显。
与表面安装式磁钢转子的情况不同,嵌入式转子永磁无刷电机交轴电枢反应磁势的磁路不必通过永磁片,而直接经过由软磁材料形成的低磁阻磁路,因此其影响就很明显。
在一个状态中,直轴电枢反应磁势经历了由最大去磁到最大增磁的过程,气隙磁场平均值变化不大,但交轴电枢反应使气隙磁场波形产生明显的畸变。
例如,文献[1]对一台50k W、多相4极内嵌式切向磁化转子的无刷电机试验分析,实测负载时气隙磁密分布呈前高后低,气隙磁场最大畸变达19%,而在一个状态内、一个极下磁通量的相对变化率只有3.09%。
可见,电枢反应使得极下磁通量减少不大,但气隙磁场波的畸变会使转矩波动加剧,尤其是在低速大扭矩的时侯。
4 基于电枢反应磁势分布图的电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法在一个状态角内任意时刻,由于电枢反应,转子磁极都存在前部增磁和后部去磁,合成气隙磁密分布呈现前高后低的不对称波形,其过零点有所前移。
上述电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法是一种基于矢量图的理论,其前提是这些磁势和磁场量均为正弦量。
显然这和无刷电机的实际情况有区别。
为此,笔者提议基于电枢反应磁势分布图(如图2所示)采用电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法,使电枢反应对气隙磁场的影响得以直观地理解,并得到有别于直轴和交轴分量传统分析方法的认识和结果。
图2实际上是图1的展开。
图中第一行表示在A相和B相两相通电时绕组通电相带分布,第二行表示电枢反应磁势F a和相应的电枢反应磁密B a 分布波形,以下的(a)、(b)、(c)三行和图1一样,分别表示在该状态角内的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应引起的气隙磁密分布情况。
