无刷直流电动机优化设计和参数分析

合肥工业大学

硕士学位论文

无刷直流电动机优化设计和参数分

姓名：陈中

申请学位级别：硕士

专业：电机与电器

指导教师：杜世俊;唐海源

20040703摘要

稀土永磁直流无刷电动机实际上是以电子换向代替机械换向的直流电动

机，因而保持了直流电动机的优良性能，具有较好的起动和调速性能，又因它无

需机械换向使电机的结构简单，可以根本上克服一般有刷电动机易于产生换向火

花的弊病，在航天、机器人、数控机床等许多工业领域已得到广泛的应用。

本文从稀土永磁无刷直流电动机的基本工作原理出发，分析了稀土永磁无刷

电动机同普通无刷直流电动机的区别；阐述了稀土永磁电动机设计原理，并给

出设计方法，然后运用实例来说明。在此基础上介绍遗传算法的特点，用遗传

算法对稀土永磁电动机进行优化设计，达到预期的结果。最后，讨论了电机的结

构参数对电机性能的影响。

通过对稀土永磁直流无刷电动机的设计，分析在具体设计时所要解决一

些疑难问题，对其特点进行总结。用遗传算法优化后，得出一些有用的结论。

关键词：

稀土永磁无刷直流电动机遗传算法结构参数ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＴｈｅＩ砸ＰＭｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｉＳａＤＣｍｏｔｏｒｕｓｉｎｇｅｌｅｃｌｒｏｎｉｃｃｏｌｎｍｕｎｉｃａｔｉＯｉｌｉｎｐｌａｃｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏｉｔｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＤＣｍｏｔｏｒｓ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｇｏｏｄｓｔａｒｔａｎｄｔｉｍｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｉｔｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｍｏｔｏｒ’ｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｏｒｄｉｎａｒｙＤＣｍｏｔ６ｒ．ｂｅｃａｕｓｅｉｔｄｏｅｓｎ’ｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ｉｔｉＳｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｖｉａｔｉｏｎｓ，ｒｏｂｏｔｓ．ｄｉｇｉｔａｌｍａｃｈｉｎｅｔ００１ａｎｄｏｎ．ＩｎｔｅｒｍｏｆＲＥＰＭｂｍｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｓｂａｓｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｄｉｆｉｅ：ｆｅｎｃｅｏｆｂｅｔｗｅｅｎｎｏｒｍａｌｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ，ｅｘｐａｔｉａｔｅｓｏｎ血ｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＲＥＰＭｂｒｕｓｈｉｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ’Ｓｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎ’Ｓｍｅｔｈｏｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ｔｈｅＰａＤｅｌ＂ｕｓｅｓｅｘａｍｐｌｅｔｏｔｅｓｔｉｔＣＯＩＴｅｅｔａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅ也ｅｆｅａｔｕｒｅｏｆＧｅｎｅｌ．ｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｉｎｇｏｎｔｈｅｅｘａｍｐｌｅ．ｎｌｅｐａｐｅｒａｄｏｐｔｓＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅＲＥＰＭｂｒｕｓｈｉｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ’Ｓｄｅｓｉｇｎａｎｄａｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｎｔｉｃｉｐａｎｔｒｅｓｕｌｔ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｗｅｄｉｓｅｕｓｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｔｏｒ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍｒｅｓｕｌｔｉｎｇｆｒｏｍｆｒｄｌｎｅｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｗｅｒｅｓｏｌｖｅｓｏｍｅｄｉ伍ｃｕｌｔｉｔｙｉｎｃｏｕｒｓｅｏｆａｃｔｕａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇＲＥＰＭｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｓａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｉｔ’Ｓｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｗｅｃａｌｌｏｂｔａｉｎｓｏｍｅｌｌｓｅｆ－ｅｌｖｅｒｄｉｃｔｓｕｓｉｎｇＧｅｎｅｔｉｃＡｌｏ－画ｔｈｉｎ．

ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＥＰＭｂｒｕｓｈｉｅｓｓｍｏｔｏｒＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｌａｍｅ

ｐａｒａｍｅｔｅｒ合肥工业大学

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大

学硕士学位论文质量要求。

导师：答辩委员会签名

絮ｑ２增南才碡的垤的

令彬小冬

危岫≯生大鎏

龠犯嘞暂

告肛了业大学

拗孙岩受白御毅

石缓

》

访教援徽

副秘承致谢

在论文完成之际，我首先感谢我的恩师杜世俊教授和唐海源副教授。无

论从打基础、补缺项、课程的学习、资料的搜集，到论文的选题、深入，都倾注

杜老师、唐老师的心血，由衷感谢杜老师和唐老师对我学业的指导及各方面的关

心，杜老师和唐老师广博的学识、严谨的治学作风、宽厚待人的学者风范，使我

受益终身，也是我学习的榜样。

非常感谢张敬华副教授，感谢张老师对我学业的指导，生活上关心。

十分感谢倪有源、刘旭峰同学，感谢他们对我学业上的帮助。在生活上我们

相互关心，情同手足。

最后，我要感谢我的妻子和亲人，是他们默默无闻的奉献、含辛茹苦的支持

同呼吸、共命运，给我极大的动力。我今后努力工作，不辜负亲人的殷切希望。

作者：陈中

２００４年６月序言

无刷直流电动机经历了４０年的发展，近１０年来得以迅速推广运用。其原

因是由于电力电子技术、微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展，为无刷直

流电动机的研究和制造奠定了基础。目前无刷直流电动机的发展已经与大功率

开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的

发展紧密结合，体现着当今应用科学的最新成果，因而显示出广泛的应用前景

和强大的生命力。

稀±永磁材料的出现对无刷直流电动机的发展定着强有力的推动作用ＩＪＪ。

采用稀土永磁体的无刷誊流电动机不仅了保持传统无刷直流电动机的优点，如

可靠性高、维护方便、结构简单、运行特性好、散热容易、转速不受机械换向

限制、噪声小等。而且还具有以下优越性：

（１）由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量、减少体积。

（２）稀土永磁材料的矫顽力Ｈｃ高、剩磁Ｂｒ大，因而可产生较大的气隙

磁通，缩小了永磁体的外径。从而减小了转子的转动惯量及机械时间常数，使

电机的动态特性得到改善。同时在保持一定的气隙磁感应强度条件下．气隙长度可以选取较大值，这样有利于减少由于齿槽效应引起的转短脉动，也可以抑

制毫枢反应对转短脉动静影确。

（３）稀±永磁兹料的内禀矫顽力ｔｉｅ。高、磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立近似于短形渡的磁场。电机可设计成方波供电电机，当与１２００导

通型三相逆变器相匹配，可实现方渡驱动，从丽可有效地漩少输出转矩脉动和

提高电机的出力。而且，电枢反应对稀土永磁体的去磁效应较小，故稀土永磁无刷直流电动机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的要求。

（４）稀±永磁材料的去磁曲线是线性的、可逆的，该特性给稀土永磁无刷直流电动机的工作点计算带来方便，简化了磁路设计和磁场分析方法。

由于稀土永磁无刷直流电动机具有上述一系列优点，因此其用途更广泛，

特别适合于对惶能、体积重量要求更焉的场合，如航天航空、电动汽车、精密

电子仪器与设备、工业壹动化和现代家用皂器等领域。

按照供电方式的不同，无刷直流电动机又可以分为两类。

１．方波无刷主流电动机（ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏ广～ＢＬＤｅＭ）其反电动势波形

和供电波形都是矩形波。

２．正弦波无刷直流电动机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｏ，ｎｅｔＳ蛳ｅｌ＇ａ＇ｏｎＯＵ￥Ｍｏｔｏｒ一一

ＰＭＳＭ），其反电动势波形和供电波形均为正弦波。０．Ｉ无刷直流电动机的研究范围与现存问题

Ｏ．１．１研究范围

从现有的文献［１］［２１１３１看，目前对无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面：１．电机及其驱动控制电路向集成化、机电一体化方向发展

随着微电子技术和电力电子技术的发展，将传统的电机与电子技术结合

起来，开发出全新性能的新一代产品。机电一体化就是最终实现智能化功能单元的必由之路。所谓智能化的电动机就是将电动机、编码器（传感器）、功率放

大器、电源、可编程控制器和网络管理器等智能化模块组合在一起，形成一个

整体。这样的组合会给驱动系统带来一系列的优点，如可靠性高、成本降低、

体积减少以及系统性能提高等。其中电动机本体的设计是目前主要研究的方向

之一，内容包括对无刷直流电机本体结构、电气参数、工作性能的研究及建立相应的数学模型等。

２．位置检测元件的研究

位置传感器是无刷直流电动机实现无刷换向的一个极其重要的部件。直接

位置检测所用的传感器有霍尔元件、增量式光电编码器、增量式磁栅编码器和旋转变压器加轴角数字变换等。目前围绕如何提高位置检测器的检测精度及对

新型检测方法展开了广泛的研究。

３．永磁体的研究近几年来，永磁体材料的发展实现了三次突破，永磁电机也获得了广泛的

应用。特别是进入９０年代以来，永磁体材料的性能不断提高，其中尤以１９８３

年问世的高性能钕铁硼永磁材料的发展最快。采用钕铁硼永磁材料制造的电机

具有转矩高、效率高、体积小、重量轻等特点，很适应现代化电器与电子设备

向短、小、轻、以及高效节能方向发展的需要。制造工艺简单、价格低廉的铁氧体永磁材料，在电机中的应用也越来越广泛。高剩磁、高矫顽力、高磁能积

永磁材料的不断出现，必将推动无刷直流电动机的进一步发展。

４．永磁转子结构的研究现有永磁转子结构按照永磁体在转子上位置的不同，可以分为表面式、内

置式和爪极式，通常表面突出式转子结构在无刷直流电动机中得到了广泛的应

用。磁极形状以及磁极极弧系数的选取，将直接影响气隙磁密波形的分布，从

而影响电机的工作性能并引起振动和噪音。如何合理地选取转子结构减小转矩脉动和提高电机效率也是当前重要的研究方向之一。＋

５．控制策略的研究

现代控制理论的发展和应用产生了许多新的电机控制方法，无刷直流电动

机因其具有一系列优点，更适合子高性能的伺服控制系统，因而对于无刷直流电动机控制系统的研究具有重要的工程实用价值。

（】）无位置传感器控制的研究从控制系统的成本、维护和可靠性等方面考虑，无传感器传动系统对提高

系统的可靠性和环境的适应性具有更重要的意义，受到国内外学术界的高度重

视，成为近年来的研究热点。无刷直流电动机无位置传感器控制技术，关键在

于速度／位置的观测与估计，而观测和估计的方法又随着永磁式电机的不同而有所不同，一般通过检测三相反电动势来确定转子位置和转速。

（２）智能控制

智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制专家系统。智能控制技术的应用，大大改进了无剧直流电动机的运行性艟。

０．１。２现存问题

目前，对于永磁无刷直流电动机的研究还存在以下一些问题：１．无刷直流电动机的设计

永磁无刷直流电动机是随着新～代电力电子器件的产生而发展起来的一种

新型机电一体化产品，其驱动电压和电流均为非正弦波形，这使得无刷直流电动机的电磁设计不同于正弦波供电的交流电机。

目前国内有关永磁体直流无刷电动机的电磁设计计算方面的资料较少，因

而有必要对无刷直流电动机的设计分析方法进行研究，在此基础上，进行优化

设计，这对于直流无刷电动机的设计和分析，具有重要的理论意义和实用价值。２．转矩脉动的研究

自无刷直流电动机问世以来，运行时的转矩脉动是人们需要解决的难题之

一。因而，国内外广大学者就转矩的平稳性做了大量广泛而深入的研究，通常，

无刷直流电动机的脉动转矩包括电磁转矩脉动与齿槽转矩脉动。ｃ．Ｋ．Ｐａｔｎｉ利用

简化的电机模型研究了不同驱动方式下的电磁转矩脉动，指出了非理想（即非１２０。平顶的梯形波）磁密及非理想电流（非矩形或正弦）作用下，会产生电磁

转矩脉动。对于齿槽转矩的研究早在１９７５年Ｊ．Ａ．Ｗａｎｇｅｔ就利用了数值法对无刷直流电动机的齿槽转矩进行了分析。目前对于齿槽转矩的研究只强调了对齿槽转矩的抑制而忽略了所用方法对电磁转矩的影响，这对整台电机的转矩脉动