永磁无刷直流电机的电磁分析与设计

东南大学 硕士学位论文 永磁无刷直流电机的电磁分析与设计 姓名：吴明 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：胡虔生
2002.4.1
摘要
摘要
永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出 现而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，由于采用了高性能的永磁材料和 巾ｌ了控制技术，它具有单位体积转矩高、转矩惯性比小，起动转矩高，调速特性 好等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备及家用 电器等方面都获得了广泛的应用。
本文讨论了永磁无刷直流电机的电磁分析方法，提出了场路结合的分析方 法并阐述了其原理，并以此对永磁无刷直流电机的电磁性能进行了分析。本文 着重于电机的设计，结合了ＡＮＳＹＳ有限元计算软件与ＡｕｔｏＣＡＤ的二次开发 技术建立了一套较完整和实用的ＣＡＤ软件，并以此软件为基础，设计制造了 外转子低速电机的样机并对之进行了实验测试，并将测试结果与通过软件汁算 的结果进行了比较与分析。
关键词：永磁无刷直流电机ＣＡＤ 电机设计软件开发计算机绘图
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东南大学硕士论文
＾ＢＳＴＲＡＣｌ＇
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｌｏｒ（ＰＭＢＬＤＣＭ） ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ
ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒａｐｉｄｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｉｎ
ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ＂ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｈａｓ ｍａｎｙ ｍｅｒｉｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎ ｕｎｉｔ ｖｏｌｕｍｅ，ｌｏｗ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎｅｒｔｉａ ｒａｔｉｏ，ｈｉｇｈ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｊｎ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒ０１．Ｎｏｗ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ｄｉｇｉｔａｌ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ，ｒｏｂｏｔｉｃｓ，ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ，ｐｅｒｉｐｈｅｒａ Ｊ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ
Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＭＢＬＤＣＭ ｈａｖｅ
ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｉｅｌｄ—Ｒｏａｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ（ＦＲｌＭ）
ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｄｖａｎｃｅｄ，ｗｈｏｓｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ＦＲＩＭ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ
ＰＭＢＬＤＣＭ ａｎｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ＦＲＩＭ ａｎｄ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｉｎ ＡｕｔｏＣＡＤ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓ ｏｆ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ，ｏｕｔｅｒ—ｒｏｔｏｒ ｍｏｔｏｒ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓ’ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄａｔａ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｃｑｕｉｍｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｂｔａｉｎｅｄ
ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ
Ｍｏｔｏｒ
Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｌｏｔｔｉｎｇ
ＣＡＤ
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尔南人学硕十论文
．ＩＩ．
第一章绪论
第一章绪论
本章简要介绍了永磁无刷直流电机的原理、发展和应用，讨论了永磁无刷直 流电机ＣＡＤ技术，并介绍了本文的研究内容。
第一节永磁无刷直流电机的发展、特点与应用
一、永磁无刷直流电机的原理与发展 远在十九世纪四十年代，人们就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。自此以后，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，占据了极重要的地位。但由于传 统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦， 产生了噪声、火花和无线电干扰，寿命短，并且经常需要维护等缺点¨Ｉｏ
针对直流电动机上述的弊病，本世纪初前人就提出了以电子换向代替机械 换向的设想，但是由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，未能找到理 想的电子换向器件。随着现代科学技术的迅猛发展，带来了半导体技术以及新 型永磁材料的飞跃发展，１９６２年，诞生了借助于霍尔元件实现换向的永磁无刷
直流电机，与此同时，采用接近开关式位置传感器、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１ ２１。
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图１—１永磁无刷直流电机的拓扑结构 一台一般的永磁无刷直流电机具有如图ｌ一１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，在传统的永磁直流电机中，永磁体位于电机的定子上，起励磁作用，转 予上安装有电枢绕组，通电后产生反应磁场。利用电刷的换向作用，使得这两
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．１．
第～章绪论
个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持垂直，从而驱动电机运转并 产生最大转矩。永磁无刷直流电机则刚好相反，为了实现无电刷换向，就需要 将电枢绕组放在定子上，而永磁体则放在转子上。但仅此还不够，因为用一般 直流电源给电机定子绕组馈电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢 所产生的永磁磁场相作用，以产生单一方向的转矩来驱动电机转子转动。因此， 永磁无刷直流电机除了电动机本体外，还要由位置传感器、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， 供逻辑电路按一定的逻辑触发逆变器，给电机定子绕组馈电，其目的是使在永 磁无刷直流电机的运行过程中电机定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢 所产生的永磁磁场，在空间上始终保持相差ｚ／２左右的电角度。
根据逆变器所采用器件的不同，一般将它们分为两类：采用品闸管作为逆 变器功率器件的电机，一般称为晶闸管无换向器电机；另一类采用ＭＯＳＦＥＴ， ＧＴＲ，ＩＧＮＴ等自关断器件作为逆变器功率器件。本文讨论的就是这类电机。 对于这类电机，按电机绕组相数的不同，电机可分单相、两相、三相和多相： 根据绕组连接方式的不同，可分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，有全桥和半桥之分；按反电势波形的不同，又可分为方波形和 正弦形两种。
由于永磁无刷直流电机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方 便等一系列优点，同时又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及具有 良好的调速特性等诸多特点，因此，它由一面世就受到了人们的广泛关注，各 大电机公司与控制厂商都竞相进行永磁无刷直流电机及其控制系统的开发，并 推出了自己的产品，这种研究还在目见深入，新产品层出不穷。 二、永磁无刷直流电机的特点
永磁无刷直流电机与永磁直流电机相比，有相似又有很大的不同，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。
与同样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， 一直是工业与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。近年来，从节能角度虽然进行了许多努力，但改善始终有限。随着新型 钕铁硼永磁材料的出现，性能的完善与价格的下降，永磁无刷直流电机的应用 逐渐在扩大。实践表明，永磁无刷直流电机比之异步电动机有以下特点：
ｌ、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，具有更高的效率和功率因数； ３、永磁转子不发热，发热部分在定子上，散热条件较好，可以相对取高一 些的电磁负荷，体积减少，功率密度增大； ４、气隙主磁通是由转子永磁体产生的，定子绕组电流与产生的转矩可设计
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第一章绪论
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，由于它一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。
＼项移目娄＼ 永磁有刷直流 电动机 ．
永磁无刷 直流电机
开关磁阻 电动机
变频调速异步 电动机
结构可靠性 效率
差
较高
好
好
好
一品
较高
较低
调速性能
好
好
好
较好
功率／体积比
较低
日
较高
低
电机本体成本
高
控制器成本
低
较高 较高
低 较低
较低
一局
表１—１四种电动机的比较
表１—１从结构可靠性、效率、调速性能、功率密度、电机本体的成本和控
制器成本六个方面对前面的比较做一个定性总结ｂ】。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、优良的调速性能等诸多优越性，
并且随着新型稀土永磁材料的性能的提高完善与价格的下降，带来永磁电机成
本的降低，这种优越性将更加明显。
三、永磁无刷直流电机的应用
由于永磁无刷直流电机具有单位体积转矩高、转矩惯性比小，起动转矩高，
调速特性好等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、汽车、计算机外围
设备及家用电器等方面都获得了广泛的应用，并且这个领域仍在不断扩大，其
中包括市场广阔的在家用及小功率驱动中的应用及电动车辆中的应用。
第二节 永磁无刷直流电机ＣＡＤ技术的研究
永磁无刷直流电机是集材料技术、电力电子技术、微电子技术、检测技术、 电机设计、制造与控制技术于一体的高科技含量的电机，是一种典型的机电一 体化产品。目前国内外学者对永磁无刷直流电机的研究工作也主要集中在这几 个方面，并取得了相当多的进展。本文所讨论的内容属于电机设计的领域。 一、电机ＣＡＤ的发展与特点
计算机技术的高速发展以及它在各行业中的广泛应用是近二十年来最引人
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第一章绪论
瞩目的成就。在工程设计领域，计算机辅助设计（ＣＡＤ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ） 就是计算机技术的成功应用之一。
电机的计算机辅助设计，是ＣＡＤ技术在电机设计中的具体应用。由于近代 科学技术的飞速发展以及快速变化的市场的具体需要，传统的手工设计方式已 经无法满足要求，用户已经无法忍受那些耗时繁杂的简单重复手工计算，希望 设计电机建立在更加完善的理论基础上，精确度更高，得出的数据更完整，设 计出的电机根据设计要求达到最优，同时希望在设计阶段就能够预测出电机的 全部性能和参数，并以最直观的形式给出各个结果，缩短产品的试制周期、降 低试制费用，并最终实现电机设计自动化。