隨著電力電子技術的發展，高速永磁無刷直流電機應用前景越來越廣闊，有較大的研究價值，對其電磁性能進行準確的分析和設計具有重要的經濟價值和理論意義。本文主要是圍繞著永磁無刷直流電機，尤其是高速永磁電機的磁路、電路性能的分析、鐵耗和溫升的計算、優化設計、控制系統和樣機制造和實驗等做了大量的工作： 對電機的磁路進行分析設計：從磁路結構入手，分析了定子鐵芯、轉子鐵芯和永磁體的各種結構優劣及其選型、選材的根據；講述了場路結合的分析計算方法；給出了極數、槽數、繞組、轉子參數、定子參數和軸承的參數確定方法。 對永磁無刷直流電機的電路進行分析：從電機磁場分析入手，根據齒磁通分析計算了電樞繞組的感應電動勢；根據此電動勢的波形，推導了三相六狀態控制時，電動勢的電路計算模型，重點推導了電動勢平頂寬度小于120度電角度時的電路模型，指出換相前電流波形出現尖峰脈沖的原因，該模型考慮了電感對高速電機性能的影響；給出了基于能量攝動法計算繞組電感的方法。 高速永磁無刷直流電機內的損耗尤其是鐵耗較大，根據經驗系數來計算鐵耗的傳統方法已顯得力不從心，如何準確計算高速永磁無刷直流電機內的鐵耗是困擾電機工作者的一個難題，本文根據Bertotti鐵耗分立計算模型，進一步推導了考慮電機內旋轉磁化對鐵耗的影響的鐵耗計算模型，其各項損耗系數是由鐵芯材料在交變磁化條件下的損耗數據通過回歸計算得到。通過實際電機的計算和實驗測試，表明此計算模型有較高的準確度。隨著電機內損耗的增大，溫升也是一個重要問題，為了了解電機內的溫度分部，防止局部過熱，本文建立了基于熱網絡法永磁無刷直流電機的溫升計算模型，并對電機進行了溫升計算，計算結果和實際測量基本一致。 本文確立了永磁無刷直流電機的電磁計算方法，建立了優化設計的數學模型，編制了程序，用遺傳算法成功地對高速永磁無刷直流電機的效率進行了優化，給出了優化算例，并做出樣機，通過對優化前后的方案做出樣機并進行比較實驗，優化后測量損耗有了較大的減小。 對永磁無刷直流電機控制系統中的幾個關鍵問題進行了研究：位置檢測技術、三相逆變電路中的功率管壓降和控制系統換相角問題，它們都對電機的性能有很大的影響。本文著重分析了霍爾位置傳感器原理、選型及在電機中的安裝應用；功率管壓降對起動電流、功率的影響問題；控制系統提前或滯后換相對電機電流，輸出性能的影響，提出適當提前換相有利于電機出力。 做出永磁無刷直流電機樣機并進行實驗研究，主要包括高速永磁無刷直流電機、內置式永磁無刷直流電機、高壓永磁無刷直流電機的設計、性能分析、樣機制作、實驗分析等。建構了對樣機進行發電機測試、電動機測試、損耗測量的實驗平臺，通過在測試時使用假轉子的方法成功分離出了電機鐵耗和機械損耗，實驗測量結果和計算結果基本一致。 總之，通過對永磁無刷直流電機的磁路、電路及性能特性的分析研究，建立了一套永磁無刷直流電機的設計理論和分析方法，并通過樣機的制造和實驗，進一步的驗證了這些理論和方法的準確性，這對永磁無刷直流電機的設計和應用有很好的參考價值。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著無刷直流電機在工業控制和家用電器等領域中的應用越來越廣泛，其傳統的帶位置傳感器無刷直流電機控制呈現出越來越多的局限性，由此，無位置傳感器控制便應運而生，特別是“反電勢”法無位置傳感器控制逐漸受到了人們的青睞，并成為無刷直流電機控制系統的研究熱點及發展主流。 論文在詳細介紹了無刷直流電機的運行原理及數學模型的基礎上，對反電勢過零檢測法無位置傳感器控制的原理以及過零檢測電路的設計進行了詳細的分析和研究。由于在零速或低速時電機反電勢為零或很小，基于反電勢的控制方法都需要特殊的起動技術，本文在分析常有起動方法的優缺點的基礎上，提出了一種新的起動方法一轉子位置閉環起動法，該起動方法包括轉子零初始位置檢測、轉子位置閉環加速以及切換至反電勢法運行三個步驟，并通過仿真和實驗證明，與傳統的三段式起動方法相比，該起動方法具有更優良的起動性能。同時，本文還對反電勢法無位置傳感器控制的檢測誤差及干擾影響進行了系統的理論分析，并提出了相應的誤差補償及干擾抑制措施。 最后，確立了以MC56F805為核心的無刷直流電機無位置傳感器控制系統的硬件系統，搭建了相應的硬件實驗平臺。在Codewarrior集成開發環境下完成了整個無刷直流電機無位置傳感器控制系統的軟件設計。實驗證明，所研制的試驗軟硬件平臺能很好地完成無刷直流電機無位置傳感器控制功能，控制系統結構簡單、響應快速、可靠性高。
上傳時間： 2013-07-21
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v無刷直流電動機具有結構簡單、可靠性高、維護方便、運行效率高和調速性能好等優點，隨著微處理器技術、電力電子技術、控制理論，以及低成本、高磁能積永磁材料的發展，得到越來越廣泛的應用。無刷直流電動機采用無位置傳感器控制，電動機結構更加簡單，應用范圍擴大，相對于有位置傳感器控制優勢明顯。本論文圍繞無刷直流電動機的無位置傳感器控制進行較為系統和深入的研究。 首先，論文從基本電磁定律出發，在分析無刷直流電動機結構和工作原理的基礎上，建立了無刷直流電動機的數學模型，為分析無刷直流電動機無位置傳感器控制奠定基礎。 其次，根據無刷直流電動機反電勢過零檢測原理，對反電勢過零檢測法的各種實現方法進行研究，比較各種實現方法的優缺點，指出它們的適用范圍。在此基礎上，給出帶通濾波法及其簡化電路形式，提出使用帶通濾波器獲取反電勢三次諧波的方法。論文將直流電源負端電壓作為帶通濾波法和帶通濾波三次諧波法的參考電平。 論文對無刷直流電動機無位置傳感器控制中的關鍵問題-起動方法進行研究，在詳細分析“三段式”起動方法的實現過程的基礎上，給出了從外同步到自同步平穩切換的條件。論文在研究無刷直流電動機無位置傳感器控制換相方法的基礎上，提出了一種新的換相方法，提高了電動機運行平穩性和系統穩定性。在帶通濾波三次諧波法中使用該換相方法，無需對三次諧波積分即可得到換相時刻。 濾波器是反電勢法中反電勢過零檢測電路的重要組成部分。論文在分析無刷直流電動機端電壓信號特點的基礎上，給出濾波電路的技術要求，根據濾波器基本設計原理，分別對一階RC無源帶通濾波器和二階RC有源低通濾波器進行電路設計和參數計算，并通過實驗驗證理論分析和仿真結果。這些為通過檢測反電勢過零點獲得可靠的換相信號創造了條件。 論文還分析了無刷直流電動機無位置傳感器控制中產生轉子位置檢測誤差的原因，提出了相應的校正方法。通過分析無刷直流電動機的換相過程，建立了換相狀態的等效電路和數學模型，研究了轉子位置誤差引起的電動機超前、滯后換相現象，及其由此產生的非導通相環流，在理論分析的基礎上，進行了仿真計算，并與實驗結果對照分析。 功率器件的功率損耗分析在逆變器設計和提高控制系統的可靠性方面具有重要作用。論文構建了由IGBT組成的簡化逆變器模型，并進行仿真研究。針對不同的開關頻率和柵極電阻，定量計算了IGBT開關過程中各階段的功率損耗，給出了變化規律，對逆變器的設計具有重要的指導意義。最后，論文研制了基于反電勢過零檢測法的無位置傳感器無刷直流電動機控制系統，控制系統由硬件和控制軟件兩部分組成。硬件部分包括主電源整流濾波電路、控制電源電路、反電勢過零檢測電路、驅動和逆變電路以及保護電路等，控制軟件包括電動機起動模塊(包括定位、加速、切換)、電動機運行控制模塊(包括過零檢測及校正、換相)和各保護功能模塊。對系統進行了調試，并對論文中所分析和提出的各種方法進行了相關的實驗研究，給出了實驗結果。
上傳時間： 2013-06-06
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隨著世界范圍內的能源危機越來越嚴重，每個國家都投入了極大的熱情開發新型節能型產品，而且整個社會的節能意識越來越高。我國2005年廣東發生的油荒現象已經造成了局部能源恐慌，所以節能問題受整個社會關注的程度越來越高。 我國傳統螺桿泵采油系統的地面驅動部分采用異步電機加變速箱，長期以來存在“大馬拉小車”現象，系統效率和經濟效益低下，耗能非常嚴重。 永磁無刷直流電機在進入21世紀后，以其較高的效率和優異的控制性能保持較高的發展勢頭，已廣泛用于社會生活的方方面面，如比家電行業，汽車行業和工業控制等等。 本文基于ST7MC設計了應用于油田螺桿泵的永磁無刷直流電機驅動系統。通過大量的資料和文獻閱讀，首先從無刷直流電機的結構和原理開始介紹，在建立無刷直流電機的數學模型基礎上，對整個控制系統的硬件和軟件結構進行了詳細說明，給出了正弦波控制策略的頻率和相角估算方法。 基于本控制系統的設計方案完成的6.5KW無刷直流電機控制系統已經成功在油田上試運行，通過大量的負載試驗和井上運行試驗驗證了該系統達到了較高的系統的效率和經濟效益。并取得了預期的節能效果。
上傳時間： 2013-04-24
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永磁無刷直流電動機是一種機械、電氣、電子一體化的高技術產品，具有結構簡單、運行可靠、使用壽命長等優點，在現代輕重工業中應用廣泛。現代工業技術和生產需求的快速發展對永磁無刷直流電動機控制系統的性能要求不斷提高，因此研究具有響應速度快、調節能力強、控制精度高的無刷直流電動機控制系統具有十分重要的意義。 本文介紹了永磁無刷直流電動機控制系統的組成和研究方向，介紹了英飛凌XC167Cl高性能16位單片機，進而對永磁無刷直流電動機的類型進行了介紹，同時分析了永磁無刷直流電動機的工作原理，建立了比較完善的數學模型，并詳細闡述了轉矩脈動產生的原因和消除轉矩脈動的一般方法。 本文設計并實現了基于英飛凌XC167Cl高性能16位單片機的轉速和電流雙閉環永磁無刷直流電動機控制系統。系統采用PWM方式實現對電機的控制。轉速和電流雙閉環數字PI器的應用使得控制系統具有良好的動態和靜態性能。單片機和液晶顯示與鍵盤給定模塊之間的串行通信實現了控制系統信息在人機間的傳輸，為系統的調試帶來了靈活性，也為控制系統中參數的實時監控和給定提供了方便。 在本文的最后，就采集到的部分波形，分析了實驗結果，并提出了對本系統的總結和展望。 實驗表明，本文所采用的英飛凌XC167Cl高性能16位單片機具有極高的性能，以其為核心的控制系統具有運行性能良好、調試方便、升級換代容易等特點，為后續的研究工作提供了實驗基礎和借鑒。
上傳時間： 2013-05-25
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在目前全球能源危機和溫室效應越來越嚴重的情況下，電動車(Electric Vehicle)以其無污染、低噪聲、效率高，便于操作等優點，越來越受到人們的青睞。本課題與華中科技大學辜承林教授聯合，為蘇州益高電動車輛制造有限公司設計旅游車無刷電機驅動系統。課題結合現代CPU技術、數字技術和電力電子技術，設計了一款以無位置傳感器無刷直流電機為動力的大功率汽車輪轂驅動控制器。 本課題采用辜老師設計的“橫向磁通無刷直流電動機”為控制對象。本文首先分析了無刷直流電機的數學模型和無位置傳感器的反電勢過零點檢測的基本原理，從整體上對控制系統的各個方面進行了討論并確定了整體設計方案。在課題中，本人采用DSP 2407A作為控制核心，以功率MOS管為逆變器件，研制出系統硬件，用C語言編制了系統軟件。鑒于該課題在大電流等級的無刷直流電機應用中，國內外尚無先例，本項目在開發實驗中，對無位置傳感器無刷電機的起動和反電勢過零檢測作了大量的研究工作，取得許多有益的科研實踐經驗。通過對電機的起動過程和位置檢測方法進行的一些有效改進措施，使得電機達到較好的運行性能和操控特性。 實驗結果表明本項目設計方案有效可行，研制的無位置傳感器無刷直流電機控制器達到設計的預期基本性能指標。
上傳時間： 2013-04-24
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高速電機由于轉速高、體積小、功率密度高，在渦輪發電機、渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機、分子泵等許多領域得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電機由于效率高、氣隙大、轉子結構簡單，因此特別適合高速運行。高速永磁無刷直流電機是目前國內外研究的熱點，其主要問題在于：（1）轉子機械強度和轉子動力學；（2）轉子損耗和溫升。本文針對高速永磁無刷直流電機主要問題之一的轉子渦流損耗進行了深入分析。轉子渦流損耗是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產生的。首先通過優化定子結構、槽開口和氣隙長度的大小來降低電流空間諧波和氣隙磁導變化所產生的轉子渦流損耗；通過合理地增加繞組電感以及采用銅屏蔽環的方法來減小電流時間諧波引起的轉子渦流損耗。其次對轉子充磁方式和轉子動力學進行了分析。最后制作了高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。論文主要工作包括： 一、采用解析計算和有限元仿真的方法研究了不同的定子結構、槽開口大小、以及氣隙長度對高速永磁無刷直流電機轉子渦流損耗的影響。對于2極3槽集中繞組、2極6槽分布疊繞組和2極6槽集中繞組的三臺電機的定子結構進行了對比，利用傅里葉變換，得到了分布于定子槽開口處的等效電流片的空間諧波分量，然后采用計及轉子集膚深度和渦流磁場影響的解析模型計算了轉子渦流損耗，通過有限元仿真對解析計算結果加以驗證。結果表明：3槽集中繞組結構的電機中含有2次、4次等偶數次空間諧波分量，該諧波分量在轉子中產生大量的渦流損耗。采用有限元仿真的方法研究了槽開口和氣隙長度對轉子渦流損耗的影響，在空載和負載狀態下的研究結果均表明：隨著槽開口的增加或者氣隙長度的減小，轉子損耗隨之增加。因此從減小高速永磁無刷電機轉子渦流損耗的角度考慮，2極6槽的定子結構優于2極3槽結構。 二、高速永磁無刷直流電機額定運行時的電流波形中含有大量的時間諧波分量，其中5次和7次時間諧波分量合成的電樞磁場以6倍轉子角速度相對轉子旋轉，11次和13次時間諧波分量合成的電樞磁場以12倍轉子角速度相對轉子旋轉，這些諧波分量與轉子異步，在轉子保護環、永磁體和轉軸中產生大量的渦流損耗，是轉子渦流損耗的主要部分。首先研究了永磁體分塊對轉子渦流損耗的影響，分析表明：永磁體的分塊數和透入深度有關，對于本文設計的高速永磁無刷直流電機，當永磁體分塊數大于12時，永磁體分塊才能有效地減小永磁體中的渦流損耗；反之，永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。為了提高轉子的機械強度，在永磁體表面通常包裹一層高強度的非磁性材料如鈦合金或者碳素纖維等。分析了不同電導率的包裹材料對轉子渦流損耗的影響。然后利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉子保護環和永磁體之間增加一層電導率高的銅環。有限元分析表明：盡管銅環中會產生渦流損耗，但正是由于銅環良好的導電性，其產生的渦流磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，使永磁體、轉軸以及保護環中的損耗顯著下降，整體上降低了轉子渦流損耗。分析了不同的銅環厚度對轉子渦流損耗的影響，研究表明轉子各部分的渦流損耗隨著銅屏蔽環厚度的增加而減小，當銅環的厚度達到6次時間諧波的透入深度時，轉子損耗減小到最小。 三、對于給定的電機尺寸，設計了兩臺電感值不同的高速永磁無刷直流電機，通過研究表明：電感越大，電流變化越平緩，電流的諧波分量越低，轉子渦流損耗越小，因此通過合理地增加繞組電感能有效的降低轉子渦流損耗。 四、研究了高速永磁無刷直流電機的電磁設計和轉子動力學問題。對比分析了平行充磁和徑向充磁對高速永磁無刷直流電機性能的影響，結果表明：平行充磁優于徑向充磁。設計并制作了兩種不同結構的轉子：單端式軸承支撐結構和兩端式軸承支撐結構。對兩種結構進行了轉子動力學分析，實驗研究表明：由于轉子設計不合理，單端式軸承支撐結構的轉子轉速達到40，000rpm以上時，保護環和定子齒部發生了摩擦，破壞了轉子動平衡，導致電機運行失敗，而兩端式軸承支撐結構的轉子成功運行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。對比研究了PWM電流調制和銅屏蔽環對轉子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環能有效的降低轉子渦流損耗，使轉子損耗減小到不加銅屏蔽環時的1/2；斬波控制會引入高頻電流諧波分量，使得轉子渦流損耗增加。通過計算繞組反電勢系數的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環和不帶銅屏蔽環轉子永磁體溫度。采用簡化的暫態溫度場有限元模型分析了轉子溫升，有限元分析和實驗計算結果基本吻合，驗證了銅屏蔽環的有效性。
上傳時間： 2013-05-18
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電動觀光車是一種以車載蓄電池組作為動力電源、靠電機驅動車輪行駛、無污染的綠色交通工具，它的發展對于解決全球性的能源和環境問題具有非常重要的現實意義，是本世紀最有發展前途的綠色清潔汽車。同時，電動觀光車行駛旅程較短，起動、制動比較頻繁，這一方面需要有高功率密度的電機及其驅動系統，另一方面需要有較高比能量和比功率的電池管理系統以及能量回收功能。 本論文的主要任務是完成電動觀光車設計的核心部分——驅動電機的設計。由于直流電機控制簡單，造價低而且技術成熟，符合我國國情，因此在我國的電動車絕大多數仍然是直流驅動系統。本課題設計了滿足現代電動觀光車對電動機要求的，具有寬廣調速范圍、良好起制動性能和高效率的直流他勵牽引電機。 本文首先分析了電動車的發展和國內外現狀，以及電動車的結構和關鍵技術，重點對電動觀光車常用的牽引電機作了性能比較，并確定選型；對這種電機的基本結構、主要技術要求和工作原理作了分析。基于以上技術要求，根據電機設計的基本原則和相關經驗數據，完成了電機的電磁設計，得到較為理想的設計方案；由此運用AutoCAD和Pro/E軟件繪制出全套直流他勵牽引電機的機械加工圖和三維裝配圖，研制了實驗樣機。文章的最后對所設計的電機進行了仿真和實驗研究。 論文中設計出全套規范的電磁數據和機械CAD，不僅對同類電機的規范和改進具有重要意義，同時也對其它類型的牽引電機的設計具有一定的參考價值。具有廣闊的應用前景。
上傳時間： 2013-04-24
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由于電動助力轉向（EPS）系統具有高性能、高效率、低成本、節能環保等優點，隨著汽車電子技術的發展，電動助力轉向技術逐漸取代傳統的液壓助力轉向（HPS），成為轉向助力技術的主流。 @@ 本文在詳細了解EPS系統性能要求和工作原理的基礎上，對各種已有的EPS助力電機進行了總結和比較。對比結果表明，無刷直流電機（BLDC）憑借其顯著的優點，成為EPS助力電機的較優選擇。 @@ 無刷直流電機作為一種由電動機本體和驅動器組成的機電一體化產品，與傳統的直流電機一樣，具有良好的起動和調速性能，并且由于用電子換向取代了機械換向，不存在傳統直流電機的換向火花和機械噪聲，在許多性能要求比較高的場合已得到普遍應用。隨著電力電子技術、計算機技術的發展，其應用范圍還在進一步擴展。然而，BLDC電機作為EPS系統的助力電機也并非全無缺點。永磁電機中固有的齒槽轉矩的存在，以及由于采用120°換向工作模式造成的轉矩波動，都會嚴重影響EPS系統的操控性能。 @@ 本課題針對無刷直流電機在汽車電動助力轉向系統中的應用，根據EPS系統對助力電機的要求，設計了一臺轉向助力用永磁無刷直流電動機，并使用有限元方法對電機性能進行了分析。為了反映參數變化對電機性能的影響，從而為電機的設計提供指導，我們還用場路耦合的解析算法對電機性能進行了分析。在分析結果的基礎上，對永磁電機中的齒槽轉矩進行了研究，并針對樣機提出了齒槽轉矩的削弱方法，然后使用三維有限元的方式對所提出的方法進行了仿真驗證。 @@ 根據EPS系統的工作原理，探討了助力電機的控制策略，并設計了帶傳感器的無刷直流電機的控制系統。分別完成控制系統硬件和軟件的設計，并進行了相關實驗，結果表明基本達到了設計的目標。 @@關鍵詞：EPS、無刷直流電機、電機設計與優化、有限元、控制器設計
上傳時間： 2013-07-29
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無刷直流電機以體積小、重量輕、效率高、調速性能好、無換向火花及無勵磁損耗等諸多優點被大量應用于家電、交通、醫療器械、數控機床及機器人等領域，現代工業的快速發展對無刷直流電機控制系統的性能要求也越來越高。可以預見，隨著永磁材料和電力電子器件價格進一步的降低，無刷直流電機驅動理論的研究不斷深入，無刷直流電機的應用前景將更加廣泛。 本文通過閱讀大量文獻資料，介紹了無刷直流電機的發展現狀、研究動態及工作原理等。在控制策略上，采用了基于智能控制思想的模糊控制，其特點是不依賴于對象模型，利用制定的控制規則進行了模糊推理從而獲得合適的控制量。運用Matlab/Simulink對控制系統進行了建模和仿真，其中速度環采用模糊PI調節，電流環采用傳統的PI調節，為后面的實驗提供了理論分析的基礎。 結合無刷直流電機的結構，利用電機內部的霍爾元件檢測轉子位置。根據模糊控制器的設計方法，給出了模糊控制查詢表。采用TI公司的數字信號處理器TMS320F2812作為主控芯片，在硬件上設計了整流電路、逆變電路、驅動電路、調理及保護電路等；在DSP軟件開發環境CCS下，采用C語言和匯編語言進行了混合編程，實現了轉子位置信號的讀取、PWM波的產生、AD采樣、速度模糊PI調節及電流調節等功能。 通過對整個控制系統的軟硬件聯合調試，進行了相關實驗。相對傳統的控制系統，采用模糊PI控制的系統具有響應速度快、超調量小、穩定性好等優點。實驗結果表明了無刷直流電機模糊控制系統設計的正確性。最后對整個設計進行了總結，對后續的工作給出了自己的見解。
上傳時間： 2013-04-24
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